內轉塔單點系泊系統鑄件平臺吊裝翻身有限元分析

張 平

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266555）

浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）單點系泊系統近年來廣泛應用于近海油田開發，是近海油田“井口平臺+生產儲油輪（FPSO）+單點系泊系統”采油方式中的主要構成之一[1]。其中，鑄件平臺分段由多個高度不一的立管段和環形板材及圈梁構成。由于復雜的空間內部結構，在預制時需要反造預制，總裝時需要進行180°翻轉就位。在此過程中，應力集中點和結構強度在動態變化，利用ANSYS軟件可以有效分析翻身過程中鑄件平臺產生的應力集中和變形變化，為單點系泊系統的安裝作業提供合理的可行性建議。

1 質量控制

1.1 分段信息

以某FPSO內轉塔單點系泊系統為例，它的鑄件平臺分段采用反造的方式在車間預制，使用2臺400 t履帶吊（1#、2#）將分段翻身并與錨鏈盤總段合攏。本文分析鑄件平臺的吊裝過程[2]，鑄件內平臺分段總體信息參見表1，其中質量數據根據最新圖紙建立的TEKLA模型導出獲得。

表1 鑄件內平臺分段（L3 block）總體信息

1.2 吊點布置

根據TEKLA模型提供的重心位置，在鑄件平臺正反兩面上共布置9處55 t吊點，其中1#～3#吊點為車間平吊時的吊點，4#～9#為在場地翻身就位時所用的吊點。與吊點相連接的基板或者腹板，需要在吊點安裝前進行夾層檢驗[3]。鑄件內平臺分段（L3分段）重心位置及吊點1#～9#布置詳圖如圖1所示。

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

有限元計算分析使用ANSYS軟件。該軟件為ANSYS公司研制的大型結構仿真有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）軟件，適用于包括線性、非線性、動力學、流體動力學和顯式研究在內的結構分析，在海洋鋼結構工程和各類力學領域均有廣泛和深入的應用[4]。使用ANSYS軟件對鑄件平臺建模，模型采用SOLID實體單元。網格劃分區域為所有實體，單元形狀選擇為六面體（Hex），結構化網絡。所有網格的平均大小為50 mm，有限元分析中使用的單位為mm·N-1·s-1。FEA模型如圖2所示。

由于鑄件平臺空間結構的復雜性，在使用ANSYS分析時，對鑄件平臺分段（L3）模型進行了簡化。模型中所有的非應力集中區域倒角與圓角均被刪除，所有的鋼絲繩在模型中均被簡化為直徑50 mm的細桿[5]。

2.2 工況設定

工況參見表2。其中：W1工況為結構凈質量；W為TEKLA軟件中的鑄件平臺分段質量；W2工況為結構總質量；Coe2為質量不確定系數，由于吊裝時可能附加的額外質量，根據一般原則[6]，取1.05；W3工況為在W2工況基礎之上加上鑄件平臺分段在吊裝過程中由于風力或其他因素導致晃動所產生的載荷，所以要考慮吊裝動態放大系數；動態放大系數Coe3取1.1。

表2 工況說明

采用有限元分析計算的目的是分析鑄件平臺分段吊裝翻身時最危險工況下的結構強度和應力。因此，在計算分析時，需要使用加強重力加速度在ANSYS模型中模擬W3工況，最終的加強重力加速度為：

將相關數值帶入式（1），最后可獲得加強重力加速度為11 319 mm·s-2。需要說明的是，在ANSYS模型中4#～9#吊點節點全部采用fix約束[7]。

2.3 分析結果

翻身階段0°吊裝強度結果如圖3所示。可以看出，分段結構的最大等效應力117 MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），最大應變為4.2 mm，滿足要求。

翻身階段45°吊裝強度結果如圖4所示。分段結構的最大等效應力81 MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），應變為2.6 mm，滿足要求。

翻身階段90°吊裝強度結果如圖5所示。分段結構的最大等效應力114 MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），應變為3.6 mm，滿足要求。

翻身階段135°吊裝強度結果如圖6所示。分段結構的最大等效應力154MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），應變為2.7 mm，滿足要求。

翻身階段180°吊裝強度結果如圖7所示。分段結構的最大等效應力115 MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），應變為4.4 mm，滿足要求。

3 結論

（1）根據有限元應力計算結果可以得到：整個吊裝翻身過程中，最大應力出現在工況為135°時6#吊點附近的環板上，大小為154 MPa；最大位移出現在工況180°時6#吊點附近，大小為4.4 mm。在整個吊裝從0°翻身到180°的過程中，結構強度滿足要求，結構的高應力主要出現在6#吊點附近。

（2）對于應力、應變集中的6#吊點附件區域，由于板材厚度較薄，有必要進行臨時加強，對6#吊點進行一定的改造或者對其下部的環板安裝臨時加強結構件，減小該處的應力集中。

（3）鑄件平臺分段內部結構復雜，各種梁、管和板材縱橫交錯，在分段施工時應充分考慮與單點系泊系統其他結構的安裝就位問題，合理對部分超長結構分段，避免出現結構影響吊裝作業的情況。

（4）鑄件平臺分段由于結構的獨特性，合理布置吊點將會事半功倍。