海洋平臺管道支架材料的建造加工設計

遲省利

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

在石油工業中,型鋼材料具有承載能力強、穩定性高、質量較輕、方便施工等諸多優點,是大型承重結構梁的重要原材料,也是管道、儀表、通訊等專業常用的支撐用材料[1]。海洋平臺由于其服役環境惡劣和結構的不固定性、工藝管道的特殊性,決定了上部組塊管道支架的設計具有一定的特殊性。管道的承重類支架在承受管道自身及其附件重力荷載的同時,也要承受如閥門泄放、水擊力等偶然荷載[2],管道材料的熱脹冷縮引起的位移也會對管道支架產生一定的限制作用。這些復雜的操作工況決定了管道支撐類支架的預制必須采用具有穩定結構的材料[3]。這類承重類支架通常由H型鋼、槽鋼、T型鋼和鋼管等材料焊接預制而成。經過焊接預制成如I形支撐、L形支撐、T形支撐和門字形支撐等結構,用以支撐復雜的管道結構。在國內制造的國標型鋼材料具有優良的特性,良好的承重能力,可行的材料替代方案會對項目的開展發揮積極的作用。

1 由H型鋼預制的管道支撐類支架

H型鋼具有各向對稱結構,各個方向均可用于承重,因其適用的廣泛性和經濟性,被稱為萬能型鋼在各行各業中大量使用[4]。在石油行業中,大尺寸H型鋼可作為平臺上部組塊各甲板間承重梁的承重材料,小尺寸H型鋼可用作機械儀表等設備的承重底座,在管道的管支架結構中作為主要材料被大量使用[5]。

常見的由H型鋼、鋼管和鋼板預制成的管道支架結構類型如下:

1)I形結構。其結構相對簡單,由單一的H型鋼直接生根于結構梁,當需生根于主結構梁時,需在結構梁上焊接方形鋼板來防止結構梁變形。在I形支撐結構中間位置配合使用U型螺栓可對小尺寸管道進行固定和限位。

2)L形結構。由生根于水平結構梁的鋼管或者型鋼和其頂部焊接的水平型鋼組成L形支撐結構,可用于支撐較大尺寸管道。當所支撐的結構重力較大時,需在H型鋼中部焊接加強筋板來增加型鋼支撐能力[6]。

3)T形吊架結構。由生根于水平結構梁或平臺甲板底部的鋼管和其底部焊接的水平型鋼組成T字形吊架結構,用于支撐結構梁或甲板下布置的管道。

4)門字形結構。由兩根生根于單一結構梁或跨距結構梁上的結構鋼與水平H型鋼組成的門字型結構。該結構可同時對多條小尺寸管道進行支撐與限位,也可支撐單一的大尺寸管道,同時由于具有較強的承重能力,也可作為其他三級管支架的生根結構。

上述各類型支架結構如圖1所示。

(a)I形;(b)L形;(c)T形;(d)門字形

2 支架型鋼材料的對比分析

在國內建造的某外國海洋平臺建造項目中,對于管道支撐H型鋼材料,業主設計方設計選用由歐標S335J2材質[7]加工的型號IPE120型鋼[8],其生根于結構梁或平臺甲板,組合成特定形狀的支架,用來支撐工藝管道。經分析對比截面尺寸和抗拉伸屬性等參數,找到與其外觀、截面、化學成分和抗拉伸性能等方面相似的由國標Q355D材質[9]加工的型號HN125×60型鋼[10],對兩種材料對比如下。

2.1 截面尺寸對比

H型鋼的截面形式如圖2所示。

圖2 H型鋼的橫截面

歐標IPE120型鋼的截面尺寸依據歐標EN 10034制造,國標HN125×60的截面尺寸參考國標GB/T 11263制造標準。上述兩種材料的截面參數對比如表1所示。

表1 截面參數對比

通過截面參數對比,可知歐標型鋼的腹板略低,而翼緣板寬度略大于國標材料。國標材質雖然翼緣板寬度較歐標材料略小,但其翼緣板和腹板的厚度都略大于歐標材料的厚度。同時雖然截面相近,但國標材料承重時繞轉軸方向有較高的截面慣性矩,說明該國標H型鋼的強度和剛度更高。

2.2 化學成分和抗拉伸性能對比

上述IPE120型鋼的材料采用的是歐標S335J2材質,材質標準是歐標EN10025;國標HN125×60型鋼的材料采用的是國標Q355D材質。對比二者作為管道支撐材料的主要化學成分質量分數占比如表2所示。

表2 化學成分對比

對比兩種材料的抗拉伸性能如表3所示。

表3 抗拉伸性能對比

通過上述比對可知,兩種材料具有相近的化學成分,相似的抗拉強度和一致的屈服強度。

3 建立I形支撐結構的撓度計算模型

為便于計算,應用材料力學分析方法將I形支撐結構簡化為一端為固定支座,另一端為自由端的懸臂梁結構[11]。該結構受自身重力均勻載荷,同時末端受管道的壓力。建立撓度隨位移變化的數學模型如圖3所示。

圖3 I形支撐懸臂梁撓度隨位移變化的函數關系

圖3中Q為型鋼自身重力在簡支梁單位長度上的均勻荷載,F為簡支梁末端由管道豎直向下的重力形成的壓力,L為梁的長度,ω為懸臂梁隨水平位移x變化的撓度。由材料力學可知,當不考慮末端壓力時,懸臂梁在任意一點受自身均勻重力荷載的撓曲線方程為:

(1)

式中,E為材料的彈性模量,I為型鋼材料的截面慣性矩。

將邊界條件x=L代入到撓曲線方程得到懸臂梁末端最大撓度為:

(2)

當忽略懸臂梁自身重力僅考慮其末端受壓力F時,撓曲線方程為:

(3)

將邊界條件x=L代入到上述撓曲線方程得到懸臂梁末端最大撓度為:

(4)

I形支撐在實際承重時,需同時考慮自身重力與末端來自管道的壓力,因此懸臂梁最大撓度為:

(5)

其中,EI可視為懸臂梁材料的抗彎剛度,負號表示撓度方向為豎直向下。

4 對I形支撐結構的有限元分析

4.1 建立有限元分析模型

在ANSYS有限元分析軟件中,建立生根在豎直結構梁上管道I形支撐的結構模型。設置在相同溫度下,對上述兩種H型鋼分別作為該I形支架的原材料進行分析。為便于分析比較,設置兩種I形支撐生根于相同尺寸的結構梁,且支撐結構長度相同,均為1 m,在受自身重力的同時,都受到來自型鋼末端上表面相同質量管道的壓力。采用Solidworks軟件建立I形支架結構簡易模型并導入到Ansys有限元分析軟件如圖4所示。

圖4 I形支撐結構模型

4.2 建立形變的數值模擬

對I形支撐結構進行豎直方向的形變分析,對支架模型進行網格劃分,設置邊界條件為一端固定在結構梁上,另一端為自由端的邊界條件。將表1～3中對應的兩種型鋼材料的抗拉伸性能屬性值等參數分別賦予對應的兩種截面尺寸的I形支撐模型,設置懸臂梁長度為1 m,同時設置懸臂梁末端均受0.5 kN豎直向下的壓力荷載。形變數值模擬如圖5、圖6所示。

圖5 國標型鋼形變模擬

圖6 歐標型鋼形變模擬

應用ANSYS軟件模擬上述兩種H型鋼作為I形支撐結構的形變量隨位移變化的曲線,并進行形變量對比如圖7所示。

圖7 形變對比曲線

通過數值模擬得出兩種材料作為管道的I形支撐結構在相同受力條件下的形變值,可知國標材料在豎直方向的最大撓度為0.238 mm,小于歐標材料的0.308 mm。通過繪制形變量對比曲線,可知國標材料在相同位移點處的形變量均小于歐標材料。由于兩種材料的屈服強度相當,該國標材料發生塑性變形的概率低于歐標H型鋼。

5 結論

1)在海洋平臺建造過程中,支架材料的替代需滿足不影響自身結構尺寸的基本要求,不影響焊接附件的尺寸和焊接位置。參照外觀尺寸相差不超過5%的基本原則,需同時滿足化學成分相近、截面相似,材料抗拉伸屬性基本相同等諸多條件。

2)通過綜合比較,在建造業主及詳細設計方同意材料替代方案的前提下,文中所述國標材料可代替歐標材料進行項目建造。該材料替代分析方法對海洋平臺建造項目具有一定的參考價值,可行的替代方案在節約項目建造費用,縮短完工周期等方面具有積極的意義。

3)該分析方法為類似的外國海洋平臺建造項目提供了相關設計和施工經驗,除可對文中所述H型鋼材料進行分析,同時可作為角鋼、工字鋼、T型鋼等材料的建造加工設計提供參考。