某自升式平臺(tái)管線棧橋強(qiáng)度評(píng)估

張　亮

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

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某自升式平臺(tái)管線棧橋強(qiáng)度評(píng)估

張亮

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

由于海洋環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)備影響較大，因此需要定期對(duì)鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)及強(qiáng)度評(píng)估。通過(guò)對(duì)某自升式鉆井平臺(tái)的管線棧橋進(jìn)行檢測(cè)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，利用ANSYS軟件建模并計(jì)算重要構(gòu)件及整體的應(yīng)力分析，以此來(lái)驗(yàn)證該管線棧橋使用的可靠性。

自升式平臺(tái)管線棧橋應(yīng)力分析強(qiáng)度評(píng)估

0　引言

某自升式鉆井平臺(tái)通過(guò)管線棧橋與固定平臺(tái)之間互通油、氣、水、電，結(jié)構(gòu)模型如圖1、圖2所示。該管線棧橋上載有240 mm2的主輸電電纜18根，其它通信廣播電纜若干根，以及輸送液體無(wú)縫鋼管φ89×5.5 mm兩根、φ60×4 mm三根。為了管線連接機(jī)維修方便，棧橋上設(shè)有供兩人行走的通道。棧橋總長(zhǎng)14.5 m，旋轉(zhuǎn)角度為180°，總體外觀為懸臂式，并可繞立式主軸水平旋轉(zhuǎn)。棧橋主體為框架式，通過(guò)多條螺栓與立式主軸連接，在棧橋上部與主軸頂部之間用一根鋼絲繩相連。棧橋的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能是靠機(jī)械傳動(dòng)與液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在拖航狀態(tài)下，棧橋緊靠生活區(qū)后部，在自由端設(shè)有支撐平臺(tái)，棧橋通過(guò)張緊裝置和羊角螺栓固定，以保證拖航狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

圖1　棧橋90°方向

圖2　棧橋180°方向

該棧橋于2006年安裝，鑒于使用年限較長(zhǎng)，故有必要對(duì)棧橋重要構(gòu)件及整體進(jìn)行安全評(píng)估。評(píng)估內(nèi)容包括棧橋主體、傳動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的強(qiáng)度。

1　棧橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

1.1載荷施加

人員質(zhì)量200 kg，集中加在端部。

均布重量1 735 N/m，電纜質(zhì)量1.5 t，液管直徑89×8 mm兩根，60×6 mm三根，液體按水計(jì)。

要求在10級(jí)風(fēng)的條件下，棧橋能夠正常使用，計(jì)算如下[1]：

10級(jí)風(fēng)速V=28.5 m/s，風(fēng)壓P=0.613×10-3V2kPa=812.55 Pa,風(fēng)載荷F=ChCsSP=9 507 N。

上式中：P為風(fēng)壓；S為平臺(tái)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積；Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)，其值可根據(jù)構(gòu)件高度取1.1；Cs為受風(fēng)構(gòu)件形狀系數(shù)，取1.5。

1.2計(jì)算結(jié)果

1.2.1棧橋在90°方向，無(wú)風(fēng)環(huán)境下

根據(jù)CCS規(guī)范要求[2]，靜載工況下，用Von mises 應(yīng)力進(jìn)行校核。棧橋整體許用應(yīng)力為屈服極限164 MPa，實(shí)際應(yīng)力為159 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求(見(jiàn)圖3)。對(duì)板單元進(jìn)行應(yīng)力分析(見(jiàn)圖4)，許用應(yīng)力為164 MPa，實(shí)際應(yīng)力為58 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。對(duì)梁?jiǎn)卧M(jìn)行應(yīng)力分析(見(jiàn)圖5), 許用應(yīng)力[3]為164 MPa，實(shí)際應(yīng)力為159 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖3　90°方向，無(wú)風(fēng)環(huán)境下棧橋整體應(yīng)力圖

圖4　90°方向，無(wú)風(fēng)環(huán)境下板單元應(yīng)力圖

圖5　90°方向，無(wú)風(fēng)環(huán)境下梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖

1.2.2棧橋在90°方向，有風(fēng)環(huán)境下

根據(jù)CCS規(guī)范，組合工況下，用Von mises 應(yīng)力[5]進(jìn)行校核。棧橋整體許用應(yīng)力為屈服極限[4]211 MPa，實(shí)際應(yīng)力為181 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求(見(jiàn)圖6)。對(duì)板單元進(jìn)行應(yīng)力分析(見(jiàn)圖7)，許用應(yīng)力為211 MPa，實(shí)際應(yīng)力為61 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。對(duì)梁?jiǎn)卧M(jìn)行應(yīng)力分析[6](見(jiàn)圖8), 許用應(yīng)力為211 MPa，實(shí)際應(yīng)力為181 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖6　90°方向，有風(fēng)環(huán)境下棧橋整體應(yīng)力圖

圖7　90°方向，有風(fēng)環(huán)境下板單元應(yīng)力圖

圖8　90°方向，有風(fēng)環(huán)境下梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖

1.2.3棧橋在180°方向，無(wú)風(fēng)環(huán)境下

根據(jù)CCS規(guī)范，靜載工況下，用Von mises[7]應(yīng)力進(jìn)行校核。棧橋整體許用應(yīng)力為屈服極限164 MPa，實(shí)際應(yīng)力為62 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求(見(jiàn)圖9)。對(duì)板單元進(jìn)行應(yīng)力分析(見(jiàn)圖10)，許用應(yīng)力為164 MPa，實(shí)際應(yīng)力為55 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。對(duì)梁?jiǎn)卧M(jìn)行應(yīng)力分析(見(jiàn)圖11), 許用應(yīng)力為164 MPa，實(shí)際應(yīng)力為162 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖9　180°方向，無(wú)風(fēng)環(huán)境下棧橋整體應(yīng)力圖

圖10　180°方向，無(wú)風(fēng)環(huán)境下板單元應(yīng)力圖

圖11　180°方向，無(wú)風(fēng)環(huán)境下梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖

1.2.4棧橋在180°方向，有風(fēng)環(huán)境下

根據(jù)CCS規(guī)范，組合工況下，用Von mises 應(yīng)力進(jìn)行校核。棧橋整體許用應(yīng)力為屈服極限211 MPa，實(shí)際應(yīng)力為193 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求(見(jiàn)圖12)。對(duì)板單元進(jìn)行應(yīng)力分析(見(jiàn)圖13)，許用應(yīng)力為211 MPa，實(shí)際應(yīng)力為56 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。對(duì)梁?jiǎn)卧M(jìn)行應(yīng)力分析(見(jiàn)圖14), 許用應(yīng)力為211 MPa，實(shí)際應(yīng)力為193 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖12　180°方向，有風(fēng)環(huán)境下棧橋整體應(yīng)力圖

圖13　180°方向，有風(fēng)環(huán)境下板單元應(yīng)力圖

圖14　180°方向，有風(fēng)環(huán)境下梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖

2　棧橋重要構(gòu)件強(qiáng)度評(píng)估

2.1液壓傳動(dòng)裝置扭矩計(jì)算

2.1.1作用在棧橋構(gòu)架上的風(fēng)載荷計(jì)算：

F風(fēng)=KKZP0A=2 162.2N

式中：K 為風(fēng)載形狀系數(shù)取0.5；KZ為海上風(fēng)壓高度變化系數(shù)取1.18；基本風(fēng)壓P0=0.613VT2=179.34 Pa(VT按7級(jí)風(fēng)取17.1 m/s)；A為受風(fēng)面積計(jì)算得出20.45 m2。

2.1.2主軸轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩

式中：L為棧橋構(gòu)架總長(zhǎng)度14.5 m；f磨=(N1+N2+G)·f=1 226 N，其中N1=N2=124 463 N(計(jì)算值見(jiàn)2.1.3中棧橋整體受力分析)；G為棧橋及電纜、管線總重量40 000 N；f為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)取0.004；R為主軸半徑0.1365 m；慣性阻力矩[8]Tg= JGi·n/9.55/t=735 N·m；棧橋繞回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JGi=4·(G/10)·(L2/4)/30=28 033 kg·m2；棧橋回轉(zhuǎn)速度按最大速度n=1 r/min；t為棧橋起動(dòng)時(shí)間取4 s。

2.1.3棧橋整體受力分析

由圖15可見(jiàn)N3=G=40 000 N； N1= N2，以N3為研究點(diǎn)則有：G·7.25= N1·2.33，則N1=N2=124 463 N。

圖15　橋體受力分析

2.1.4驗(yàn)算液壓傳動(dòng)裝置扭矩

通過(guò)以上計(jì)算可知轉(zhuǎn)動(dòng)主軸所需的扭矩為16 411 N·m。

轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上的大齒輪齒數(shù)為Z1=96，液壓傳動(dòng)裝置上的小齒輪齒數(shù)為Z2=18。

扭矩為16 411·Z2/Z1/n=3 077 N·m(其中n為效率，取0.9)。

因此此液壓傳動(dòng)裝置滿(mǎn)足傳動(dòng)要求(此裝置型號(hào)為ZCM6000-K3，其額定扭矩為6 000 N·m)。

2.2齒輪強(qiáng)度計(jì)算

2.2.1齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)設(shè)備說(shuō)明書(shū)查得齒輪參數(shù)如表1所示。

表1　大小齒輪參數(shù)

節(jié)圓處的齒面接觸最大，計(jì)算應(yīng)力：σHma=ZEZHZσ{Ft/d1/b[(u+1)/u]kAKVKBKa}0.5=843.6 MPa。

式中：節(jié)點(diǎn)區(qū)域參數(shù)ZE取2.5；彈性系數(shù)ZH取189.8；重合度系數(shù)Zσ取0.83；額定圓周力為Ft=MT/d1=46 296 N；使用系數(shù)kA取1.25；動(dòng)載荷系數(shù)KV取1；載荷分布系數(shù)KB取1.03；載荷分配系數(shù)Ka取1.4；u為傳動(dòng)比取5.33。

許用接觸應(yīng)力[σHF]=1 200，許用彎曲應(yīng)力[σ]=490×0.6=294 MPa。

由以上計(jì)算得出：齒面最大接觸應(yīng)力σHma<[σHF]，所以接觸應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

2.2.2齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算

σF= FtkAKVKBKaYFaYσYβ=131MPa

式中：齒形系數(shù)YFa取2.7；重合度系數(shù)Yσ取0.83；螺旋角系數(shù)Yβ取1。

可見(jiàn)σF<[σ]，因此齒根彎曲強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2.3連接螺栓強(qiáng)度計(jì)算

2.3.1傳動(dòng)主軸與橋架結(jié)構(gòu)之間的連接螺栓[9]

螺栓參數(shù):材料為2Cr13,型號(hào)為M30×15(GB5782-86)共計(jì)16個(gè)，抗拉強(qiáng)度為800 MPa，屈服強(qiáng)度為640 MPa，拉伸許用應(yīng)力[σ]=640×0.8=512 MPa。

由于采用的是高強(qiáng)度螺栓連接，因此螺栓只受拉力作用，螺栓的最大拉力為[10]

Nmax=M/2×0.741÷(0.0752+0.2662+0.4612+0.7412)=128 218N

式中：M=G·L/2=40 000×14.5/2=290 000 N·m。

所以最大拉應(yīng)力為：σmax=Nmax/s=181.5 MPa，即σmax<[σ]，因此螺栓滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2.3.2傳動(dòng)主軸與大齒輪之間的連接螺栓

螺栓參數(shù)：材料為2Cr13,型號(hào)為M30×105(GB5782-86)共計(jì)12個(gè)，抗拉強(qiáng)度為800 MPa，屈服強(qiáng)度為640 MPa，拉伸許用應(yīng)力[σ]=640×0.8=512 MPa。

螺栓所受的最大拉力為

Nmax=2KnT/n/r/f=185 278N

式中：Kn為預(yù)緊系數(shù)取1.2;T為12級(jí)風(fēng)時(shí)棧橋產(chǎn)生的扭矩值56 973 N·m；n為螺栓個(gè)數(shù)12；r為連接法蘭的外徑0.41 m；f為連接面摩擦系數(shù)0.15。所以最大拉應(yīng)力為

σmax=Nmax/s=262.2 MPa，即σmax<[σ]，因此螺栓滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3　結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算分析得出：該管線棧橋在90°方向，無(wú)風(fēng)或者有風(fēng)的環(huán)境下，以及在180°方向，無(wú)風(fēng)或者有風(fēng)的環(huán)境下，棧橋整體、板單元及梁?jiǎn)卧膶?shí)際應(yīng)力均小于許用應(yīng)力；棧橋的傳動(dòng)裝置、齒輪及螺栓均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。綜上所述，該棧橋若按照廠家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定期大修，并且在保證整體及主要受力構(gòu)件完好的情況下是可靠的。

[1]陳英俊，于希哲.風(fēng)載荷計(jì)算[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

[2]中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[3]黃會(huì)榮.結(jié)構(gòu)力學(xué)與鋼結(jié)構(gòu)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[4]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)(第7版)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6]莊茁，張帆，岑松，等.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[7]楊進(jìn)，劉書(shū)杰，姜偉，等.ANSYS在海洋石油工程中的應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

[8]趙淑紅.材料力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[9]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)2(第5版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[10]熊峻江.疲勞斷裂可靠性工程學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

Structural Strength Assessment for Pipeline Trestle of a Jack-up Platform

ZHANG Liang

(CNOOC EnterTech-Drilling & Production Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Due to large impact of marine environment on the steel structure of the equipment, regular testing and strength evaluation for the equipment of steel structure was needed. Pipeline trestle of a jack-up drilling platform was tested and structure strength was analyzed. Using ANSYS to model and calculating the stress of important components and whole structure, in order to verify the reliability of the Pipeline Trestle.

Jack-up platformPipeline trestleStress analysisStrengthAssessment

張亮(1986-)，男，工程師，從事海洋石油移動(dòng)平臺(tái)管理工作。

P75

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