導(dǎo)管架平臺(tái)裙裝套筒結(jié)構(gòu)吊裝受力分析

楊玉良　石曉　張旭杰　張棟楠

摘?要：近年，各國(guó)在國(guó)際潮流的推動(dòng)下紛紛調(diào)整自己的海洋發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)項(xiàng)出臺(tái)了有益于本國(guó)海洋權(quán)益的政策，試圖在新一輪的國(guó)際海洋中占領(lǐng)先機(jī)。在這樣的國(guó)際背景下我國(guó)也要增強(qiáng)海權(quán)意識(shí)，保護(hù)我國(guó)領(lǐng)海安全并對(duì)我國(guó)的海洋進(jìn)行可持續(xù)的綠色發(fā)展。而海上的發(fā)展普遍以導(dǎo)管架平臺(tái)為主。本課題以導(dǎo)管架平臺(tái)的裙裝套筒結(jié)構(gòu)為對(duì)象，使用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行裙裝套筒結(jié)構(gòu)的吊裝受力分析。根據(jù)ANSYS測(cè)試的數(shù)據(jù)計(jì)算得此裙裝套筒在吊裝時(shí)，其最大變形量為9.07mm，最大等效應(yīng)力值為82.2MPa，結(jié)果符合規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：裙裝套筒;吊裝;ANSYS

Analysis of hoisting force of jacket platform skirt sleeve structure

Yang Yuliang?Shi Xiao?Zhang Xujie?Zhang Dongnan

Qingdao Huanghai College?ShandongQingdao?266427

Abstract：In recent years，driven by international trends，countries have adjusted their marine development strategies，introduced policies beneficial to their marine rights and interests，and attempted to take the lead in the new round of international oceans.In such an international context，China should also enhance the awareness of maritime rights，protect the safety of our territorial waters and develop our oceans in a sustainable and green way.The development of offshore platforms is generally based on jacket platforms.In this paper，the jacket platform skirt pile sleeve structure as the object of study，using ANSYS finite element analysis software skirt pile sleeve structure hoisting force analysis.According to the data measured by ANSYS，the maximum deformation and equivalent stress of the skirt pile sleeve are 9.07 mm and 82.2 MPa，The results meet the standard requirements.

Key words：skirt sleeve;hoisting;ANSYS

1 概述

建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)是中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)的重要組成部分。黨的十八大作出了建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重要部署。實(shí)施這一重大部署，對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。對(duì)維護(hù)國(guó)家主權(quán)、安全、發(fā)展利益，對(duì)實(shí)現(xiàn)全面建成小康社會(huì)目標(biāo)、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中華名族偉大復(fù)興都具有重大而深遠(yuǎn)的意義。而發(fā)展海洋事業(yè)的重要組成部分是構(gòu)建海洋導(dǎo)管架平臺(tái)。導(dǎo)管架平臺(tái)的生產(chǎn)使用離不開(kāi)吊裝安裝。吊裝是海洋工程施工中的重要一步，大部分的海洋石油平臺(tái)最終就位需要浮吊在海上實(shí)施吊裝作業(yè)來(lái)完成。吊裝便是一種對(duì)于配置就位的一種專(zhuān)用名詞。吊裝尋常還須要吊具（或稱(chēng)吊索具）配合使用，吊具是由專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)廠家制造的。導(dǎo)管架平臺(tái)的吊裝對(duì)整個(gè)工程而言節(jié)約了材料用量，降低了使用成本，提高了生產(chǎn)效率。[1]吊點(diǎn)成本相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)是比較低的，只在吊裝過(guò)程中作為輔助結(jié)構(gòu)使用，但以往海洋平臺(tái)建造事故中，有大量是由于錯(cuò)誤的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)造成的，因此吊點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞關(guān)乎吊裝的安全性。那么吊裝分析就成為確保吊裝作業(yè)安全可靠的基礎(chǔ)，保證被吊裝結(jié)構(gòu)、吊裝索具及施工船舶的安全。[2]

本課題以裙裝套筒的吊裝為例對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的吊裝進(jìn)行分析。

2 裙裝套筒的構(gòu)成

2.1 裙裝套筒結(jié)構(gòu)

裙裝套筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，由以下幾部分組成：

（1）剪力板、軛狀作用板、裙板：特定作用及特定位置上的鋼板。

（2）裙裝套筒導(dǎo)向：為鋼裝進(jìn)入裙裝套筒作導(dǎo)向作用。

（3）卡裝器：其作用是緊固鋼裝。主要是在海上打裝過(guò)程中，遇到強(qiáng)風(fēng)時(shí)啟動(dòng)卡裝器液壓頂緊鎖鋼裝，保持導(dǎo)管架在海中的穩(wěn)定性，以及打裝后利用卡裝器的鎖裝效用，保持導(dǎo)管架穩(wěn)定的立于海中。

（4）封隔器：位于各裙裝套筒的底部，包括外部膠皮和緊貼套筒內(nèi)壁的氣囊組成，兩者都是為緊固鋼裝及防止所灌的漿體流出之用，氣囊在鋼裝打入裙裝后，在導(dǎo)管架頂部通過(guò)管線將氣體（氮?dú)猓┏淙肽覂?nèi)，氣囊漲滿(mǎn)并包緊鋼裝，達(dá)到上述目的。[3]

2.2 裙裝套筒重量分布

結(jié)構(gòu)總重為：主結(jié)構(gòu)重量、陽(yáng)極重量、吊點(diǎn)重量及腳手架重量之和乘以1.05倍的重量不確定系數(shù)。具體重量分布如下表所示。

3 裙裝套筒結(jié)構(gòu)吊裝的有限元分析

3.1 裙裝套筒結(jié)構(gòu)模型的建立

導(dǎo)管架平臺(tái)的裙裝套筒結(jié)構(gòu)的的吊裝計(jì)算分析過(guò)程主要包含以下三個(gè)步驟：

（1）建立裙裝套筒有限元模型：裙裝套筒的主結(jié)構(gòu)模型采用兩種單元建立，導(dǎo)管、套筒、YOKE板等采用PIPE59、SHELL181單元，其中忽略了次要構(gòu)件如圓鋼、肘板、吊繩等。[4]利用ANSYS軟件建立裙裝套筒結(jié)構(gòu)的幾何模型，定義材料屬性和截面參數(shù)，完成劃分網(wǎng)格，建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖2所示。

（2）應(yīng)用荷載和求解：根據(jù)場(chǎng)地約束條件的具體情況和模型荷載，模擬實(shí)際施工情況。

在完成模型建立跟網(wǎng)格劃分之后，需要對(duì)該模型進(jìn)行靜力分析，在進(jìn)行靜力分析時(shí)，可以簡(jiǎn)化為裙裝套筒模型在自重情況下產(chǎn)生變形，然后分析其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在施加約束時(shí)，吊點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)施加X(jué)YZ全約束。X方向重心處節(jié)點(diǎn)約束UX自由度，Z方向重心處節(jié)點(diǎn)約束UZ自由度。

（3）查看結(jié)果：根據(jù)結(jié)果文件視圖進(jìn)行求解，并分析是否符合實(shí)際需求的分析模型。

對(duì)裙裝套筒模型施加約束和載荷后，利用ANSYS程序?qū)ζ溥M(jìn)行求解，從結(jié)果文件中就可以得到該結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力云圖，從而可以判斷裙裝套筒在吊裝過(guò)程中是否滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

3.2 數(shù)據(jù)分析

（1）裙裝套筒六吊點(diǎn)吊裝分析：

套筒的屈服強(qiáng)度為σS=355MPa，故結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為[σ]=355×0.6=213MPa，由圖3可以讀出裙裝套筒在吊裝過(guò)程中最大等效應(yīng)力為82.2MPa。

由圖4可以看出結(jié)構(gòu)變形最大處位于導(dǎo)管上兩個(gè)吊點(diǎn)的中間位置，最大變形值為9.07mm，符合變形要求。

（2）裙裝套筒四吊點(diǎn)吊裝分析：

從圖5可以得出裙裝套筒在采用四個(gè)吊點(diǎn)吊裝時(shí)的最大等效應(yīng)力為52.0MPa<213MPa，故當(dāng)采用四個(gè)吊點(diǎn)吊裝時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

從圖6可以看出四個(gè)吊點(diǎn)吊裝時(shí)的最大變形發(fā)生在兩個(gè)吊點(diǎn)的中間位置，其最大變形值為8.31mm，符合變形要求。

經(jīng)過(guò)分析可以得出，在使用六個(gè)吊點(diǎn)吊裝時(shí)，裙裝套筒模型的最大等效應(yīng)力為82.2MPa，小于結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力213MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，最大變形為9.07mm，符合變形要求;而當(dāng)使用四個(gè)吊點(diǎn)吊裝時(shí)，其最大等效應(yīng)力52.0MPa，大于結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，最大變形為8.31mm，符合變形要求。因此，在該裙裝套筒的吊裝工作中，可以采用六個(gè)吊點(diǎn)進(jìn)行吊裝作業(yè)也可以采用四個(gè)吊點(diǎn)吊裝。

4 總結(jié)

在海洋平臺(tái)的吊裝過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際的施工與工作環(huán)境情況進(jìn)行具體分析，選擇適宜的吊裝設(shè)備及配套設(shè)備，還要注意人員的人身安全與工作安全，盡量避免發(fā)生吊裝事故。工作人員在上崗前要進(jìn)行安全培訓(xùn)，定期研修學(xué)習(xí)等，這樣才能保證吊裝的質(zhì)量。而且導(dǎo)管架平臺(tái)是典型的傳統(tǒng)式平臺(tái)，但是在未來(lái)的拓展海洋工業(yè)上仍然有著巨大的作用。它在淺海區(qū)域的平臺(tái)中憑借著穩(wěn)定的支承能力和良好的經(jīng)濟(jì)性很受歡迎。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙子坤，衛(wèi)旭敏.基于ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在GORGON項(xiàng)目管線吊裝中的應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2012，56（S1）：145-148.

[2]婁敏.海洋工程施工與安全[M].青島：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2016：24-26.

[3]劉天良，施紀(jì)澤.封隔器封隔時(shí)膠皮筒接觸應(yīng)力的模擬試驗(yàn)研究[J].斷塊油氣田，2000，32（4）：51-52.

[4]王慶五，左昉，胡仁喜.ANSYS10.0機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例（第2版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006：6-8.

資助項(xiàng)目：青島黃海學(xué)院國(guó)家級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目——近海導(dǎo)管架平臺(tái)的吊裝設(shè)計(jì)（201813320019）

作者簡(jiǎn)介：楊玉良（1998-），男，本科，青島黃海學(xué)院智能制造工程學(xué)院。