海洋石油平台陆地称重结构设计及有限元分析

刘明爽李晓光杨永枝李应晓成凯

(1.海工国际工程有限责任公司,天津塘沽 300461; 2.海洋石油工程股份有限公司建造公司,天津塘沽 300452;3.海洋石油工程股份限公司工程项目管理中心,天津塘沽 300461)

海洋石油平台陆地称重结构设计及有限元分析

刘明爽1李晓光1杨永枝3李应晓2成凯2

(1.海工国际工程有限责任公司,天津塘沽 300461; 2.海洋石油工程股份有限公司建造公司,天津塘沽 300452;3.海洋石油工程股份限公司工程项目管理中心,天津塘沽 300461)

海洋石油平台常见为四立柱钢结构平台,陆地建造完工出海安装之前,需要称重得出准确的重量和重心数据,常用称重形式包括称滑靴和称立柱。本文以渤海湾石油平台为例,使用ANSYS有限元分析软件,分别计算并设计两种常用称重结构形式,并计算分析了应力分布和变形情况,对现场施工起到了指导性的作用。

海洋石油平台 称重 有限元分析

1 概述

海洋石油平台常见为四立柱钢结构平台,是海上进行油气作业的设施,一般包括钻井平台、生产平台、井口平台和生活平台等。海洋石油平台陆地建造完成出海安装之前,需要进行陆地称重,得出准确的重量和重心,据此设计平台吊点角度,保证海上吊装安全平稳。渤中29-4 WHPA平台是海油工程承建的海洋生产平台之一,平台有四根立柱,立柱规格Φ1829×50mm,外围尺寸约为32×48× 14.8m,重量约1900T,四根立柱支反力分别为529.8T、424.6T、510.7T和450.3T。根据滑道承载力要求,设计使用四条6.4m滑靴支撑立柱。立柱处脚鞋的设计规格与立柱相同,材质GB712-2000 D36,脚鞋与立柱及滑靴连接详见典型图一所示。

表一 400T称重千斤顶几何参数

ANSYS软件是流行的大型通用有限元分析软件,它集结构、热力、流体、电磁等于一体,广泛应用于工程、造船、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程、水利等工作及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行,具有多物理场耦合功能,并且在PC机上建立的模型可在巨型机上运行,确保了ANSYS可以对多领域多种工程问题进行求解。现具体介绍该平台称重结构物设计及有限元分析。

2 ANSYS建模及结果分析

滑靴称重形式,液压千斤顶称重系统布置在滑靴称重结构和滑道块之间,通过计算设计出滑靴称重结构。立柱称重形式,液压千斤顶称重系统布置在立柱称重结构和滑靴之间,立柱称重结构设计为上下称重环板及纵向加强筋板的结构形式,与立柱焊接,材质均选用GB712-2000 D36,根据平台立柱的重量,选用4个400T千斤顶进行称重,千斤顶参数见表一。建立的ANSYS模型分别如图二和图三所示。

由于结构为钢板或卷制管,选用SHELL93单元模拟,材料属性采用线弹性模型,弹性模量210GPa,泊松比0.3。结构上端施加竖向位移约束,千斤顶位置施加压强载荷P。

P=α*T*g/(4*PI*D2)=1.5*529.8*1000*9.8/(4*PI*(193/ 1000)2)=52.27MPa (1)

式中,T为最大单腿支反力,g为重力加速度取9.8,D为千斤顶鞍座直径,α为安全系数。

经计算,滑靴称重形式最大应力为182MPa,立柱称重形式最大应力为189MPa,均小于许用应力213MPa(取0.6倍屈服应力),两种称重形式均满足设计要求(如图四所示)。

滑靴称重形式优点是合理设计滑靴称重结构,避免立柱脚鞋与滑靴连接筋板的切割和二次焊接,缺点是要求滑道块具有足够强度支撑称重千斤顶并有足够的空间布置称重千斤顶,称得的重量和重心需要去除滑靴重量影响二次计算。立柱称重形式优点是称重结果准确不需二次计算,不需考虑滑道块强度和尺寸,缺点是需要切割立柱脚鞋与滑靴的连接筋板和称重后重新焊接,称重结构可能与平台立柱主结构焊接,称重后需要切除恢复立柱原状。本平台称重结合现场实际情况,综合评估最终选用经济性和实用性更好的滑靴称重形式,有效的指导了现场施工作业。

3 结语

ANSYS软件目前已广泛应用于海油工程各个工程项目设计和计算当中,通过有限元分析,可以合理设计称重结构物、吊装吊点、各类复杂结构物整体和局部强度校核等工作,可以计算得到详细的应力分布和变形数据,有效的指导了工程项目的施工作业。通过有限元计算,可以合理设计各部件的详细规格尺寸,优化设计方案,选用更加经济、合理和实用性强的实施方案,更加有效的指导一线安全高效施工。

[1]API 2A,Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design.

[2]尚晓江,等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[J].中国水利水电出版社,2005.

[3]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].人民邮电出版社,2007 (1).

[4]聂武,孙丽萍,李治彬,等.海洋工程钢结构设计[M].哈尔滨工程大学出版社,2003(7).