用于长桩起桩的扁嘴钩结构应力分析

魏佳广 韩士强 刘吉林 严亚林 王吉祥 吴志霞

(1.海洋石油工程股份有限公司；2.中铁18局集团建筑安装工程有限公司)

用于长桩起桩的扁嘴钩结构应力分析

魏佳广*1韩士强1刘吉林1严亚林1王吉祥1吴志霞2

(1.海洋石油工程股份有限公司；2.中铁18局集团建筑安装工程有限公司)

以φ2 134mm扁嘴钩模型为例，应用ANSYS有限元软件进行应力分析，探讨扁嘴钩几何参数、受力状态对扁嘴钩剩余强度的影响。

扁嘴钩 长桩起桩 有限元模型 ANSYS

随着我国浅海油气资源的日益枯竭，深海能源的开发已经成为我国增加石油产量的一个重要发展方向。导管架作为海洋石油固定式平台的关键主体结构，均采用钢管桩将其固定到海上，作为永久性石油生产结构物，为避免使用过程中发生沉降、漂移及倾覆等破坏，需利用钢桩贯入泥底一定深度并灌浆，与导管架连成整体使其永久固定[1]。

近年来，随着对石油需求量的日益增加和深水油气田开发项目的逐年增多，大型导管架的安装数量将会越来越多，每座导管架都将有8～12根裙桩需要在导管架下水后及时安装。扁嘴钩是较深水导管架在钢桩安装阶段所需的重要施工机具，钢桩安装是否顺利将直接影响到导管架安装的成败，扁嘴钩不仅可以满足大型钢桩正常工况下起桩作业需求，还能用于不利工况下的起桩作业，为保证和加强起桩作业的施工效率和安全性提供了可靠的技术保障[2]。因此开展深水导管架长桩起桩的扁嘴钩设计研究是深水导管架海上安装区块所面临的重要课题之一。

1 翻桩方法简介

浅水导管架的钢桩吨位轻，分段长度短，设计在浮吊的吊高范围之内，一般都采取直接从甲板起桩，驳船甲板强度不足时可用工字钢、垫木制作特殊起桩保护。深水导管架的钢桩一般为水下裙桩，吨位重，长度大都在100m以上，直径规格有2 134、2 438、2 744mm等，因其重量、长度等原因，多采用扁嘴钩系统起桩，也有采用液压翻桩器的方法。

扁嘴钩系统起桩法(液涨式吊桩器，翻板，扁嘴钩及配套设备)的主要原理是在桩尖底部安装一个扁嘴钩，利用线性绞车提供拉力，控制钢桩在翻转过程中的移动和下滑，对主作业船的吊高能力要求较高，安全性、操作性、工效性俱佳。

液压翻桩器法的主要原理是在主桩的中下部安装液压翻转器，利用翻转器将主桩从水平状态翻转至竖直状态，并提供摩擦力防止主桩在翻转过程中的下滑[3]。液压翻转器须具有万向旋转功能，操作简单，费用较高，优点在于涌浪较大时，主作业船可以调整船位后仍能完成起桩作业，减少了两船上下运动的影响。例如：某项目主作业船S3000左舷船艉加装了一个液压翻转器，相隔约50m装有U形支架，将钢桩由其右舷驳船上平吊至左舷的液压翻转器及支架上，翻转器通过5个液压缸锁住钢桩，并在钢桩顶部插入吊桩器(ILT)，以翻转器为轴翻转钢桩，待钢桩吊起垂直后，松开翻转器即可插桩。

2 扁嘴钩模型建立

扁嘴钩的结构如图1所示，中心圆钢为20Cr材料，屈服极限为539.0MPa，许用剪应力为215.6MPa，许用拉压应力为323.4MPa，许用挤压应力为485.1MPa。板材为D36材料，屈服极限为353.0MPa，许用剪应力为141.2MPa，许用拉压应力为211.8MPa，许用挤压应力为317.7MPa。设计吊装载荷是212t，安全系数为1.3，因此最终设计载荷是275.6t。

扁嘴钩三维立体模型利用ANSYS建模进行分析[4]实际所受载荷为剪力、弯矩[5]等，对建立的几何模型进行约束，并进行网格划分，从而得到有限元模型(图2)。扁嘴钩通过吊眼固定，同时附加几个横向支撑提供足够的固定自由度，这些支撑具有很小的刚度，其反力可以忽略不计。

图1 扁嘴钩结构

图2 扁嘴钩有限元模型

3 计算结果与分析

3.1等效应力定义

等效应力按第四强度理论定义[6]，计算公式为：

式中 [σ]——许用应力，MPa；

σb——抗拉强度，MPa；

σs——屈服强度，MPa；

σVME——等效应力，MPa。

利用有限元模型计算扁嘴钩受力状态下的等效应力[7]，就可以分析极限载荷，从而确定扁嘴钩的剩余强度。等效应力越大，扁嘴钩剩余强度越小，就越容易发生失效。

3.2分析结果

扁嘴钩及主结构应力分布云图如图3所示。扁嘴钩起桩有限元分析结果见表1。

图3 扁嘴钩及主结构应力分布云图

部件最大计算应力/MPa许用应力/MPa主板351．0400．0板388．7284．0板2119．0284．0底部挡板40．4284．0左挡板14．9284．0板450．4284．0挡板281．0284．0左挡板(上部)1．74284．0板5135．0284．0圆管132．0431．2

由图3和表1可知，主板的最大等效应力为351.0MPa，不超过许用应力400.0MPa，中心圆管最大等效应力值132.0MPa，不超过许用应力431.2MPa，其余挡板的最大等效应力值均不超过其许用应力284.0MPa，可知翻桩过程扁嘴钩所承受载荷满足要求。

通过扁嘴钩起桩过程所承受载荷的变化对局部应力影响的研究，应用有限元方法，对扁嘴钩进行简化模拟计算，分析其最终结果，当所受载荷发生变化时，扁嘴钩的局部所受应力大小会随之发生变化，且均小于许用应力值[8,9]。

4 结束语

导管架海上安装过程中，制定钢桩翻桩方案应根据具体工程钢桩的长度、重量、吊机吊高和吊重能力、现有的设备技术等条件有针对性地选择不同的工艺方法。但不管采用何种吊装方法，应对吊桩过程受力情况、驳船受力情况、吊机载荷变化情况以及驳船与主作业船之间的相对运动情况进行详细分析，为钢桩起吊工程控制提供理论依据，并选择有足够安全系数的施工机具，以确保施工安全。

[1] 杨晓刚. 深水导管架滑移下水的安装分析技术和设计方法[J]. 中国海上油气(工程), 2003,15 (3):4～9.

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[3] 刘竞，刘锦昆，李喆，等. 新型水下井口基盘模型试验及数值分析[J].中国海洋平台，2009，24(4)：33～37.

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[5] 朱绍华. 文昌油田深水导管架安装技术[J]. 中国海上油气(工程), 2003, 15(1):12～14.

[6] 曹学军，杨炳益，侯金林. 平湖油气田钻采平台海上安装[J]. 中国海上油气(工程), 1999, 11(1):11～13.

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AnalysisofPelicanHookStructuralStressforUpendingLongPiles

WEI Jia-guang1, HAN Shi-qiang1, LIU Ji-lin1, YAN Ya-lin1, WANG Ji-xiang1, WU Zhi-xia2

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China; 2.ConstructionandInstallationEngineeringCo.Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroupCo.,Ltd.,Tianjin300308,China)

Takingφ2 134mm pelican hook as an example, making use of ANSYS software to analyze pelican hook’s residual strength and to simulate and analyze its stress distribution along the pile upending was implemented, including the discussion of its geometrical parameter and stress’s impact on the residual strength.

pelican hook, long pile upending, finite element model, ANSYS

*魏佳广，男，1986年4月生，工程师。天津市，300452。

TQ050.7

A

0254-6094(2016)05-0681-04

2015-11-09，

2015-12-23)