基于数字模型的原油接转一体化集成装置橇座优化

李国明，杨 光，郑晓利，张新友

长庆工程设计有限公司，陕西西安 710016

一体化集成装置将机械、电子、自控、信息等专业技术有机结合并高度集成于橇座，实现一种或多种工艺流程[1]。一体化集成装置的橇座为钢结构，其承受设备的载荷并用于整体吊装。设计时，若横梁、圈梁和加强梁的H型钢的截面选择过小，在吊装过程中橇座会出现局部应力过大而发生塑性变形，有可能导致吊装安全事故；若圈梁、横梁、加强梁等使用H型钢的截面选择过大，则会出现材料冗余，经济效益欠佳。

1 原油接转一体化集成装置及橇座

原油接转一体化集成装置是针对长庆油田原油集输特点和原油物性参数研发设计的一种橇装设备，可替代油田常规接转站，目前已在原油生产现场投入使用62套。

原油接转一体化集成装置橇由加热分离橇（11 600 mm ×2 800 mm×300 mm）和外输泵橇（11 600 mm×2 000 mm×300 mm）两部分组成，采用工厂预制、分体运输、现场拼接的方式，以满足装置的运输要求。

加热分离橇橇座上放置的主要设备包括：过滤器、加热炉、分离缓冲罐、伴生气分液器、空冷器、气体流量计及配套管路、阀门等。

外输泵橇橇座上放置的主要设备包括：外输泵、流量计及配套管路、阀门等。

2 原油接转橇座目前使用的设计方法

将橇座及橇座上各个设备的质量载荷简化，视为作用在梁上的均布载荷，建立原油接转一体化集成装置的橇座力学模型。将橇座上各个设备的质量载荷累加后，简化为作用在横梁、加强梁上的均布载荷。将加强梁两端设定为固支端、简支端，通过式（1）进行计算。

式中：f为梁的挠度，m；q2为梁承受的均布载荷，N/m；L为梁的长度，m；E为材料的弹性模量，Pa；J3为惯性距，m4。

利用式（1）求解惯性矩最大值，确定加强梁与圈梁的型号。

均布载荷力学模型与原油接转一体化集成装置的橇座实际载荷分布不完全一致，一般橇座横梁载荷为集中载荷，主加强梁为局部均布载荷，因此，按照式（1）所选择的H型钢截面过大，存在材料选择冗余。同时，材料许用挠度参照《钢结构设计规范》（GB 50017—2017）[2]B.1受弯构件的变形容许值[δ]（许用挠度）选择L/800[3]，对于橇座许用形变过于苛刻，安全系数过大，也存在材料选择冗余。此外，橇座中圈梁、横梁、加强梁、加强筋等焊接成一个整体结构，在装置整体吊装时，将橇座作为一个整体进行受力分析，更符合实际工况。

为此，建立三维数字模型，精准计量橇座吊装时的载荷大小与分布，将橇座作为一个整体受力单元，利用有限元分析数值模拟，以优化橇座的结构设计。

3 有限元分析前置条件

原油接转一体化集成装置的橇座有两种受力状态，即集成装置整体吊装时的受力状态和放置在混凝土基础上运行时的受力状态。由于吊装过程中橇座容易出现应力过大及变形，因此选择橇座的吊装受力状态作为危险边界进行分析与优化。在橇座上任取一单元体进行受力分析，如图1所示。

图1 橇座有限元单元格受力分析

橇座在平衡状态下，在各个方向上所受的力的总和为0，则平衡方程：

根据单元节点位移和单元应变的关系，变形协调方程：

在SOLIDWORKS软件中，建立原油接转一体化集成装置数字模型，即数字化样机，如图2所示。设定橇座及橇座上的设备、构/配件的材质及密度，以准确计算橇座及橇座上设备的质量，并利用SOLIDWORKS软件计算得出整个装置的质心。随后将建立的原油接转一体化集成装置模型导入SOLIDWORKS SIMULATION有限元分析模块中，进行装置吊装时橇座有限元分析。

图2 原油接转一体化集成装置模型

装置吊装时，橇座有限元分析根据图1所示的单元格进行受力分析，以式（2）受力平衡方程和式（3）变形协调方程为基础进行。

4 加热分离橇吊装过程有限元分析[4-9]

4.1 参数化数字建模

加热分离橇座长11 600 mm、宽2 800 mm、高300 mm，主要由圈梁、横梁、加强梁、铺板、吊轴、加强筋等结构件焊接而成。其中圈梁、横梁、加强梁所用材质为Q235B的H300型钢，加强筋所用材质为Q235B的L100等边角钢。

SOLIDWORKS软件支持参数化数字建模，将截面保存为单独的参数化模型，在模型优化修改时，仅改变一个参数，即可实现整个H型钢或角钢的型号修改。

4.2 橇座三维模型建立及简化

利用SOLIDWORKS软件，通过使用焊接结构中的草图及截面轮廓等操作菜单搭建圈梁、横梁、加强梁、加强筋等结构；使用板材拉伸的方式建立垫墩和吊轴的结构；使用结合命令，将所有结构合并模拟焊接，加热分离橇座三维模型如图3所示。橇座主要受力部分为圈梁、横梁、加强梁、加强筋等结构，铺板（花纹钢板，厚度6 mm）在结构中主要起固定管道的作用且重量较轻，因此将铺板在有限元分析时省略，以减少计算量。受力分析主要是对橇座整体结构进行受力计算，按照焊缝等强性原则，假设焊接强度足够，将焊缝简化省略。

图3 加热分离橇座三维模型

4.3 建立有限元分析模型

将Q235B的材料属性信息（杨氏弹性模量E=2.06×105MPa、泊松比 u=0.3、密度 ρ=7 800 kg/m³）添加到有限元分析软件中。按照各焊接点强度足够、变形可忽略的条件，将接触设置为结合。在吊装时，吊轴穿插在橇座上，在吊轴承压面上的节点受到径向位移的约束。在有限元分析时，使用约束来代替吊轴，4个吊轴处设置4个固定，如图4所示。

图4 加热分离橇座吊装条件约束

建立约束后进行载荷加载。分离加热橇的主要受力是设备的重力及橇座重力。设备的重力包括工艺管道、容器、泵阀等，其载荷由设备支座传递至橇座，载荷施加于整个设备的重心，重心位置通过软件计算得出，如图5所示，重力约为178 000 N，方向竖直向下。橇座重心位置通过软件计算得出（如图6所示），重力为88 000 N，方向竖直向下。

图5 加热分离橇上设备等重心位置分析计算

图6 加热分离橇座重心位置分析计算

橇座整体结构采用四面体实体网格，网格的数量为1 096 244个，网格的最大宽高比为1.8，满足有限元分析要求。四面体实体网格适应能力较强，能适应各种复杂结构，橇座结构主要由H型钢、角钢和钢板组成，各部分主要以焊接连接，在网格划分时采用整体结合，橇座为一个整体结构，因此边角处理时采用应力大的地方网格局部加密；在H型钢的厚度方向上至少保证2层网格，其他区域网格适中，均匀过度，可保证计算结果的精度较高且计算效率高，橇座网格划分示意及其具体参数分别见图7、表1。

表1 有限元分析网格划分具体参数

图7 橇座吊轴网格划分示意

4.4 有限元分析结果

从图8的仿真结果得出：橇座的最大形变量为1 mm，出现在设备支座下方的主加强梁上；整个装置在吊装时，最大形变量在设备支座处，为1.2 mm。

图8 加热分离橇形变分布/mm

从图9的仿真结果得出，橇座的最大应力区域为吊轴周围以及设备支座下的主加强梁处，应力值约50 MPa。依据JB 4732—1995的3.6.5.1条（一般的钢材设计许用应力强度为常温下抗拉强度下限值的1/2.6或常温下屈服强度的1/1.5或设计温度下屈服强度的1/1.5中的最小值），由于Q235B钢常温下的抗拉强度下限为370 MPa，常温下的屈服强度为235 MPa，因此Q235B钢常温下的设计许用应力为142 MPa，而橇座吊装时的最大应力约50 MPa，即小于设计许用应力。对比有限元分析结果（最大应力约50 MPa）与设计许用应力（142 MPa）之间差值近2倍，橇座结构优化有一定的空间。

图9 加热分离橇应力分布/Pa

4.5 优化后的橇座结构有限元分析

将圈梁、横梁、主加强梁横截面尺寸由H300减小到H250，加强筋截面尺寸不变，其他条件不变，进行分析计算。

从图10的仿真结果得出橇座的最大形变量约为1.2 mm，出现在设备支座下方的主加强梁上；整个装置在吊装时的最大形变量仍在设备支座处，为1.5 mm。

图10 优化结构后加热分离橇形变分布/mm

从图11的仿真结果得出，优化后的橇座的最大应力区域仍为吊轴周围以及设备支座下的主加强梁处，应力在60 MPa左右，满足JB 4732—1995的设计许用应力要求。

图11 优化结构后加热分离橇应力分布/Pa

加强筋截面尺寸等其他条件不变，将圈梁、横梁、主加强梁横截面尺寸设置为H200与H150，进行分析计算，最大应力值与最大形变量结果见表2，形变最大区域均为橇座主加强梁与设备支座，应力最大区域均为吊装周围及主加强梁下部。

表2 圈梁、横梁、主加强梁选用不同H型钢有限元分析结果

综合以上分析结果，将加热分离橇的圈梁、横梁、加强梁、加强筋等结构截面优化至H250，能够满足吊装要求。

4.6 外输橇吊装过程受力分析

按照加热分离橇的有限元分析过程，对外输泵橇吊装过程进行分析。根据外输泵橇三维模型，进行模型简化，添加载荷，分析离心泵重力、橇座自身重力等。将以上受力分析加载到有限元分析模型中进行计算，具体过程如图12～图16`所示。

图12 外输泵橇三维模型

图13 外输泵橇荷载添加

图14 外输泵橇吊装时重力分布

图15 外输泵橇形变分布/mm

图16 外输泵橇应力分布/Pa

从图15的仿真结果得出橇座的最大形变量为1.6 mm，出现在橇座中间侧边位置，由橇座自身的重力产生，可通过合理布置加强筋以减少形变。

从图16的仿真结果得出，应力值最大处在外输泵安装的加强筋处，最大应力约为0.26 MPa，应力远远小于使用温度下的Q235B的设计许用应力（90 MPa），可通过合理布置、增大加强筋截面或减少圈梁、横梁、加强梁来优化橇座结构。

5 结束语

（1）基于SOLIDWORKS软件建立原油接转一体化集成装置三维数字模型，实现了参数化建模，有限元分析在同一软件平台下完成，可便捷地完成对橇座结构的设计优化。

（2）选择圈梁、横梁、主加强梁为H250橇座结构，在满足吊装安全的前提下，每套原油接转一体化集成装置可节约钢材约1.98 t，同时减少了橇座制造的工作量和碳排放量，经济和社会效益明显。

（3）利用经典的力学形变公式校核，选用主加强梁的截面尺寸，以及通过集中载荷选用圈梁与横梁截面尺寸，安全系数较大，但经济性欠佳。

（4）通过SOLIDWORKS SIMULATION有限元分析软件进行橇座有限元分析，探索出一体化集成装置较为科学、经济的橇座结构设计方法，可为其他一体化集成装置的橇座结构设计与优化提供参考。