海上升压站导管架耳板式吊点设计与强度校核.pdf

中 国 修 船2024年4月海洋平台海上升压站导管架耳板式吊点设计与强度校核李平，高志康，张永飞，周芳（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南250031）摘要：吊点是海上升压站导管架吊装的关键受力结构，合理设计吊点结构并对其进行强度校核是吊装作业顺利完成的保障。文章以某海上升压站导管架为例，研究了导管架耳板式吊点的设计及理论计算强度校核方法；基于有限元分析技术，通过2种方法模拟导管架的吊点，校核结构强度并探讨筋板布置对主腿受力性能的影响。结果表明，壳单元模拟的结果偏于保守，合理布置筋板对结构应力集中现象有一定的改善。关键词：导管架；耳板式吊点；有限元分析；强度校核中图分类号：P75文献标志码：Adoi：10.13352/j.issn.1001-8328.2024.02.013Abstract：The lifting point is the key mechanical structure of jacket hoisting in offshore booster stations.Thereasonable design and strength check of the lifting point structure can ensure successful lifting operation.This paperstudies the lifting point design of the jacket lug plate and strength check methods of theoretical calculation taking thejacket of an offshore booster station as an example.Based on the finite element analysis technology，it adopts twomethods to simulate the lifting point of the jacket，checks the structural strength，and discusses the influence of reinforcement plate layout on the main leg stress.The results show that the simulation results of shell elements tend tobe conservative，and the rational arrangement of reinforced plates can improve the phenomenon of structural stressconcentration.Key words：jacket；lifting point of lug plate；finite element analysis；strength check作者简介：李平（1984-），男，山东济南人，高级工程师，硕士，主要从事海上风电厂、水利水电工程的结构设计工作。近年来海上风电发展迅猛，海上风电单机容量逐渐增大，作为海上风电核心构筑物的海上升压站规模也越来越大。目前部分导管架基础的总质量已超过3 000 t，其不断增长的尺寸和质量给海上吊装带来了严峻挑战。若吊耳的设计强度无法达到需求，整个吊装施工过程中将存在隐患1。关于各式吊装吊点的设计与强度校核，国内已取得了一些研究成果。吴子昂等2对比了理论计算和有限元计算的吊耳强度，为实际应用提出了参考。吕国儿等3对比分析了SACS多尺度有限元模型与ANSYS局部有限元模型的计算结果，并探究筋板布置对吊耳强度的影响。冯加果等4提出基于有限元分析技术的吊点强度校核流程和方法。沈留兵等5探究了耳轴式吊点应力分析过程中的一些基本原则，为同类型结构的计算提供了一定的参考。肖文勇等6提出了几种简化处理方式来模拟插销与吊耳的接触，对提高计算效率提出了建议。综合来看，目前海洋平台吊耳强度的研究流程分为以下2步：在SACS软件中做梁系结构的整体分析；利用有限元软件建立吊耳的局部模型，将整体分析的吊绳力作为外载荷施加到模型中。在研究吊耳强度的分析过程中，众多学者一直重点关注如何有效提高计算效率和保证计算的完整性。本文以某海上升压站导管架耳板式吊点为例，介绍了导管架耳板式吊点设计与强度校核具体流程，对比分析了理论计算与有限元模拟结果的差中 国 修 船50第37卷第2期海洋平台异，并探究了吊耳设计原则及筋板布置对导管架主腿受力性能的影响，为耳板式吊点的实际应用提供了参考。1耳板式吊点设计1.1吊点的布置为确保吊装强度满足要求，必须合理布置导管架主腿上的吊点。首先需要依据导管架基础整体质量确定结构物吊装的重心位置。尽量保证吊钩、结构物重心与起吊主板在同一平面，以减少吊点的平面外受力6。该工程为六腿导管架，吊点位于外侧4个主腿的内侧，吊装总质量为 2 320 t。吊点布置图见图1，导管架吊装示意图见图2。1.2吊点形式按照 API RP 2A-WSD Recommended Practicefor Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design 要求，开阔海域动力放大系数选用 2.0/1.35，从 SACS 软件中提取考虑了2倍安全系数的最大吊绳力，其最大吊绳力为 12 740.6 kN。为满足吊装时吊绳的操作空间，吊装角度一般不小于60.0，该工程确定吊装角度为63.0，吊点主要设计参数见表1。导管架吊点结构形式示意图见图3，图3中，R1为吊点主板的对应半径，R2为内颊板半径。2耳板式吊点的强度校核通常可以按照以下步骤进行耳板式吊点的强度校核：在SACS软件中确定对应的吊点角度，并计算吊装的最大吊绳力；根据吊绳力大小及导管架结构形式，初步设计吊点结构形式及尺寸；利用经验公式对吊点进行强度校核。若通过，则利用有限元软件进行进一步复核；若不通过，则根据结果调整各部分尺寸，重新校核。2.1吊点理论强度校核2.1.1吊点轴向强度校核最大压应力Fp，允许应力Fp分别为：图1吊点布置图22 000吊点15.915.9吊点15 00015 00030 000吊点15.915.9吊点B24F图2导管架吊装示意图表1吊点主要设计参数mm参数吊点高度主板厚度（Tm）内颊板厚度（Ta）外颊板厚度（Tb）数值2 200956530参数吊点孔直径（D）吊点主板的对应半径（R1）内颊板半径（R2）外颊板半径（R3）数值256500450400图3导管架吊点结构形式示意图TbR2R1TaTmR3D吊点李平，等：海上升压站导管架耳板式吊点设计与强度校核51中 国 修 船2024年4月海洋平台Fp=F/D（Tm+2Ta+2Tb），（1）Fp=0.9Fy，（2）式中，F为由SACS软件中对应工况计算所得的最大吊绳力；Fy为DH36 钢材屈服强度，Fy=355 MPa。2.1.2吊点受剪力强度校核受剪力的截面面积As：As=2Tm（R1-D/2）+4Ta（R2-D/2），（3）最大剪应力Fv：Fv=F/As，（4）允许剪切应力Fv：Fv=0.4Fy。（5）依据公式计算，吊耳强度满足要求。2.2吊点有限元强度校核有限元法是一种高效的数值模拟分析技术，它可以有效地利用电子计算机来模拟和分析结构的性能，经过多次实践验证，它可以提供准确的计算结果，大大缩短了分析的时间7-9。目前对于吊点结构，常用壳单元和实体单元2种方法进行建模分析。采用壳单元进行数值分析，基于shell181单元的建模较为简单，计算耗时较短，但壳单元主要用于薄壳结构的分析，所以当处理较厚的板材（如吊点板）时，其精确度可能会受到影响；采用实体单元进行建模分析，该方法建模较为复杂，计算耗时较长，但可以更好地模拟应力分布的情况，计算结果更加接近实际情况。依据吊点的结构形式，本文基于不同有限元单元建立耳板式吊点及其临近结构的模型。考虑到若将集中载荷直接施加到吊点孔上易产生异常应力集中现象，在分析过程中，利用Mass21单元连接吊点孔中心节点与吊点孔上的节点进行传力，并对主腿及撑杆截断处进行全约束。2.2.1基于壳单元的有限元分析利用壳单元对导管架主腿、撑杆、吊点进行模拟，将吊绳力模拟在吊点孔中心处。改进前整体应力云图见图4，改进前耳板式吊点应力云图见图5，改进前主腿应力云图见图6。由图5可知，吊点结构最大应力出现在下环板（图5中红色部分），最大应力小于0.9Fy（319.5MPa），满足强度要求。但由图4和图6可知，在吊耳底部与导管架主腿连接处出现较大范围的应力集中区域，其最大值为 522 MPa，远超DH36 钢材屈服强度，主腿受力性能较差。因此有必要通过布置加强筋的形式，以改善导管架主腿上局部区域的应力集中现象。为改善导管架主腿部分的受力情况，在下环板下侧布置2个对称筋板及一圈环板。改进后整体应力云图见图7，改进后耳板式吊点应力云图见图8，改进后主腿应力云图见图9。由图9可知，导管图4改进前整体应力云图图5改进前耳板式吊点应力云图0.201E+090.172E+090.115E+090.576E+080.290E+08 0.862E+08 0.143E+090.229E+090.408E+060.258E+090.464E+090.406E+090.290E+090.174E+090.116E+090.580E+0800.232E+09 0.348E+090.522E+09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.006 515SMN=408 159SMX=0.258E+09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.005 988SMX=0.522E+09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.006 515SMX=0.522E+09图6改进前主腿应力云图0.406E+090.348E+090.232E+090.116E+090.580E+08 0.174E+09 0.290E+090.464E+0900.522E+0952第37卷第2期海洋平台架主腿上最大应力为294 MPa，小于许用应力值，导管架主腿的受力情况得到有效改善。由图 8 可知，最大米塞尔应力出现在主板和下环板交接处，为337 MPa，即吊点主板和下环板连接处存在应力集中，但是覆盖的单元较小，且位于环板上，对吊耳和导管架结构的影响甚微。2.2.2基于实体单元的有限元分析方法二利用实体单元模拟，有限元模型全部采用solid187体单元。该单元可以更加准确地模拟不规则结构体的拓扑特征，从而提高计算精度。模型的实体单元整体应力云图见图10，实体单元耳板式吊点应力云图见图11，实体单元主腿应力云图见图12。图7改进后整体应力云图0.262E+090.187E+090.112E+090.375E+0800.337E+09图8改进后耳板式吊点应力云图0.262E+090.225E+090.150E+090.752E+080.378E+08 0.113E+09 0.188E+090.300E+090.353E+060.337E+09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.005 66SMN=352 676SMX=0.337E+09图10实体单元整体应力云图0.271E+090.237E+090.170E+090.102E+090.678E+080.339E+0800.130E+090.203E+090.305E+09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.006 626SMX=0.305E+09图11实体单元耳板式吊点应力云图0.151E+090.130E+090.864E+080.433E+080.217E+08 0.649E+08 0.108E+090.173E+090.169E+060.194E+09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.006 626SMN=169 252SMX=0.194E+09图9改进后主腿应力云图0.229E+090.196E+090.131E+090.654E+080.327E+08 0.981E+08 0.164E+090.262E+0900.294E+09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.005 251SMX=0.294E+09图12实体单元主腿应力云图0.229E+090.194E+090.131E+090.653E+080.327E+08 0.980E+08 0.163E+090.261E+0900.294E+09NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.006 363SMX=0.294E+090.300E+090.749E+08 0.150E+09 0.225E+09李平，等：海上升压站导管架耳板式吊点设计与强度校核NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SEQV（AVG）DMX=0.005 66SMX=0.337E+0953中 国 修 船2024年4月海洋平台主腿上最大的米塞尔结果为 294 MPa，位于下环板与主腿的交接处。从图10可以看出，整体应力分布较为均匀，受力形式较好。通过2种有限元方法的计算可以发现，筋板的设置会导致吊点结构的应力重新分布，有效缩小应力集中区域的范围，且降低主腿上的最大应力值。2.2.3结果对比不同有限元单元建模下的计算结果都显示耳板式吊点的设计强度可以达到要求。各种方法的计算结果见表2。结合图8和图11可以发现，2种有限元方法所得的应力云图分布趋势较为接近。耳板式吊点板并非最危险结构，相对危险的位置反而是吊点主板和主腿焊接处。因此通过有限元方法对吊点强度进行校核是十分必要的。事实上，该吊点在实际吊装使用中效果良好，这也证明了本文提出的吊点结构有限元分析流程的可靠性。3结束语对某海上升压站导管架耳板式吊点的强度计算开展研究，对比分析理论计算与ANSYS局部有限元模型的计算结果，同时探讨筋板设置对吊点强度的影响，以及不同建模方法所得结果的异同，得出如下结论。1）基于壳单元的建模简单、耗时少，但计算结果偏保守；基于实体单元的建模耗时较长，但模拟的结果和理论计算结果更为接近。实际设计中，可根据具体情况选择合适的单元类型。2）单纯的理论计算结果并不完整，很可能错过结构危险应力位置。需要使用有限元进行校核以使校核结果更为准确。3）筋板的布置会改变吊点结构的应力分布，合理的布置可以有效减少导管架主腿上的应力集中现象。参考文献1 张海荣，李记忠，张伟.导管架吊装吊点的设计分析J.石油和化工设备，2017，20(5)：33-35，50.2 吴子昂，张晓蕊.基于ANSYS软件的海上升压站上部组块吊耳的有限元分析J.水电与新能源，2020，34(9)：46-49.3 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