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基于有限元分析的双层成橇平台吊装设计
摘要：由于海洋平台结构空间越来越紧凑和双层成橇平台的普及，双层成橇平台的吊装成了一个亟待解决的技术难题。以具体的工程项目作为例，对不同吊耳位置进行有限元分析，并对约束条件的不同添加方式进行分析，从而得出最优方案。
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近年来随着我国海上油气开发的技术日趋成熟，双层成橇平台凭借其占地空间小、吊装步骤简单的优点已经越来越多地投入到设计和生产当中。但因为其结构紧密，橇块受到的平均载荷相对较大，在吊装时对橇块整体的重量和载荷分布有着更加严格的要求，因此在吊装前进行模拟分析是极其重要的。本文使用有限元分析的方法模拟吊装过程中橇块收到的应力应变情况进行分析，得出可行的设计方案。
1、橇块结构设计
1.1双层橇块模型
以某平台项目换热器橇块为例，该橇下层放置生产加热器，用垫敦焊接在下层平台上，为保证强度垫敦对齐结构梁大梁焊接，上层主要放置工艺管道和操作阀门。整橇尺寸(l bh)8670 mm×2540 mm×5190 mm，整橇重量为21.5 t，操作平台和底座预计控制在10 t以内。按设计要求，双层平台的许用应力和挠度如表1所示。
表1双层橇块模型图
1.2结构梁的设计
结构梁主要分为下层结构梁和上层结构梁。下层结构梁起着主要支撑设备的作用。在加热器支撑部分，安装吊耳的连通直线上以及下层结构梁的最外一周采用HW300 mm×150 mm的大梁，其余部分采用HW250 mm×125 mm的小梁来减轻自重。橇周围布置8根6寸立柱(Φ168 mm×10 mm)。
上层主要为管线和阀门，重量较轻，故采用槽钢进行结构设计，设计时应保证每个支撑位置的下方都有对应的槽钢进行支撑，以保证整体结构更加安全可靠。
2、吊耳设计
2.1吊耳选型
根据《化工设备吊耳选用规范》可将吊耳种类分为顶部板式吊耳、卧式设备板式吊耳、侧壁板式吊耳、轴式吊耳、尾部吊耳等[1]。在吊装过程中需要承受横向载荷，并且选用的结构梁尺寸较大，有充足的位置布置轴式吊耳，故选用轴式吊耳进行吊装。
2.2吊耳位置设计
对于吊装而言吊耳的设计是十分重要的一环。为了保证吊装的强度，将吊耳设置在双层平台的下层大梁处位置，可选吊耳位置分为以下几个位置，具体位置如图1所示。
图1吊耳布置位置示意图
3、有限元分析
3.1有限元模型的建立
按照模型的实际尺寸，使用design modeler将双层平台的模型按照实际尺寸、材料建出，型钢采用beam188单元。
3.2有限元网格的划分
跟据以往项目的经验，为保证计算结果的可靠性，在将默认的划分网格条件的网格大小改成50 mm大小。
3.3添加载荷和边界条件
本案例主要考虑满载时载荷和吊装时载荷，因海上平台设有挡风墙，故风载荷影响可以忽略不计。本文主要探究吊装时平台的受力分析，故取吊装时的载荷系数为2[2]。
在模拟吊装施加受力时，首先根据实际情况在平台设备对应位置所在的结构梁处添加设备载荷，并添加重力加速度，所有添加的载荷均需要乘以吊装时的动载系数。计算结果后在四个立柱处添加力反应，算出其合力与整橇的重量作对比来检验施加的载荷是否合理。
在添加边界条件时，应在4个吊耳的对应位置加不同约束。在四处位置分别施加X、Y、Z方向，X、Z方向，Y、Z方向和Z方向的载荷，确定吊耳安装的合理位置[3]。
如图所示，根据材料力学的知识来判断，以及实际工况的分析，拟定两种可能的吊装形式暂，方案一在2、4、6、8处安装吊耳和方案二在1、4、5、8处安装吊耳。
方案一吊点位置计算结果如图2、图3所示。
图2整个橇块所受应变示意图
图3整个橇块所受应力示意图
由计算结果可得橇块的应变为20.88 mm，橇块的许用最大应变为6.52 mm，不符合要求，橇块的最大应力为245.35 Mpa，大于许用应力188 Mpa，也不符合要求。故将吊耳布置在2、4、6、8处的方案不可行。
方案二吊点计算结果如图4、图5所示。
图4整个橇块所受应变示意
图5整个橇块所受应力示意
由计算结果可得橇块的应变为3.1 mm，橇块的许用最大应变为6.52 mm，符合要求，橇块的最大应力为112.63 MPa，小于许用应力188 Mpa，符合要求。故将吊耳布置在1、4、5、8处的方案可行。
4、对选定方案进行进一步分析
由于整个橇块并不是均匀受力的，故选择用以上加载方式分别加载在4个不同吊点各一次，取最大结果作为计算数据，应力计算结果如表2所示。
表2应力计算结果
5、结束语
通过对比分析，吊耳设置在2、4、6、8(方案一)时应力与形变不能满足需求。吊耳设置在1、4、5、8(方案二)时应力与形变可以满足需求。
比较两种方案可以得知，在设计吊耳位置时，应将吊耳设计在与立柱相连的大结构梁上以满足吊装强度需求，避免出现断裂。同时应尽量布置在靠近橇块中重物的位置，以保证吊装不会出现过大的应力集中产生过大的形变。
参考文献:
[1]中国成达工程有限公司[S].HG/T 21574—2008.化工设备吊耳设计选用规范.北京:科学技术文献出版社,2018.
[2]杨海江,潘峰.浅析设计标准在海洋平台吊装的应用[J].电子测试.2019(Z1):123-124.
[3]黄邵军,赵刚,马成,等.基于有限元分析的双层成橇平台结构优化设计[J].石油化工设计,2020,37(4):27-29.
文章来源:杨思远,王云天,苏靖伟,等.基于有限元分析的双层成橇平台吊装设计[J].石化技术,2024,31(08):180-181+205.
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2024-08-31
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