海洋平臺大尺寸彎折式煙囪吊裝方法

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(1.海洋石油工程(珠海)有限公司，廣東 珠海 519000；2.中海福陸重工有限公司，廣東 珠海 519000)

不同于陸上油氣田的電網供電，海洋油氣田一般采用CEP平臺向周圍鉆采平臺供電的方式集中供電，在CEP平臺上安裝大功率的汽輪機發電機組和大尺寸的煙囪[1]。一般情況下，發電機的煙囪位于整個平臺的頂部，考慮到高空組裝的施工難度大、安全系數低，煙囪常常先在陸地完成建造組裝，然后再整體吊裝至指定位置進行最后的安裝。平臺煙囪一般為大型薄壁結構形式，受力不均時，易產生變形和損壞[2]，且受海洋石油平臺空間的限制，煙囪的形狀往往無法采用簡單的直筒形式，從而加大了后續煙囪吊裝的難度。對此，通過對常見大尺寸彎折式煙囪的吊裝難點分析，提出相應的吊裝方案，為后續類似的煙囪吊裝提供參考。

1 大尺寸彎折式煙囪介紹

以南海某油氣田CEP平臺煙囪為例，為充分利用平臺空間，其大尺寸彎折式煙囪見圖1。該煙囪主要由防雨帽、2個直段煙囪和2個彎頭組成。煙囪各部件的尺寸參數見表1。

表1 煙囪各部件尺寸參數

由表1可見，該類型煙囪的特點：尺寸大，最大內徑為4 500 mm；管壁薄，最薄壁厚僅為8 mm。

2 吊裝難點分析

1)易側翻。大尺寸彎折式煙囪一般采用臥式組對來降低施工高度，而煙囪安裝的最終形式為立式，所以煙囪起吊后需先在空中完成90°翻身。對于復雜形狀薄壁結構物的翻身，由于其翻身過程中每個吊點的受力情況為動態變化[3-4]，吊點的位置和結構形式選擇不當時，易發生失穩側翻。

2)重心位置。吊點具體位置應根據煙囪重心來選定，需保證重心處于吊點的包絡線范圍之內，所以煙囪重心的確定非常關鍵。而彎折式煙囪為非對稱結構，重心不在幾何中心上，求解難度高，且目前沒有相應的總結公式，技術人員往往憑借經驗來確定，效率和準確率較低。

3)易變形。該類型煙囪為典型的壁厚薄、尺寸大、重量重的薄壁結構，如果在吊裝過程中，煙囪的受力不當，極易發生變形[5-6]，且為了減少高空作業，煙囪內無法采用臨時支撐方式來加強煙囪的強度，這些都加大了減少煙囪變形的難度。

3 吊裝方案

3.1 整體思路

為了保證煙囪翻身的平穩性，本方案采用2臺吊機抬吊，1臺吊機輔助吊裝的方案[7]，見圖2。其中吊機1通過撐桿作用在直段1，采用一字型撐桿減小臨時吊點1和2在翻身過程中的受力變化范圍，避免受力集中而造成吊點處的變形量過大[8]；吊機2利用圓形吊帶兜在彎頭2上，既可以分擔煙囪的重量，又可以扶正煙囪，方便后續煙囪的組對，圓形吊帶可將常規吊點的點受力變成線受力，增加受力面積,從而減小煙囪受壓變形；輔助吊機3作用在彎頭2靠近豎直段，在翻身過程中當風突然增大等意外發生時，可以拖拽住煙囪，提高安全性。撐桿和吊索具選擇時，需考慮翻身過程的干涉，主要可能發生在兩處:一為撐桿右端在翻身時易和圓形吊帶干涉，二為翻身過程中撐桿與臨時吊點之間的鋼絲繩和撐桿下端面易碰到防雨帽邊緣。

3.2 重心計算模型

為了提高該類型煙囪重心的計算效率和準確性，現對重心計算模型進行總結。

從圖1可知，煙囪各部件均為管式結構，關于Z平面對稱，所以只需確定重心X、Y坐標即可。

設煙囪的總量為G總，重心為(X,Y)；防雨帽、直段1、彎段1、直段2、彎段2的重量分別為G1、G2、G3、G4、G5，重心分別為(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)、(X4,Y4)、(X5,Y5)，則有

其中，防雨帽和直段為常見直筒形式，重心和重量易求得，而彎頭重心的求解較為復雜。楊超等推導出長半徑彎頭(曲率半徑為1.5倍管直徑)的重心計算公式[9]。對于短半徑彎頭(曲率半徑為1倍管直徑)，亦可采用質點線法求解。

如圖3所示，左邊為一個角度為θ的彎頭，o′x′y′為該彎頭的局部坐標系，將彎頭繞著中心點o′劃分角度dθ的微元，即可得到圖中右側的等腰梯形ABCD微元，將每個微元看成一個質點，則彎頭重心的求解可轉換成一個弧形質點線求重心，則有

(2)

式中：R為每個微元質點到o的距離。當彎頭曲率半徑為管直徑D的1倍時，DC=3AB，等腰梯形中心線上下部分的面積比為5∶3，則有式

(3)

代入式(2)，則有

(4)

根據彎頭的重量計算公式[9]

G彎頭=0.038 7(D-δ)δD/1 000

(5)

式中：δ為彎頭的壁厚。

將彎頭參數代入式(4)、式(5)，局部坐標系轉換成全局坐標系，即可得到彎頭1和彎頭2的重量和重心。將煙囪各部件的重量和重心求出，代入式(1)，即可得到煙囪的重心坐標，吊點布置時，應使重心處于吊點連線圖形的幾何中心上，保證翻身的安全性，如圖2所示。

3.3 吊裝步驟

大尺寸彎折煙囪的吊裝的關鍵步驟主要是翻身和運輸。

翻身前，應使3臺吊機合理站位，檢查吊索具后掛鉤進行試吊工作；檢查無誤后，用2臺主吊機將煙囪抬離地面約3 m，吊機2不動，吊機1繼續提升，提升過程應緩慢；指揮者應觀察煙囪的平穩情況，吊點1、2和撐桿之間的鋼絲繩不能破壞防雨帽下邊緣。

完成90°翻身后，先將煙囪降下，直到將彎頭2的下表面放置在預先準備的枕木上，吊點3摘勾；再將煙囪提升至地面一定高度(高于安裝位置約3 m)，2臺主吊機配合且緩慢地將煙囪運到安裝處的上空，并緩慢下降煙囪，完成組對工作。

4 吊裝分析

翻身時，煙囪變形和吊點受力不斷變化，這是分析吊裝方案可行性的關鍵。所以，利用有限元分析軟件對煙囪翻身過程進行受力分析。

4.1 建模

4.1.1 材料屬性

利用有限元分析軟件Abaqus 進行建模分析[10]，煙囪的尺寸見表1，材料均采用15CrMo，密度為7 850 kg/mm3，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.3，重力加速度為9 800 mm/s2。

4.1.2 邊界條件

吊點布置如圖2所示，在吊點1、2和圓形吊帶與煙囪相接處的部位進行固定，具體固定方式為X、Y、Z3個方向的位移為0，其他3個自由度不約束。模型分析時采取靜態分析法，即煙囪翻身到具體位置那一刻受力情況，力的加載只考慮重力場的作用。

4.1.3 工況

在整個翻身過程中，煙囪的受力情況會隨著翻身角度的變化而不斷變化，對此可將煙囪的整個翻身過程，即臥式(0°)到立式(90°)，選擇間隔15°作為分析工況。

4.2 結果分析

提取每個工況下的最大變形，則可得到最大變形U隨著翻身角度變化的曲線，見圖4。

由圖4可見，隨著翻身角度的增大，煙囪的最大變形量不斷減小，其中在0°時為最危險工況，最大變形量為5.87 mm(滿足要求)，在90°時變形量最小,為2.16 mm。

每個工況下煙囪受到的支反力均發生在各吊點處，且波動范圍不大，翻身平穩性高。最大支反力RF隨著翻身角度的變化見圖5。

由圖5可見，隨著翻身角度的增大，最大支反力呈先增大后減小的趨勢，其中在45°時達到最大值79 kN，在90°時為最小值54 kN，吊點處的最大受力符合要求。

綜上，在整個吊裝過程中，煙囪受到的最大變形量、吊點最大受力，各吊點受力波動范圍均符合要求，吊裝方法可行。吊裝現場情況見圖6。

5 結論

大尺寸彎折式煙囪吊裝采用雙吊機主吊、一吊機輔吊，其中吊機1利用撐桿輔助，吊機2使用吊帶兜住彎段2。吊裝分析和現場實際施工均表明該方法能有效保證翻身安全性和降低煙囪變形量。計算分析得出大尺寸彎折式煙囪的重心計算模型，提高了類似煙囪模型重心計算的準確性和效率。采用該方法吊裝大尺寸彎折式煙囪，安全可靠，并且能夠有效減小吊裝過程中的變形，為類似大尺寸彎折式煙囪吊裝提供參考。

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