自升式鉆井平臺(tái)BOP橋機(jī)主梁剛性分析

于世浩 李 磊 崔莎莎

（蘭石集團(tuán) 青島蘭石能源裝備工程研究院，青島 266500）

自動(dòng)化程度較高的海洋鉆采平臺(tái)會(huì)選用比較高端的井口設(shè)備移運(yùn)系統(tǒng)組合：包括一套BOP起重機(jī)、兩套輕型通用環(huán)鏈?zhǔn)狡鹬貦C(jī)和兩套液壓步進(jìn)式滑橇。其中，BOP起重機(jī)是該組合的核心裝備[1-2]。其主梁行走機(jī)構(gòu)為主承載部件，其結(jié)構(gòu)為帶有若干襯板的雙梁箱型結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)除計(jì)算和校核強(qiáng)度外，其靜態(tài)剛性和動(dòng)態(tài)剛性也必須予以重視[3-4]。

1 主梁受力公式推導(dǎo)

以小車、伸縮臂和托盤(pán)組成的結(jié)構(gòu)體為研究對(duì)象，作用在此對(duì)象上的受力情況如圖1所示。其中，PQmax為安全工作載荷，Gm2為小車行走機(jī)構(gòu)和托盤(pán)自重引起的載荷，F(xiàn)1和F2分別為主梁對(duì)研究對(duì)象的4個(gè)支撐面（小車輪與橫梁軌道的結(jié)合面）的作用力。根據(jù)力和力矩平衡法則，得出如下公式。

式中，L1、L2分別為力F1、F2對(duì)應(yīng)的力臂，L3、L4分別為力PQmax、Gm2對(duì)應(yīng)的力臂。

圖1 BOP起重機(jī)主梁受力模型

2 設(shè)計(jì)和校驗(yàn)依據(jù)

靜態(tài)剛性小于規(guī)定的允許值，有可能會(huì)引起以下不利后果：小車與周圍物體和結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞；小車負(fù)載小于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)載荷時(shí)，妨礙小車運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)；小車負(fù)載時(shí)，妨礙其精確定位；引起過(guò)大橫向力作用在主梁軌道上，進(jìn)而可能影響主梁行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；造成驅(qū)動(dòng)裝置的同軸度偏大，進(jìn)而引發(fā)零部件大摩擦、大磨損、振動(dòng)大，影響其壽命，制動(dòng)器失效[5-6]。

橋式類起重機(jī)，當(dāng)滿載小車位于跨中時(shí)，靜態(tài)剛性指標(biāo)可用主梁跨距與額定起升載荷和小車自重在跨中引起的主梁垂直靜撓度，其剛性指標(biāo)可以用式（3）表示，推薦剛性指標(biāo)滿足表1的要求。

式中，IS為主梁靜態(tài)剛性指標(biāo)，無(wú)量綱；S為主梁跨距，mm；δstat為額定起升載荷和小車自重在跨中引起的主梁垂直靜撓度，mm。

表1 整機(jī)定位精度與主梁剛性指標(biāo)對(duì)照表

表1中，A區(qū)表示高定位精度；B區(qū)表示中等定位精度，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)；C區(qū)主要適合于低定位精度的起重機(jī)或帶有特殊裝備起重機(jī)。比如采用無(wú)級(jí)控制、低起升速度和低加速度，并能達(dá)到可接受的定位精度。根據(jù)式（3）靜態(tài)剛性指標(biāo)，不考慮起重機(jī)主梁自重引起的撓度。主梁自重引起的撓度是定值，可以預(yù)制主梁的上拱度來(lái)抵消，試驗(yàn)載荷下主梁產(chǎn)生的塑性變形可以預(yù)制拱度抵消。主梁動(dòng)態(tài)剛性指標(biāo)對(duì)司機(jī)和定位穩(wěn)定和精度影響主要表現(xiàn)如下：為保證司機(jī)在駕駛艙內(nèi)的舒適度，主梁結(jié)構(gòu)在垂直方向的自振頻率不小于2Hz。另外，動(dòng)態(tài)剛性過(guò)小，會(huì)影響水平和垂直定位精度[4-5]。

3 算例與結(jié)果分析

以下給出了某型號(hào)BOP特種吊機(jī)的原始數(shù)據(jù)，用作算例演示用。箱形梁使用船用鋼板（DH36），其材料屬性：抗拉強(qiáng)度Rm=490～630MPa；上屈服強(qiáng)度ReH≥355MPa。安全工作載荷：PQmax=1.25×103kN。主梁行走機(jī)構(gòu)跨距：S=1.64×104mm。小車、伸縮臂和托盤(pán)自重：Gm2=600kN。L1=L2=1075mm，L3=1830mm，L4=230mm。

3.1 主梁受力計(jì)算分析

根據(jù)章節(jié)1推導(dǎo)的式（1）和式（2），帶入上述數(shù)據(jù)得主梁力：F1=101.57kN，方向與地球引力方向相反。F2=1026.6kN，方向和地球引力方向相同。顯然，主梁承受偏心載荷。

3.2 主梁靜態(tài)剛性指標(biāo)校核與分析

按照章節(jié)2中靜態(tài)剛性指標(biāo)的工況，當(dāng)滿載小車位于跨中時(shí)，不計(jì)主梁的自重載荷。

圖2 靜態(tài)剛性指標(biāo)工況時(shí)主梁的變形云圖

圖2 為滿載時(shí)小車行走機(jī)構(gòu)位于主梁行走機(jī)構(gòu)跨中的變形云圖，由圖2可知，主梁行走機(jī)構(gòu)最大變形確實(shí)發(fā)生在主梁行走機(jī)構(gòu)跨中附近，由于偏心載荷作用，雙梁變形不同，其最大撓度δstat=15.59mm。

根據(jù)章節(jié)2可知，其靜態(tài)剛性指標(biāo)為IS=S/δstat=1051.96。根據(jù)表1可知，橋機(jī)主梁靜態(tài)剛性屬于A區(qū)，即主梁的剛性滿足橋機(jī)的高定位精度要求。

3.3 主梁動(dòng)態(tài)剛性指標(biāo)校核與分析

從圖3主梁的第一階振型圖可知，主梁在水平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，振動(dòng)頻率9.22Hz，最大振幅0.18mm，在遠(yuǎn)離偏心載荷的主梁跨中外側(cè)腹板處。

圖3 第一階陣型圖

從圖4主梁的第二階振型圖可知，主梁在水平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，振動(dòng)頻率9.66Hz，最大振幅0.23mm，在距離偏心載荷較近的主梁跨中外側(cè)腹板處。

第一階和第二階振型均為水平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)應(yīng)的工況為主梁行走機(jī)構(gòu)啟動(dòng)、加減速、停止過(guò)程，此工況下的振動(dòng)主要源于系統(tǒng)克服整個(gè)吊機(jī)及載荷在水平方向上的慣性。因此，在主梁行走控制設(shè)計(jì)時(shí)，盡量保證緩慢啟動(dòng)和停止，避免急加減速。

圖4 第二階陣型圖

從圖5主梁的第三階振型圖可知，主梁在豎直面內(nèi)彎曲振動(dòng)，振動(dòng)頻率13.68Hz，最大振幅0.18mm，在遠(yuǎn)離偏心載荷的主梁跨中內(nèi)側(cè)腹板處。

圖5 第三階陣型圖

從圖6主梁的第四階振型圖可知，主梁在豎直面內(nèi)彎曲振動(dòng)，振動(dòng)頻率17.28Hz，最大振幅0.19mm，在距離偏心載荷較近的主梁跨中上翼板處。

圖6 第四階陣型圖

第三階和第四階振型均為豎直面內(nèi)彎曲振動(dòng)，對(duì)應(yīng)的工況為伸縮臂啟動(dòng)、加減速、停止過(guò)程，此工況下的振動(dòng)主要源于系統(tǒng)伸縮臂、托盤(pán)和載荷在豎直方向的動(dòng)態(tài)載荷。因此，在伸縮臂提升和下放載荷時(shí)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡量保證緩慢啟動(dòng)和停止，避免急加減速。

從圖7主梁的第五階振型圖可知，主梁在水平面內(nèi)彎曲擺動(dòng)，振動(dòng)頻率23.68Hz，最大振幅0.24mm，在遠(yuǎn)離偏心載荷的主梁長(zhǎng)度約1/3內(nèi)側(cè)腹板處。

圖7 第五階陣型圖

從圖8主梁的第六階振型圖可知，主梁在水平面內(nèi)彎曲擺動(dòng)，振動(dòng)頻率27.21Hz，最大振幅0.32mm。在遠(yuǎn)離偏心載荷的主梁長(zhǎng)度約1/3外側(cè)腹板處。

圖8 第六階陣型圖

第五階和第六階振型均為水平面內(nèi)彎曲擺動(dòng)，對(duì)應(yīng)的工況為主梁行走機(jī)構(gòu)啟動(dòng)、加減速、停止過(guò)程，此工況下的振動(dòng)主要源于系統(tǒng)克服整個(gè)吊機(jī)及載荷在水平方向上的慣性。因此，在主梁行走控制設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證緩慢啟動(dòng)和停止，避免急加減速。

根據(jù)圖3～圖8的數(shù)據(jù)，結(jié)合章節(jié)2介紹的主梁動(dòng)態(tài)剛性指標(biāo)在垂直方向的自振頻率不小于2Hz，顯然主梁的前六階固有頻率均大于2Hz。在保障司機(jī)舒適度的同時(shí)，這樣也有助于保障起重機(jī)水平和垂直定位精度。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)海洋自升式鉆采平臺(tái)井口移運(yùn)裝備時(shí)，在定位精度和控制方式已經(jīng)確定的情況下，除了考慮計(jì)算和校核主梁強(qiáng)度外，主梁的靜態(tài)剛性和動(dòng)態(tài)剛性必須予以重視，主梁的靜態(tài)剛性、動(dòng)態(tài)剛性應(yīng)滿足ISO22986-2007和GB/T3811-2008規(guī)定的允許值，否則影響起重機(jī)定位精度和司機(jī)的舒適度。主梁靜態(tài)剛性的設(shè)計(jì)依據(jù)不再參照起重機(jī)的使用等級(jí)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮靜態(tài)剛性、控制方式、定位精度的聯(lián)系。

類似結(jié)構(gòu)的主梁靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛性校核時(shí)，利用有限元法，借助計(jì)算機(jī)輔助仿真（CAE）軟件可以解決復(fù)雜的公式推導(dǎo)，節(jié)約計(jì)算時(shí)間。關(guān)于海洋吊機(jī)強(qiáng)度剛度計(jì)算，美國(guó)船級(jí)社也推薦利用有限元法（FEM-Fine Mesh Analysis）。值得注意的是，在計(jì)算和校核起重機(jī)主梁靜態(tài)剛性時(shí)，不應(yīng)考慮主梁自身重量引起的撓度。

[1]李磊，趙世剛，夏立超，等.自升式鉆井平臺(tái)BOP移運(yùn)系統(tǒng)方案分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017，249（8）：1-3.

[2]曲殿君，趙世剛，李磊，等.自升式鉆井平臺(tái)BOP橋機(jī)主梁強(qiáng)度分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017，250（9）：13-16.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]International Organization for Standardization.ISO22986-2007 Cranes Stiffness Bridge and gandry cranes[S].Geneva：International Organization for Standardization，2007.

[5]Christoph H，Martin B，Heiner K.Modeling the Beam Deflection of a Gantry Crane under Load[J].Journal of Surveying Engineering，2014，140（1）：214-219.

[6]Balham R，Nara Y.Shell Finite Element for Smart Piezo Electric Composite Plate/Shell Structures and Its Application to the Study of Active Vibration Control[J].Finite Elements in Analysis and Sesign，2001，（37）：713-738.