鋪管船托管架A字架結(jié)構(gòu)分析

左亞?wèn)| 曾 湛

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，海洋逐漸成為全球石油勘探的重要領(lǐng)域。據(jù)國(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，未來(lái)世界油氣總儲(chǔ)量的44%將來(lái)自海洋［1］。海上油氣田開(kāi)采的油氣除少數(shù)在海上直接裝船外運(yùn)外，多數(shù)通過(guò)管道傳輸至陸上加工。到目前為止，我國(guó)海洋石油、天然氣開(kāi)發(fā)中鋪設(shè)的海底管道大多數(shù)采用鋪管船進(jìn)行鋪設(shè)。［2］隨著我國(guó)深海石油天然氣資源的開(kāi)發(fā)，亟需開(kāi)發(fā)提升海底管道鋪設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)建造出適用于深海海底管道鋪設(shè)的設(shè)備［3-4］。

本文以一艘非自航鋪管起重船為研究對(duì)象，此船鋪設(shè)海底管線(xiàn)的最大作業(yè)水深為350 m，重點(diǎn)闡述A字架的結(jié)構(gòu)校核分析方法及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。此船的船尾設(shè)一套固定式托管架，在管線(xiàn)從尾部下放時(shí)用于支承，以防止管線(xiàn)過(guò)度彎曲。A字架是支撐固定式托管架的重要構(gòu)件，A字架頂部安裝滑輪組，用以起吊和下放托管架，托管架鉸接于船尾，依靠絞車(chē)通過(guò)A字架起吊或下放調(diào)整位置，用以調(diào)整鋪管的入水曲率半徑（詳見(jiàn)圖1）。在鋪管作業(yè)時(shí)，A字架承載著托管架及管線(xiàn)的主要載荷，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。

圖1 托管架A字架總布置圖

本文旨在開(kāi)發(fā)一種有限元分析方法，依據(jù)API RP 2A-WSD（2007） 第21版中的規(guī)定，對(duì)A字架結(jié)構(gòu)在各類(lèi)工況下進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度分析［5-6］，進(jìn)而反饋和指導(dǎo)A字架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文借助挪威船級(jí)社開(kāi)發(fā)的商用有限元軟件SESAM GENIE V6.4-08下完成。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主結(jié)構(gòu)

A字架主體采用桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（詳見(jiàn)圖2），材料及尺寸詳見(jiàn)表1。主管間采用356×30的支管連接，在局部應(yīng)力較大之處的支管管徑進(jìn)行了調(diào)整，如首尾端橫撐選取了711管徑。A字架兩端采用X型支管設(shè)計(jì)，中部支管采用K型設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖2。

表1 A字架主要部件尺寸和材料

圖2 A字架的正視圖和俯視圖

1.2 頂橫梁

A字架橫梁為連接滑輪組和4根桁架主管的橋梁，其主要作用為增加A字架的整體剛度和作為滑輪組、鋼絲繩固定端的基座。滑輪組耳板采用雙耳板套入橫梁再坡口焊接，全焊透，管內(nèi)設(shè)置環(huán)筋以加強(qiáng)；設(shè)置外部環(huán)筋用于布置鋼絲繩死端，并進(jìn)行局部加強(qiáng)；橫梁兩端布設(shè)安全繩系泊點(diǎn)。

1.3 鉸 點(diǎn)

A字架的4根主管都與尾封板連接。為便于安裝，上部采用絞點(diǎn)設(shè)計(jì)，下部采用法蘭連接。尾封板上設(shè)置單耳板，主管上設(shè)置雙耳板與之配對(duì)，通過(guò)銷(xiāo)軸連接。

2 有限元結(jié)構(gòu)校核分析

2.1 載荷分析

A字架總體強(qiáng)度校核參照API《RP 2A-WSD，2005》規(guī)范的強(qiáng)度校核進(jìn)行。對(duì)于A(yíng)字架管架結(jié)構(gòu)，具體各應(yīng)力的許用UC計(jì)算可詳見(jiàn)該規(guī)范第3章；對(duì)于托管架的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，具體各應(yīng)力的許用UC計(jì)算可詳見(jiàn)該規(guī)范第4章。具體校核計(jì)算中，折減系數(shù)Cm= 0.85，有效長(zhǎng)度系數(shù)K= 1。表2列出了A字架總體強(qiáng)度校核的滿(mǎn)載待命工況相應(yīng)安全系數(shù)。

表2 滿(mǎn)載待命工況安全系數(shù)

2.2 載荷分析

2.2.1 環(huán)境條件

本船考慮3種不同環(huán)境條件，分別為鋪管船滿(mǎn)載作業(yè)、滿(mǎn)載待命和生存吊起，見(jiàn)表3。

表3 鋪管船設(shè)計(jì)環(huán)境條件

本船對(duì)托管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，考慮3種不同環(huán)境條件下共計(jì)7個(gè)計(jì)算工況，其中滿(mǎn)載作業(yè)和滿(mǎn)載待命環(huán)境條件下同時(shí)考慮托管架對(duì)應(yīng)的3種不同鋪管狀態(tài)。

托管架的3種鋪管狀態(tài)和生存吊起狀態(tài)分別為：

鋪管狀態(tài)1 48寸63 m水深，托管架軸向與水平面夾角-9°（順時(shí)針為正），吊索與水平軸夾角63°（順時(shí)針為正）。

鋪管狀態(tài)2 24寸300 m水深，托管架軸向與水平面夾角-16°（順時(shí)針為正），吊索與水平軸夾角68°（順時(shí)針為正）。

鋪管狀態(tài)1 10寸350 m水深，托管架軸向與水平面夾角-19°（順時(shí)針為正），吊索與水平軸夾角70°（順時(shí)針為正）。

生存吊起狀態(tài) 托管架吊起，托管架軸向與水平面夾角10°（順時(shí)針為正），吊索與水平軸夾角44°（順時(shí)針為正）。

作業(yè)工況和待命工況考慮5種不同浪向，分別為 0°、45°、90°、135°、180°；生存工況考慮 3 種不同浪向，分別為 150°、165°、180°。

滿(mǎn)載待命相對(duì)于滿(mǎn)載作業(yè)時(shí)環(huán)境條件更為惡劣。生存吊起作業(yè)時(shí)，托管架吊起，沒(méi)有管線(xiàn)載荷。根據(jù)托管架在7個(gè)計(jì)算工況下的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可知，滿(mǎn)載待命工況為A字架分析的關(guān)鍵工況，滿(mǎn)載待命工況下托管架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析得到的吊索拉力為本文A字架分析的載荷輸入。

2.2.2 重力

根據(jù)模型中所有構(gòu)件的材料和截面屬性計(jì)算整個(gè)模型的總重以及重心，并考慮到結(jié)構(gòu)中的焊接和構(gòu)件偏差，計(jì)算得到合計(jì)重約為213 t。

在GeniE中，A字架外端部的滑輪組及加強(qiáng)肘板等附件的質(zhì)量以集中質(zhì)量點(diǎn)的方式加載在各自重心處。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)慣性力

A字架由于船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，借助Z2013-28《非自航起重鋪管船耐波性和拖航穩(wěn)定性模型試驗(yàn)報(bào)告》中，A字架鉸點(diǎn)處（5號(hào)點(diǎn)位置）在滿(mǎn)載待命工況時(shí)單位有義波高下的不規(guī)則波加速度預(yù)報(bào)值（見(jiàn)下頁(yè)表4）計(jì)算得到。

表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為單位有義波高下的無(wú)因次運(yùn)動(dòng)加速度預(yù)報(bào)值，A字架由于船體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性加速度見(jiàn)式（1）：

式中：a為試驗(yàn)得到的單位有義波高下的無(wú)因次運(yùn)動(dòng)加速度預(yù)報(bào)值；Hmax為相應(yīng)工況下的最大波高。

表4 滿(mǎn)載待命單位有義波高下無(wú)因次運(yùn)動(dòng)加速度預(yù)報(bào)值

式中：HS為有義波高。

鋪管待命狀態(tài)的慣性加速度，跨零周期為8.5 s，模型試驗(yàn)報(bào)告中選取跨零周期為8.5 s的無(wú)因次加速度預(yù)報(bào)值，具體慣性加速度計(jì)算值見(jiàn)表5。

2.2.4 吊索拉力

A字架兩個(gè)外端分別承受來(lái)由兩端動(dòng)滑輪組傳遞而來(lái)的沿鋼絲繩方向的托管架拉力和兩端絞車(chē)的沿鋼絲繩方向的拉力，吊索的工作原理見(jiàn)圖3。由托管架的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析確定的吊索力受力情況如表6所示。

最大吊索力合力為滿(mǎn)載待命工況下的鋪管狀態(tài)1，為4 487.7 kN。圖3中，兩端兩組動(dòng)滑輪對(duì)A字架的拉力可以等效為兩個(gè)集中力，等效力作用點(diǎn)如圖4中所示（F1為吊索力合力，F(xiàn)2為絞車(chē)?yán)Γ?/p>

2.2.5 載荷組合

A字架總體強(qiáng)度校核，各工況計(jì)算所包括的載荷有重力、運(yùn)動(dòng)慣性力和吊索拉力，其中運(yùn)動(dòng)慣性力和吊索拉力均按最危險(xiǎn)的滿(mǎn)載待命工況考慮，且考慮 5種不同浪向，分別為 0°、45°、90°、135°、180°。

2.3 結(jié)構(gòu)分析模型

A字架是典型的桁架式結(jié)構(gòu)，本文應(yīng)用SESAM GENIE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，分別得到A字架上下鉸點(diǎn)在各浪向下的支點(diǎn)反力；并依照API RP 2A-WSD校核了A字架桿件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和各節(jié)點(diǎn)處的沖剪強(qiáng)度。A字架有限元模型如圖5所示。

圖5 A字架有限元模型示意圖

有限元模型的總體坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系：

（1）X方向?yàn)檠厣舷覘U平面，指向船首；

（2）Y方向?yàn)榇瑢挿较颍灾锌v剖面指向左舷；

（3）Z方向?yàn)榇怪鄙舷覘U平面向上。

結(jié)構(gòu)模型中采用N、mm的國(guó)際單位制。

在GENIE中建立的有限元模型參見(jiàn)圖5，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的CAPACITY模型如圖6所示。

圖6 GENIE中的CAPACITY模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 鉸點(diǎn)力結(jié)果

4個(gè)鉸點(diǎn)的編號(hào)如圖7所示。

圖7 鉸點(diǎn)編號(hào)示意圖

滿(mǎn)載待命環(huán)境工況，不同浪向下各鉸點(diǎn)的支反力結(jié)果如表7-表10所示。

表7 船尾1號(hào)鉸點(diǎn)處支反力結(jié)果

表8 船尾2號(hào)鉸點(diǎn)處支反力結(jié)果

表9 船尾3號(hào)鉸點(diǎn)處支反力結(jié)果

表10 船尾4號(hào)鉸點(diǎn)處支反力結(jié)果

3.2 桿件受力結(jié)果

滿(mǎn)載待命環(huán)境工況，不同浪向下，各鉸點(diǎn)處桿件力結(jié)果如表11所示。

表11 不同浪向下A字架鉸點(diǎn)區(qū)域桿件軸向力結(jié)果kN

由表11可知，在45°浪向下，A字架桿件受力最大。

3.3 變形結(jié)果

滿(mǎn)載待命環(huán)境工況，不同浪向下的A字架變形結(jié)果如表12所示。

表12 滿(mǎn)載待命工況各浪向A字架自由端變形結(jié)果mm

由表12中的變形結(jié)果可知，在滿(mǎn)載待命工況下，45°浪向時(shí)，A字架頂部自由端變形最大，左右兩端合成總位移分別為131 mm和132 mm。A字架總長(zhǎng)34 460 mm，A字架頂端最大相對(duì)位移為132/34 460 = 0.38%。滿(mǎn)足CCS船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范上的剛度要求。

3.4 桿件名義應(yīng)力規(guī)范校核

SESAM GENIE中可以對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果在軟件中直接按照規(guī)范進(jìn)行校核，本文中的A字架結(jié)構(gòu)是依照API RP 2A-WSD進(jìn)行校核。經(jīng)計(jì)算，A字架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在滿(mǎn)載待命工況下45°浪向時(shí)。

各桿件名義應(yīng)力規(guī)范校核結(jié)果見(jiàn)表13。

表13 各桿件名義應(yīng)力規(guī)范校核結(jié)果

3.5 各節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度規(guī)范校核

各節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度規(guī)范校核結(jié)果見(jiàn)表14。

表14 各節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度規(guī)范校核結(jié)果

4 結(jié) 論

A字架的設(shè)計(jì)及受力分析對(duì)于鋪管船而言至關(guān)重要，A字架的結(jié)構(gòu)安全可靠性直接關(guān)系到托管架在鋪管作業(yè)時(shí)的安全性。需要對(duì)A字架在各種工況下所受的復(fù)雜環(huán)境載荷進(jìn)行深入研究，才能為A字架結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

A字架的設(shè)計(jì)需要對(duì)A字架在環(huán)境載荷作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力規(guī)范校核、各節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度規(guī)范校核以及位移變形的結(jié)果反饋，來(lái)指導(dǎo)A字架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終才能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)安全可靠、質(zhì)量輕、應(yīng)力分布合理的A字架結(jié)構(gòu)。

本文以某深水鋪管船的A字架為研究對(duì)象，對(duì)A字架進(jìn)行了合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并建立有限元模型分析滿(mǎn)載待命環(huán)境條件下不同浪向A字架的受力情況，主要研究成果如下：

（1）詳細(xì)提出了一種A字架的結(jié)構(gòu)有限元分析方法（包括A字架的載荷分析、有限元模型建立、邊界條件、校核標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果分析），其中載荷分析最為關(guān)鍵；本文全面給出了需要考慮的載荷種類(lèi)和載荷的組合工況。

（2）通過(guò)SESAM有限元軟件對(duì)A字架進(jìn)行有限元結(jié)果分析，根據(jù)計(jì)算校核結(jié)果及變形位移的反饋，指導(dǎo)A字架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并以此得到結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量?jī)?yōu)化、安全可靠的A字架結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果。