定柱式懸臂吊在老平臺改造項目的研究及應(yīng)用

趙 剛 ，高紹濤 ，武斌斌 ，周 健 ，姜宇飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 背景描述

埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級改造項目涉及到結(jié)構(gòu)、機(jī)械、配管、電氣、儀表、通信等各專業(yè)的改造施工，數(shù)量巨大，任務(wù)繁重，時間緊迫（只有4個月的停產(chǎn)時間）。尤其是吊裝作業(yè)，老平臺自有吊機(jī)1臺，工作半徑有限，吊裝盲區(qū)較大，加之服役時間較長，性能老化，不能保證高強(qiáng)度、長時間連續(xù)作業(yè)，而利用浮吊資源成本較高。為緩解這一系列的工作壓力，改善作業(yè)環(huán)境，在老平臺南北兩側(cè)各安裝、固定1臺5 t小型定柱式懸臂吊，供現(xiàn)場吊裝施工。

懸臂吊能否成功應(yīng)用需要考慮多方面因素，包括安裝位置、本體選型設(shè)計、底座連接設(shè)計、平臺結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度校核、接觸面強(qiáng)度校核、安裝及使用安全：懸臂吊安裝位置確定，需考慮便于實施針對性的吊裝作業(yè)，確保安裝位置處有主梁或者主立柱等主結(jié)構(gòu)；懸臂吊本體設(shè)計方面，應(yīng)根據(jù)施工需求及實際操作空間確定吊重、水平行程、回轉(zhuǎn)角度等參數(shù)；從安全性出發(fā)，還應(yīng)考慮增加超重報警、遠(yuǎn)程遙控等其它附屬技術(shù)性能要求；懸臂吊底座結(jié)構(gòu)連接設(shè)計需注意臂吊立柱與底座的連接形式（考慮便于安裝及拆卸）；懸臂吊底座與平臺主結(jié)構(gòu)的連接形式；懸臂吊使用安全性評估方面，首先安裝位置處平臺結(jié)構(gòu)建模加載時須考慮附近機(jī)械設(shè)備、管線、電氣、儀表等荷載；懸臂吊靜態(tài)及使用2種工況下分別校核分析；懸臂吊底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；另外，還有懸臂吊的CCS（China Classification Society，中國船級社）取證（含本體結(jié)構(gòu)、底座結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件）。

詳細(xì)闡述了上述問題的解決方案，特別是在強(qiáng)度核算方面做了充分論證，保證懸臂吊的安裝、安全使用及成功應(yīng)用。

2 設(shè)計

2.1 懸臂吊本體選型設(shè)計

考慮到吊裝物大部分屬散料散件，重量較輕、數(shù)量較多，選擇額定起重量為5 t的懸臂吊本體結(jié)構(gòu)及電動葫蘆。考慮到垂直吊裝范圍覆蓋至最底層甲板（距離頂層甲板8.5 m處），加上懸臂吊4.5 m的立柱高度，選擇13 m的最大起升高度。為便于物料裝卸與倒運，電動葫蘆的最大水平行程選擇5 m，且懸臂可繞立柱360°全回轉(zhuǎn)（圖1）。

從施工安全角度出發(fā)，懸臂吊旋轉(zhuǎn)、起升及水平伸縮運動均增加限位、互鎖功能，并安裝緊急停止按鈕及報警裝置，起重葫蘆安裝超重報警裝置。為便于操作維護(hù)，安裝爬梯及照明用投光燈。電機(jī)做防水要求，防護(hù)等級 IP65，電氣接線箱外掛，防護(hù)等級 IP65，電纜為船用電纜，接頭形式使用填料函并加熱塑管，懸臂吊與底座法蘭連接螺栓采用雙頭螺栓，并加裝備母，立柱與主臂焊接永久性吊耳且檢驗合格，懸臂吊廠家安排技術(shù)人員配合現(xiàn)場的安裝及調(diào)試作業(yè)。總之，經(jīng)過一系列的選型設(shè)計，基本滿足現(xiàn)場吊裝需求。

圖1 懸臂吊本體選型

2.2 懸臂吊底座設(shè)計

為便于懸臂吊的安裝與拆卸，底座采用椎970 mm的焊接鋼管作為主結(jié)構(gòu)與甲板梁焊接，上部焊接法蘭盤，采用螺栓緊固的方式與懸臂吊立柱下部的法蘭盤連接，底座結(jié)構(gòu)周圍再利用筋板局部補強(qiáng)（圖2）。

3 校核計算

圖2 懸臂吊底座受力

利用SACS和ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件相結(jié)合的方式校核分析：對懸臂吊安裝位置處平臺局部結(jié)構(gòu)利用SACS軟件進(jìn)行強(qiáng)度核算，對懸臂吊底座及甲板接觸面利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析核算，施加荷載時增大動力放大系數(shù)，作最保守分析。

將懸臂吊本身的自重作為靜載荷輸入，正常運行時產(chǎn)生的彎矩與轉(zhuǎn)矩作為動載荷進(jìn)行輸入（圖3）。

3.1 對安裝位置處平臺局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核計算

SACS軟件系統(tǒng)是針對海上固定式結(jié)構(gòu)整體、浮式系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計分析的軟件系統(tǒng)。它包含多個程序模塊，各程序模塊之間采用文件接口方式連接以方便客戶使用。該系統(tǒng)所有的程序模塊都包含有完整的英制及公制單位缺省工程參數(shù)以簡化用戶輸入。所有的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如幾何形狀，構(gòu)件尺寸，材料特性以及環(huán)境條件等都通過交互方式輸入并以文件方式存儲。隨后求解程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得出最終的求解文件，該文件中包含所有節(jié)點的位移以及單元內(nèi)力。后處理程序使用求解文件中的數(shù)據(jù)，采用相應(yīng)的規(guī)范對結(jié)構(gòu)作規(guī)范校核。不符合規(guī)范要求的部分程序可自動進(jìn)行重設(shè)計。

對安裝位置處平臺局部結(jié)構(gòu)應(yīng)用SACS軟件校核。

考慮平臺局部結(jié)構(gòu)自重，所建模區(qū)域處無機(jī)械設(shè)備、管線、電纜、儀表等，所以僅施加活荷載，按照API（American Petroleum Institute，美國石油學(xué)會）規(guī)范施加2.5 kN/m2的活荷載；安裝位置附近存在平臺原有吊機(jī)，按照平臺方提供的吊機(jī)靜載荷加力；考慮4個方向的風(fēng)載荷及4個方向吊裝時懸臂吊底座受力，包括傳遞轉(zhuǎn)矩的正負(fù)關(guān)系分為CR1—CR8等8種基本工況，因此最終按照如下組合工況逐一核算。

其中，COM1—COM8分別代表組合工況1至組合工況8；DEAD表示平臺甲板自重，由于是老平臺甲板結(jié)構(gòu)，取10%的不確定系數(shù)；LIVE表示甲板活荷載，所建原有甲板處無設(shè)備、管線、電纜、儀表等，非設(shè)備區(qū)活荷載按照2.5 kN/m2施加；CRAN表示平臺原有吊機(jī)靜荷載，按照平臺方提供的數(shù)據(jù)466 kN（47.55 t）施加；WIN0，WI90，W180 和 W270 分別表示 0°，90°，180°，270°的4個方向的風(fēng)荷載（考慮1年一遇和100年一遇施加風(fēng)荷載）；CR1—CR8 分別表示 0°，90°，180°，270°的 4 個方向吊裝時懸臂吊底座受力，總重量102 kN，總彎矩為300 kN·m，總轉(zhuǎn)矩為28 kN·m（參考圖3），根據(jù)轉(zhuǎn)矩正負(fù)關(guān)系及4個方向分別對應(yīng)CR1—CR8的8種工況。

圖3 懸臂吊底座受力示意

采用JOINT LOAD施加，3軸為概念性軸，實際不存在。為了施加荷載，在相應(yīng)位置建立虛擬桿件，在桿件節(jié)點處施加懸臂吊動載荷。

根據(jù)海上施工現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，懸臂吊設(shè)置在平臺北側(cè)3軸附近，中心位于3軸上，距離D-2軸700 mm。建模區(qū)域為C軸至D-2軸，2-2軸到4-a軸之間，EL.（+）24 194和EL.（+）28 094兩層甲板。兩層甲板之間的立柱底部節(jié)點自由度設(shè)為（111111）（圖 4）。

圖4 平臺局部3D示意

通過SACS軟件建模加載計算，結(jié)果顯示僅在第一種組合工況下存在某一桿件強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，即桿件C1-2UC值>1.0，將此型鋼加強(qiáng)成箱型梁后再次試算，UC結(jié)果值滿足API規(guī)范要求（圖 5）。

結(jié)果顯示，平臺整體位移不大，最大位移量出現(xiàn)在C3號節(jié)點，為9.385 9 cm，且出現(xiàn)在COM8工況下。由于C3點不是實際存在的點，其位移由兩側(cè)型鋼共同承擔(dān)。

3.2 對懸臂吊底座及甲板接觸面進(jìn)行校核計算

有限元分析（Finite Ele-ment Analysis，F(xiàn)EA）是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是20世紀(jì)50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域—飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等問題。目前，該方法已經(jīng)應(yīng)用于水工、土建、橋梁、機(jī)械、電機(jī)、冶金、造船、飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇航、核能、地震、物探、氣象、滲流、水聲、力學(xué)、物理學(xué)等，幾乎所有的科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域。基于有限元分析算法編制的軟件，即所謂的有限元分析軟件，如ANSYS軟件。

通過ANSYS有限元分析軟件模擬懸臂吊底座受力情況，在ANSYS中采用shell 181單元對懸臂吊底座進(jìn)行模擬計算。

通過建立接觸點PILOT，模擬懸臂吊底座立柱與平臺甲板梁的接觸，在模擬點上施加載荷。增加懸臂吊底座重量Fz=-（102+2.27）=-104.27 kN，My=300 kN，Mz=-28 kN。將平臺甲板梁有豎向支撐的位置固定Z方向位移，將水平梁固定其軸向位移（圖 6～圖 8）。

圖5 加強(qiáng)成BOX箱型截面

結(jié)果顯示，新增節(jié)點及平臺原有節(jié)點最大應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求，即懸臂吊底座下方平臺局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求（表1）。其中，T為鋼板的臂厚。

4 結(jié)束語

埕北油田設(shè)備設(shè)施整體升級改造項目是迄今為止國內(nèi)最大規(guī)模的海上老油田改造工程項目，涉及平臺數(shù)和專業(yè)門類最多，停產(chǎn)時間最長，改造工作量最大，而應(yīng)用多臺小型定柱式懸臂吊輔助海上老平臺改造施工在國內(nèi)也實屬首例。改造施工期間，特別是在油田關(guān)斷、停產(chǎn)期間，4臺小型定柱式懸臂吊得到了充分利用，大大改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，僅在工程拆除階段就節(jié)省了10 d關(guān)鍵工期，節(jié)省132.405萬元人民幣費用，降本增效成果顯著。此外，懸臂吊安裝位置選擇、本體選型設(shè)計、底座強(qiáng)度核算、平臺結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度核算等問題的解決方案，保證了懸臂吊的安裝及使用安全，為類似工程項目提供了成功的借鑒作用。

圖6 接觸面ANSYS有限元模型

圖7 Misses整體應(yīng)力云圖

表1 ANSYS軟件計算結(jié)果

圖8 新增補強(qiáng)鋼板應(yīng)力云圖

在當(dāng)前國際石油行業(yè)低迷的大環(huán)境下，從油田投資開發(fā)及回收的經(jīng)濟(jì)性考慮，未來一段時間內(nèi)，各大石油公司極有可能放緩新油田開發(fā)的步伐，將更多目光聚焦在老油田二次升級改造或拆除與棄置方面，一般會遭遇老平臺吊裝資源匱乏、吊裝裝備老化且吊裝任務(wù)巨大的壓力。這時，可以考慮借鑒埕北改造項目采取利用多臺小型懸臂吊輔助海上吊裝作業(yè)的成功經(jīng)驗，達(dá)到節(jié)能增效的目的。