高楓，馬強，李陽，東志紅

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

隨著國家能源改革以及油氣行業(yè)的深刻變革，長輸油氣管道地位日益突出。長輸油氣管道作為國家能源重要通道，具有保障國家能源安全、促進國民經濟發(fā)展的重要意義[1-2]。長輸油氣管道在長時間運行后，會因為輸送介質中的水分或者含硫介質腐蝕管道產生鐵銹，進而影響介質品質。輸送介質的品質降低不僅影響站場設備的安全運行，還對管道的運行產生巨大的安全隱患。為保證輸送介質的品質，保護運行管道及站場設備，通常在站場設置過濾器。

為提高站場設備焊接質量、加快站場建設進程、縮短建設周期，橇裝設備應運而生。范嘉堃等[3]通過有限元方法對站場不均勻沉降引起的應力進行模擬。結果表明：橇裝設備中三通和彎頭應力較為集中；通過計算采用升頂方式可使應力滿足校核標準。李凱等[4]人通過對傳統(tǒng)兩相分離器進行改進，最終在站場上成功應用。黨偉等[5]為克服積水等問題，研制了一套預分化橇裝設備；該橇裝設備的成功應用，可明顯減低運行成本，同時節(jié)約水資源。劉元寶[6]針對油田地面污水處理不達標問題，開發(fā)了一套橇裝過濾裝備，該裝置具有占地面積小，處理效率高等優(yōu)點。

綜上，大多數研究學者只針對橇裝設備功能進行探究，尚未對橇裝底座受力進行分析。橇裝設備在工廠進行預制好后，會涉及吊裝的問題。為保證橇裝設備及管路在吊裝過程中，應力及變形量在許用量范圍內，需要對橇座的剛度及應力進行分析，以確保橇裝設備安全。本文針對國內某項目的典型過濾橇裝設備的橇裝通過ANSYS 對其吊裝過程中的應力進行分析，該結果可為橇裝底座的設計提供指導。

1 設計參數

1.1 過濾橇模型

過濾橇主要包括：過濾器、手動球閥、電動球閥、截止閥、排污閥以及儀表、管路組成。過濾橇模型如圖1 所示。

圖1 過濾橇模型Fig.1 Filter skid model

1.2 橇座模型及尺寸

橇底座模型如圖2 所示。橇座鋼結構由橫梁和縱梁組成，管支架支撐在縱梁上面，橫梁和縱梁采用焊接連接，梁單元作為一個整體進行分析。具體參數見表1。在針對橇座鋼結構的分析中，過濾器組件的自重載荷通過管支架作用到橇座上，模型中將過濾器組件重量在管支架位置加載于橇座上。

表1 橇座鋼結構模型Table 1 Steel structure model of skid base

圖2 過濾橇底座模型Fig.2 Base model of filter skid

1.3 載荷

橇座載荷如圖3 所示。橇座鋼結構承受外力來自管支架，在管支架安裝處加載自重載荷。根據設備分析，加載的重量分布也不盡相同。

圖3 橇座載荷Fig.3 The load of filter skid

1.4 邊界條件

橇座在吊裝過程中，主要依靠吊耳保持力的平衡，因此本模型的邊界條件加載到吊耳處。邊界條件如圖4 所示。

圖4 吊耳約束Fig.4 Lifting lug restraint

2 橇座計算結果

2.1 橇座應力軸向力計算

橇座結構應力分布如圖5 所示，軸向力分布云圖如圖6 所示。

從圖5 及圖6 可知，橇座的最大應力出現(xiàn)在過濾器所在位置，最大值為58.2 MPa。同時橇座的軸向力也出現(xiàn)在過濾器所在位置。由此可見，大質量的部件在橇座上的分布情況與橇座的受力有著直接關 系。

圖5 橇座鋼結構應力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of the skid base steel structure

圖6 橇座梁軸向力圖Fig.6 Axial force diagram of the skid base beam

2.2 橇座彎矩計算

通過對橇座梁的彎矩進行模擬，結果如圖7 所示。由橇座的梁彎矩圖可知，最大彎矩也出現(xiàn)在過濾器所在位置，同時閥門所在的橇座梁上也出現(xiàn)了較大的彎矩。這是由于過濾器和閥門質量較大，且分布較為集中，在吊裝過程中產生較大的力，導致橇座梁的彎矩較大。

圖7 橇座梁彎矩圖Fig.7 Bending moment diagram of skid beam

由圖8 和圖9 可知，橇座主梁上彎矩云圖呈對稱分布，并且最大彎矩為1.895 5×107N·mm，閥門所在的橇座梁上對應的最大彎矩為1. 5×107N·mm。此外，從云圖及彎矩曲線上可以發(fā)現(xiàn)，在吊耳兩側彎矩較大，證明吊耳位置設置合理。

圖8 主梁（一）上彎矩云圖及曲線Fig.8 Main beam (1) upper bending moment cloud diagram and curve

圖9 主梁（二）上彎矩云圖及曲線Fig.9 Main beam (2) upper bending moment cloud diagram and curve

2.3 橇座扭矩計算

同理對橇座的扭矩圖進行分析，如圖10 所示。結果與彎矩結果類似，最大彎矩出現(xiàn)在過濾器所在位置。

圖10 橇座梁扭矩圖Fig.10 Torque diagram of skid beam

2.4 橇座剪力計算

橇座梁剪力如圖11 所示。通過對橇座的剪力進行計算可知，最大剪力出現(xiàn)在吊耳位置。由圖12、13 的剪力云圖及曲線可知，吊耳之間的剪力較大，而在吊耳外側剪力逐漸減小，在橇座兩端位置，剪力幾乎為零。這是由于吊耳之間過濾器質量較大并且集中，導致吊耳之間的剪力較大，而吊耳之外質量較小，因此剪力較小。

圖11 橇座梁剪力圖Fig.11 Shear force diagram of skid beam

圖12 主梁（一）上剪力云圖及曲線Fig.12 Shear cloud diagram and curve diagram on the main beam (1)

圖13 主梁（二）上剪力云圖及曲線Fig.13 Shear cloud diagram and curve diagram on the main beam (2)

2.5 橇座位移計算

橇座主梁位移圖及曲線如圖14、15 所示。通過對橇座主梁的位移進行計算可知，在吊耳位置為正向位移，在過濾器所在位置為負向位移。也正因為吊耳兩側的位移方向相反，導致吊耳處的剪力最大，這與橇座的剪力計算結果完全相吻合，也證明了計算的正確性。

圖14 主梁（一）上位移云圖及曲線Fig.14 Displacement cloud diagram and curve on main beam (1)

圖15 主梁（二）上位移云圖及曲線Fig.15 Displacement cloud diagram and curve of main beam (2)

3 結論

通過以上分析可知：

（1）鋼結構梁最大應力為58.2 MPa，小于型鋼強度設計值310 MPa。由此可知該鋼結構強度滿足吊裝要求。

（2）從橇座位移云圖上可以看出，鋼結構最大位移為8.74 mm，其變形量小于擾度允許值1/500，因此橇座位移量也滿足鋼結構剛度要求。證明橇座選型及吊耳布置的合理性。