張 平

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266555）

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）單點系泊系統(tǒng)近年來廣泛應(yīng)用于近海油田開發(fā)，是近海油田“井口平臺+生產(chǎn)儲油輪（FPSO）+單點系泊系統(tǒng)”采油方式中的主要構(gòu)成之一[1]。其中，鑄件平臺分段由多個高度不一的立管段和環(huán)形板材及圈梁構(gòu)成。由于復(fù)雜的空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在預(yù)制時需要反造預(yù)制，總裝時需要進行180°翻轉(zhuǎn)就位。在此過程中，應(yīng)力集中點和結(jié)構(gòu)強度在動態(tài)變化，利用ANSYS軟件可以有效分析翻身過程中鑄件平臺產(chǎn)生的應(yīng)力集中和變形變化，為單點系泊系統(tǒng)的安裝作業(yè)提供合理的可行性建議。

1 質(zhì)量控制

1.1 分段信息

以某FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)為例，它的鑄件平臺分段采用反造的方式在車間預(yù)制，使用2臺400 t履帶吊（1#、2#）將分段翻身并與錨鏈盤總段合攏。本文分析鑄件平臺的吊裝過程[2]，鑄件內(nèi)平臺分段總體信息參見表1，其中質(zhì)量數(shù)據(jù)根據(jù)最新圖紙建立的TEKLA模型導出獲得。

表1 鑄件內(nèi)平臺分段（L3 block）總體信息

1.2 吊點布置

根據(jù)TEKLA模型提供的重心位置，在鑄件平臺正反兩面上共布置9處55 t吊點，其中1#～3#吊點為車間平吊時的吊點，4#～9#為在場地翻身就位時所用的吊點。與吊點相連接的基板或者腹板，需要在吊點安裝前進行夾層檢驗[3]。鑄件內(nèi)平臺分段（L3分段）重心位置及吊點1#～9#布置詳圖如圖1所示。

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

有限元計算分析使用ANSYS軟件。該軟件為ANSYS公司研制的大型結(jié)構(gòu)仿真有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）軟件，適用于包括線性、非線性、動力學、流體動力學和顯式研究在內(nèi)的結(jié)構(gòu)分析，在海洋鋼結(jié)構(gòu)工程和各類力學領(lǐng)域均有廣泛和深入的應(yīng)用[4]。使用ANSYS軟件對鑄件平臺建模，模型采用SOLID實體單元。網(wǎng)格劃分區(qū)域為所有實體，單元形狀選擇為六面體（Hex），結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)。所有網(wǎng)格的平均大小為50 mm，有限元分析中使用的單位為mm·N-1·s-1。FEA模型如圖2所示。

由于鑄件平臺空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在使用ANSYS分析時，對鑄件平臺分段（L3）模型進行了簡化。模型中所有的非應(yīng)力集中區(qū)域倒角與圓角均被刪除，所有的鋼絲繩在模型中均被簡化為直徑50 mm的細桿[5]。

2.2 工況設(shè)定

工況參見表2。其中：W1工況為結(jié)構(gòu)凈質(zhì)量；W為TEKLA軟件中的鑄件平臺分段質(zhì)量；W2工況為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；Coe2為質(zhì)量不確定系數(shù)，由于吊裝時可能附加的額外質(zhì)量，根據(jù)一般原則[6]，取1.05；W3工況為在W2工況基礎(chǔ)之上加上鑄件平臺分段在吊裝過程中由于風力或其他因素導致晃動所產(chǎn)生的載荷，所以要考慮吊裝動態(tài)放大系數(shù)；動態(tài)放大系數(shù)Coe3取1.1。

表2 工況說明

采用有限元分析計算的目的是分析鑄件平臺分段吊裝翻身時最危險工況下的結(jié)構(gòu)強度和應(yīng)力。因此，在計算分析時，需要使用加強重力加速度在ANSYS模型中模擬W3工況，最終的加強重力加速度為：

將相關(guān)數(shù)值帶入式（1），最后可獲得加強重力加速度為11 319 mm·s-2。需要說明的是，在ANSYS模型中4#～9#吊點節(jié)點全部采用fix約束[7]。

2.3 分析結(jié)果

翻身階段0°吊裝強度結(jié)果如圖3所示。可以看出，分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力117 MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），最大應(yīng)變?yōu)?.2 mm，滿足要求。

翻身階段45°吊裝強度結(jié)果如圖4所示。分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力81 MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），應(yīng)變?yōu)?.6 mm，滿足要求。

翻身階段90°吊裝強度結(jié)果如圖5所示。分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力114 MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），應(yīng)變?yōu)?.6 mm，滿足要求。

翻身階段135°吊裝強度結(jié)果如圖6所示。分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力154MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），應(yīng)變?yōu)?.7 mm，滿足要求。

翻身階段180°吊裝強度結(jié)果如圖7所示。分段結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力115 MPa＜284 MPa（計算過程0.8×Fy=0.8×355），應(yīng)變?yōu)?.4 mm，滿足要求。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)有限元應(yīng)力計算結(jié)果可以得到：整個吊裝翻身過程中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況為135°時6#吊點附近的環(huán)板上，大小為154 MPa；最大位移出現(xiàn)在工況180°時6#吊點附近，大小為4.4 mm。在整個吊裝從0°翻身到180°的過程中，結(jié)構(gòu)強度滿足要求，結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力主要出現(xiàn)在6#吊點附近。

（2）對于應(yīng)力、應(yīng)變集中的6#吊點附件區(qū)域，由于板材厚度較薄，有必要進行臨時加強，對6#吊點進行一定的改造或者對其下部的環(huán)板安裝臨時加強結(jié)構(gòu)件，減小該處的應(yīng)力集中。

（3）鑄件平臺分段內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種梁、管和板材縱橫交錯，在分段施工時應(yīng)充分考慮與單點系泊系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)的安裝就位問題，合理對部分超長結(jié)構(gòu)分段，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)影響吊裝作業(yè)的情況。

（4）鑄件平臺分段由于結(jié)構(gòu)的獨特性，合理布置吊點將會事半功倍。