泥浆模块安装方案设计

李彦丽，刘静辰，徐德刚，安振武，张晓频，李 明

(中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452)

泥浆模块安装方案设计

李彦丽，刘静辰，徐德刚，安振武，张晓频，李 明

(中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452)

介绍了泥浆模块的工程设计概况，综合考虑模块、平台组块吊装重量、浮吊能力、工程费用等方面，采用泥浆模块与平台组块整体吊装方案，并采用辅助吊装框架结构，避免干涉情况。应用SACS和 ANSYS软件对平台组块和泥浆模块整体吊装、吊点结构、辅助吊装框架结构进行了有限元分析，结果表明，吊装构造能够满足整体吊装作业要求。对应注意问题进行了说明，总结了采用海上整体吊装工程项目的主要特点，为以后工程项目海上吊装方案选择提供参考。

上部模块 海洋平台 安装 整体吊装 ANSYS SACS

1 项目概况

本文所述项目油气田是我国在东海发现的第一个以天然气为主的复合型油气田，位于上海市东南大约400,m的东海海域，水深范围为88～90,m。油气田已建 DPP平台是带有生活模块和钻机的自身可钻井、采油和油气处理的综合平台，于1999年投产。为进一步对油气田进行开发，使其具备进行7,000,m高压大位移钻井能力，将综合平台(DPP)升级改造，并新建一座 4腿导管架平台：辅助平台(SDPP)。新建SDPP平台通过栈桥与DPP平台连接，不设油气处理系统，设有3个井槽，共两层甲板。SDPP泥浆模块和P-TANK模块布置于其平台顶层甲板上(见图 1)，为DPP平台钻井提供支持。

图1 DPP和SDPP平台整体布置Fig.1 Overall plan of a DPP & SDPP platform

2 安装方案

SDPP泥浆模块在青岛场地建造，建造完成后，使用履带吊吊装至SDPP平台组块顶层甲板，与组块一起整体吊装装船出海，经海洋石油225拖航运输至海上安装，由“华天龙”4,000,t起重船进行海上吊装作业，整体吊装质量约 2,513,t，其中泥浆模块总体吊装重量约 980,t，泥浆模块与组块整体海上吊装安装设计方案主要技术参数如表1所示。

表1 整体海上吊装方案主要技术参数Tab.1 Main parameters of integral lifting

泥浆模块安装方案特点：①由于浮吊资源紧缺，泥浆模块在建造场地吊装至组块顶层甲板采用陆地履带吊，但又受到吊机能力限制，因此分成 3块进行建造，分别为：泥浆泵模块、泥浆池模块、工作间模块。其中泥浆泵模块吊装质量最大，约 486,t。②泥浆模块与组块整体进行海上安装，减少了海上吊装次数，降低了施工费用。③整体吊装采用单吊钩 4个吊点进行吊装作业，两个吊耳在泥浆模块上，两个在组块顶层甲板，为避免吊索与模块或大型设备碰撞，需采用辅助吊装框架进行海上吊装。④整体海上吊装的吊绳绳力较大，不含动力放大系数接近 1,000,t，吊点结构为耳轴式吊耳。⑤新建 SDPP平台与已建 DPP平台距离很近，安装完成后两平台通过双层栈桥连接，海上吊装时应避免与DPP平台结构、吊机臂等构造的碰撞。

“华天龙”号起重船海上吊装作业时，波浪激起的船体运动带动起重机吊臂和吊物摆动而产生附加动力荷载，会影响吊装作业安全，因此需要对波浪环境下吊物运动和吊索附加动力荷载进行定性定量分析，保证海上吊装作业安全。[1-2]

采用Bently有限元分析软件SACS对整体吊装进行模拟分析，吊装分析模型如图 2所示。泥浆模块整体吊装设计对吊点及直接与吊点连接的结构件设计考虑2.0的动力荷载系数，对其他传递提升力的结构件设计考虑1.35的动力荷载系数。[3]

图2 整体吊装模型Fig.2 Model of integral lifting

3 吊装构造分析

泥浆模块与组块整体吊装的两个吊点位于泥浆模块顶层甲板，另外两个吊点位置在生根于组块甲板的立柱上，立柱顶端与泥浆模块顶层甲板高度一致，设置辅助吊装框架，如图 2所示。辅助吊装框架弦杆选择直径 762圆管，撑杆直径 610圆管，材质为GB,712—2011,DH36的高强度钢。吊点结构为耳轴式吊点，贯通主板及吊柱圆管采用 GB 712—2011 DH36-Z35高强度钢板，其他材料为 GB 712—2011 DH36无Z向性能要求的高强度钢板，4个吊点结构质量约58.7,t，辅助吊装框架质量(包含从组块生根的圆管立柱)约85,t，吊耳局部构造形式如图3所示。

图3 耳轴式吊耳Fig.3 Lifting trunnion

3.1 吊点结构设计

为合理评估吊点的结构安全性，应用ANSYS软件对吊点结构进行有限元分析，分析中注意以下问题：[4]①模型简化。吊点结构包括钢管、钢板和组合H型钢等，建模时可分别建立各个元素，然后再联系在一起。焊缝和倒角等局部构造仅对局部结构有影响，在宏观分析中予以忽略。②网格划分。网格划分尽量使用四边形单元，对于特别关注的区域应划分为较细密的网格，同时应注意单元各边的边长相差不应太大，否则会影响计算精度或造成结果不收敛。网格划分尽量手动控制，使用 Mesh功能中的 Mapped mesh主动控制网格大小，得到满意的计算结果。③荷载、边界条件简化。吊点结构是以泥浆模块和组块为整体的一个局部构造，与其相连的结构对它的约束即为荷载及边界条件。简化载荷及边界条件时可应用 SACS软件对模块、平台组块做整体吊装分析，从中提出所取局部结构边界上的解，作为边界条件施加到ANSYS模型，也可以通过适当选取与吊点相连结构的长度简化边界条件，但简化边界不能对特别关注区域的结果产生显著影响，检验方法为检查 ANSYS等效应力云图，如边界处应力没有扩散到特点关注的区域，即可认为边界条件是合理的。

整体吊装吊点 ANSYS有限元分析模型采用SOLID45实体单元，模型主要包括主腿立柱、耳轴圆管、甲板支撑主梁、吊装框架支撑等。由等效应力云图(见图 4)可以发现，吊点结构总体上应力比较均衡，最大等效应力为 257.1,MPa，位于主立柱与耳轴连接处且范围较小，最大等效应力小于需用应力(284,MPa＝0.8×355)，主贯通板的冗余度较大。

3.2 辅助吊装框架设计

整体吊装辅助吊装框架为桁架杆系结构，其有限元强度分析采用SACS软件，建立整体吊装模型如图5所示，显示局部辅助吊装框架模型如图 6所示。

图4 整体吊装吊点结构等效应力云图Fig.4 Von-mises stress for lifting trunnion

图5 整体吊装SACS模型Fig.5 SACS model of integral lifting

图6 辅助吊装框架局部模型Fig.6 Model of lifting spreader

分析中应注意的问题：①边界设置。吊钩处边界约束为刚固，吊绳进行约束释放，组块基座位置设置弹簧约束，保证吊装结构计算的收敛性。②泥浆模块、平台组块荷载均进行合理模拟。③考虑吊装2.0倍动力荷载系数，考虑重心位置±0.5,m偏心弯矩的影响。④吊索与水平面夹角大于 60,°。⑤吊装框架杆件应进行有效长度修正。

通过计算结果分析，最大的杆件名义应力比为0.66，满足结构强度要求，详细应力分析如表2所示。

表2 辅助框架杆件应力分析表Tab.2 Stresses of the lifting spreader

4 结 语

海洋平台和上部模块诸如生活楼、模块钻机、灰罐模块等分属不同总包、建造，一般分别单独进行海上吊装就位，上述项目通过综合分析采用整体吊装，特点包括：①将平台与各上部模块整体安装，海上安装起吊次数减少为 1次，缩短了海上作业时间，降低了工程费用。②整体吊装高度尺寸增大，对作业起重船性能有更高要求，并应注意避免吊索与重要设备、结构件的碰撞，必要情况下采用辅助吊装框架、辅助吊杆等设施保证海上吊装安全完成。③整体吊装重量大，为保证吊装工况下的平台组块及各上部模块结构强度满足要求，组块和上部模块的结构用钢量将增加。④整体吊装工程项目管理界面复杂，需协调安排平台组块设计方、建造方、安装方，各模块具备设计方、建造方、安装方的界面接口，保证各方设计和施工方案的可实施性，并注意各方施工时间统筹布置，避免影响投产工期。

通过应用 SACS、ANSYS软件对海上平台与上部模块整体吊装的吊装构造分析可知，位移和应力的分布与预期相符，分析结果合理可靠，为海上吊装方案的确定提供了可靠的依据。整体吊装设计保证了华天龙号起重船海上吊装作业的安全，为海上吊装作业的顺利进行提供了理论依据。

［1］ 顾永宁，胡志强，谢彬，等. 大型起重船波浪诱导吊索附加动力荷载研究[J]. 中国海上油气，2005， 17(3)：197-202.

［2］ 王宁，徐田甜. XJ23-1油田平台模块海上吊装优化设计[J]. 石油矿场机械，2007，36(8)：26-30.

［3］ 中国船级社. 海上固定平台入级与建造规范[S]. 北京：人民交通出版社，1992.

［4］ 张建勇，徐田甜，王宁，等. 番禺30-1气田钻机DES模块吊装强度分析[J]. 石油工程建设，2007，33(3)：46-49.

Design of a Mud-module Installation Plan

LI Yanli，LIU Jingchen，XU Degang，AN Zhenwu，ZHANG Xiaopin，LI Ming
(CNOOC Ener-Tech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

This paper introduces an engineering design of a mud-module project．Integral lifting was adopted in this project，considering weight of mud module，upper deck and engineering cost．Lifting frame was used to avoid conflicts．SACS and ANSYS software were applied to analyze the integral lifting，lifting pad eyes and lifting frame．Analysis results indicate that the above mentioned lifting structures can meet the requirements of integral lifting．Some note-worthy problems in the analysis were pointed out and some integral lifting characteristics were summed up，which will offer references for lifting plan selecting in other similar projects.

upper module；offshore platform；installation；integral lifting；ANSYS；SACS

P751

A

1006-8945(2016)01-0030-03

2016-01-02