某自升式平台管线栈桥强度评估

张　亮

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司， 天津 300452)



某自升式平台管线栈桥强度评估

张亮

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司， 天津 300452)

由于海洋环境对钢结构的设备影响较大，因此需要定期对钢结构类的设备进行检测及强度评估。通过对某自升式钻井平台的管线栈桥进行检测及结构强度分析，利用ANSYS软件建模并计算重要构件及整体的应力分析，以此来验证该管线栈桥使用的可靠性。

自升式平台管线栈桥应力分析强度评估

0　引言

某自升式钻井平台通过管线栈桥与固定平台之间互通油、气、水、电，结构模型如图1、图2所示。该管线栈桥上载有240 mm2的主输电电缆18根，其它通信广播电缆若干根，以及输送液体无缝钢管φ89×5.5 mm两根、φ60×4 mm三根。为了管线连接机维修方便，栈桥上设有供两人行走的通道。栈桥总长14.5 m，旋转角度为180°，总体外观为悬臂式，并可绕立式主轴水平旋转。栈桥主体为框架式，通过多条螺栓与立式主轴连接，在栈桥上部与主轴顶部之间用一根钢丝绳相连。栈桥的旋转动能是靠机械传动与液压马达来实现，在拖航状态下，栈桥紧靠生活区后部，在自由端设有支撑平台，栈桥通过张紧装置和羊角螺栓固定，以保证拖航状态下的稳定性。

图1　栈桥90°方向

图2　栈桥180°方向

该栈桥于2006年安装，鉴于使用年限较长，故有必要对栈桥重要构件及整体进行安全评估。评估内容包括栈桥主体、传动及转动装置的强度。

1　栈桥结构强度评估

1.1载荷施加

人员质量200 kg，集中加在端部。

均布重量1 735 N/m，电缆质量1.5 t，液管直径89×8 mm两根，60×6 mm三根，液体按水计。

要求在10级风的条件下，栈桥能够正常使用，计算如下[1]：

10级风速V=28.5 m/s，风压P=0.613×10-3V2kPa=812.55 Pa,风载荷F=ChCsSP=9 507 N。

上式中：P为风压；S为平台在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积；Ch为受风构件的高度系数，其值可根据构件高度取1.1；Cs为受风构件形状系数，取1.5。

1.2计算结果

1.2.1栈桥在90°方向，无风环境下

根据CCS规范要求[2]，静载工况下，用Von mises 应力进行校核。栈桥整体许用应力为屈服极限164 MPa，实际应力为159 MPa，小于许用应力，满足规范要求(见图3)。对板单元进行应力分析(见图4)，许用应力为164 MPa，实际应力为58 MPa，小于许用应力，满足规范要求。对梁单元进行应力分析(见图5), 许用应力[3]为164 MPa，实际应力为159 MPa，小于许用应力，满足规范要求。

图3　90°方向，无风环境下栈桥整体应力图

图4　90°方向，无风环境下板单元应力图

图5　90°方向，无风环境下梁单元应力图

1.2.2栈桥在90°方向，有风环境下

根据CCS规范，组合工况下，用Von mises 应力[5]进行校核。栈桥整体许用应力为屈服极限[4]211 MPa，实际应力为181 MPa，小于许用应力，满足规范要求(见图6)。对板单元进行应力分析(见图7)，许用应力为211 MPa，实际应力为61 MPa，小于许用应力，满足规范要求。对梁单元进行应力分析[6](见图8), 许用应力为211 MPa，实际应力为181 MPa，小于许用应力，满足规范要求。

图6　90°方向，有风环境下栈桥整体应力图

图7　90°方向，有风环境下板单元应力图

图8　90°方向，有风环境下梁单元应力图

1.2.3栈桥在180°方向，无风环境下

根据CCS规范，静载工况下，用Von mises[7]应力进行校核。栈桥整体许用应力为屈服极限164 MPa，实际应力为62 MPa，小于许用应力，满足规范要求(见图9)。对板单元进行应力分析(见图10)，许用应力为164 MPa，实际应力为55 MPa，小于许用应力，满足规范要求。对梁单元进行应力分析(见图11), 许用应力为164 MPa，实际应力为162 MPa，小于许用应力，满足规范要求。

图9　180°方向，无风环境下栈桥整体应力图

图10　180°方向，无风环境下板单元应力图

图11　180°方向，无风环境下梁单元应力图

1.2.4栈桥在180°方向，有风环境下

根据CCS规范，组合工况下，用Von mises 应力进行校核。栈桥整体许用应力为屈服极限211 MPa，实际应力为193 MPa，小于许用应力，满足规范要求(见图12)。对板单元进行应力分析(见图13)，许用应力为211 MPa，实际应力为56 MPa，小于许用应力，满足规范要求。对梁单元进行应力分析(见图14), 许用应力为211 MPa，实际应力为193 MPa，小于许用应力，满足规范要求。

图12　180°方向，有风环境下栈桥整体应力图

图13　180°方向，有风环境下板单元应力图

图14　180°方向，有风环境下梁单元应力图

2　栈桥重要构件强度评估

2.1液压传动装置扭矩计算

2.1.1作用在栈桥构架上的风载荷计算：

F风=KKZP0A=2 162.2N

式中：K 为风载形状系数取0.5；KZ为海上风压高度变化系数取1.18；基本风压P0=0.613VT2=179.34 Pa(VT按7级风取17.1 m/s)；A为受风面积计算得出20.45 m2。

2.1.2主轴转动扭矩

式中：L为栈桥构架总长度14.5 m；f磨=(N1+N2+G)·f=1 226 N，其中N1=N2=124 463 N(计算值见2.1.3中栈桥整体受力分析)；G为栈桥及电缆、管线总重量40 000 N；f为滚动轴承摩擦系数取0.004；R为主轴半径0.1365 m；惯性阻力矩[8]Tg= JGi·n/9.55/t=735 N·m；栈桥绕回转中心的转动惯量JGi=4·(G/10)·(L2/4)/30=28 033 kg·m2；栈桥回转速度按最大速度n=1 r/min；t为栈桥起动时间取4 s。

2.1.3栈桥整体受力分析

由图15可见N3=G=40 000 N； N1= N2，以N3为研究点则有：G·7.25= N1·2.33，则N1=N2=124 463 N。

图15　桥体受力分析

2.1.4验算液压传动装置扭矩

通过以上计算可知转动主轴所需的扭矩为16 411 N·m。

转动主轴上的大齿轮齿数为Z1=96，液压传动装置上的小齿轮齿数为Z2=18。

扭矩为16 411·Z2/Z1/n=3 077 N·m(其中n为效率，取0.9)。

因此此液压传动装置满足传动要求(此装置型号为ZCM6000-K3，其额定扭矩为6 000 N·m)。

2.2齿轮强度计算

2.2.1齿面接触强度计算

根据设备说明书查得齿轮参数如表1所示。

表1　大小齿轮参数

节圆处的齿面接触最大，计算应力：σHma=ZEZHZσ{Ft/d1/b[(u+1)/u]kAKVKBKa}0.5=843.6 MPa。

式中：节点区域参数ZE取2.5；弹性系数ZH取189.8；重合度系数Zσ取0.83；额定圆周力为Ft=MT/d1=46 296 N；使用系数kA取1.25；动载荷系数KV取1；载荷分布系数KB取1.03；载荷分配系数Ka取1.4；u为传动比取5.33。

许用接触应力[σHF]=1 200，许用弯曲应力[σ]=490×0.6=294 MPa。

由以上计算得出：齿面最大接触应力σHma<[σHF]，所以接触应力满足要求。

2.2.2齿根弯曲强度计算

σF= FtkAKVKBKaYFaYσYβ=131MPa

式中：齿形系数YFa取2.7；重合度系数Yσ取0.83；螺旋角系数Yβ取1。

可见σF<[σ]，因此齿根弯曲强度满足要求。

2.3连接螺栓强度计算

2.3.1传动主轴与桥架结构之间的连接螺栓[9]

螺栓参数:材料为2Cr13,型号为M30×15(GB5782-86)共计16个，抗拉强度为800 MPa，屈服强度为640 MPa，拉伸许用应力[σ]=640×0.8=512 MPa。

由于采用的是高强度螺栓连接，因此螺栓只受拉力作用，螺栓的最大拉力为[10]

Nmax=M/2×0.741÷(0.0752+0.2662+0.4612+0.7412)=128 218N

式中：M=G·L/2=40 000×14.5/2=290 000 N·m。

所以最大拉应力为：σmax=Nmax/s=181.5 MPa，即σmax<[σ]，因此螺栓满足强度要求。

2.3.2传动主轴与大齿轮之间的连接螺栓

螺栓参数：材料为2Cr13,型号为M30×105(GB5782-86)共计12个，抗拉强度为800 MPa，屈服强度为640 MPa，拉伸许用应力[σ]=640×0.8=512 MPa。

螺栓所受的最大拉力为

Nmax=2KnT/n/r/f=185 278N

式中：Kn为预紧系数取1.2;T为12级风时栈桥产生的扭矩值56 973 N·m；n为螺栓个数12；r为连接法兰的外径0.41 m；f为连接面摩擦系数0.15。所以最大拉应力为

σmax=Nmax/s=262.2 MPa，即σmax<[σ]，因此螺栓满足强度要求。

3　结论

通过以上计算分析得出：该管线栈桥在90°方向，无风或者有风的环境下，以及在180°方向，无风或者有风的环境下，栈桥整体、板单元及梁单元的实际应力均小于许用应力；栈桥的传动装置、齿轮及螺栓均满足强度要求。综上所述，该栈桥若按照厂家标准进行定期大修，并且在保证整体及主要受力构件完好的情况下是可靠的。

[1]陈英俊，于希哲.风载荷计算[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[2]中国船级社.海上移动平台入级规范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[3]黄会荣.结构力学与钢结构[M].北京：国防工业出版社，2011.

[4]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学(第7版)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6]庄茁，张帆，岑松，等.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005.

[7]杨进，刘书杰，姜伟，等.ANSYS在海洋石油工程中的应用[M].北京：石油工业出版社，2010.

[8]赵淑红.材料力学[M].北京：化学工业出版社，2010.

[9]成大先.机械设计手册2(第5版)[M].北京：机械工业出版社，2008.

[10]熊峻江.疲劳断裂可靠性工程学[M].北京：国防工业出版社，2008.

Structural Strength Assessment for Pipeline Trestle of a Jack-up Platform

ZHANG Liang

(CNOOC EnterTech-Drilling & Production Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Due to large impact of marine environment on the steel structure of the equipment, regular testing and strength evaluation for the equipment of steel structure was needed. Pipeline trestle of a jack-up drilling platform was tested and structure strength was analyzed. Using ANSYS to model and calculating the stress of important components and whole structure, in order to verify the reliability of the Pipeline Trestle.

Jack-up platformPipeline trestleStress analysisStrengthAssessment

张亮(1986-)，男，工程师，从事海洋石油移动平台管理工作。

P75

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