鱼骨型联钩撑杆的设计与应用研究

刘 超，李雪松，王继强，孟维超

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

撑杆作为一种吊装辅助设备，一方面可以避免索具与被吊物之间的干涉，另一方面可以避免被吊物受轴向力作用，因此在一些吊装变形和干涉较多的结构物吊装过程中，撑杆得到了广泛应用。在海洋工程施工中，撑杆又多了一种用途，即将起重机的多个钩头或浮吊船的两个或多个钩头关联使用，进而提高作业平台的吊装能力。

1 鱼骨型联钩撑杆设计思路

1.1 项目简介

巴西FPSOP67/P70项目是海洋石油工程股份有限公司首次承接30万吨级FPSO的EPCI项目。火炬塔作为FPSO模块集成施工中吊高最大的结构物，长82.5 m，质量约190 t，其就位底座位于水面以上31.1 m，再加上火炬塔扶正过程中所用撑杆挂扣的高度，总吊高约125 m。火炬塔顶部结构及撑杆挂扣布置见图1。

图1 火炬塔吊装布置示意

1.2 撑杆设计理念

使用浮吊进行火炬塔吊装时，只能使用吊高最高的副钩，但副钩的起重能力比主钩低很多，被吊物最大质量不能超过200 t，如果被吊物超重，一般情况下需要对被吊物减重或更换更大的浮吊。火炬塔结构本身简单，无法实现减重；而只为完成火炬塔吊装再动员另一艘浮吊，又不够经济。结合浮吊多钩的特性，如果将双副钩加以利用，双钩联动吊装，既满足吊重的要求，又满足吊高的要求。为此，联钩撑杆初步设计为“十字”形，双钩间距24 m。

1.3 撑杆特性

不仅火炬塔吊装需要撑杆，项目中还有一些窄长形结构物也需要撑杆进行吊装；因此在设计过程中，将多个散件的吊装撑杆整合在火炬塔联钩撑杆中，丰富了联钩撑杆的功能。如图2所示，火炬塔联钩撑杆中新增5对“翅膀”和若干挂扣档位，外形为鱼骨型吊装撑杆。

图2 鱼骨型吊装撑杆设计

2 计算分析

2.1 撑杆计算模型与受力情况（见图3、图4）

图3 撑杆受力情况

撑杆设计时，首先明确鱼骨型联钩撑杆的使用要求。从撑杆横截面（见图4）上看，撑杆属于支点在中间的杠杆，在撑杆的使用过程中，需要保持撑杆两侧的力臂平衡。因此，撑杆两侧多设置挂扣档位，一方面可以满足多个被吊物的挂扣需求，另一方面可以在实际吊重与设计吊重存在误差时，进行档位微调，保证力臂平衡。

撑杆主要受力为竖直向上的P1和P2，竖直向下的 T1、T2、T3、T4和重力 G，受力计算公式为：

图4 撑杆横截面

鱼骨型联钩撑杆初步设计用来吊装火炬塔、管廊、卸货平台、设备模块等大小25座结构物，被吊物起吊分析结果见表1。为了简化撑杆计算模型，不用重复计算每个档位T1～T4的情况，转而以最大力臂为代表进行计算。P1和P2以浮吊200 t、副钩最大的能力1 960 kN计算设计强度。

表1 被吊物起吊分析结果

2.2 吊点校核

为简化挂扣过程，撑杆绝大多数部位采用吊柱形式，仅在上部挂钩头位置设计2个200 t吊点和下部与火炬塔顶部挂扣1个200 t吊点。

根据DNV规范要求，吊装分析需要考虑Consequence factors（结果系数），吊点以及支持吊点的主要结构和吊装设备（吊装框架/撑杆）的Consequence factors值为 1.3。根据 HMC规范要求，当钢板的 σs/σb＞0.7 时，σs′应取 0.41 （σs+σb），其中：σs为屈服应力，σb为抗拉应力。制作撑杆的材料均为Q345B高强度钢板，其σs=325 MPa，σb=470 MPa，则 σs/σb=0.69 （＜0.7）。吊点详图及计算参数如图5所示。

图5 吊点详图及计算参数

设计载荷 Ts=200×9.8×1.3=2 548 （kN）（Ts竖直向上）；规范要求面外力加强板2与加强板4相同，合并计算。

主要参数定义为：σ⋆allow为许用应力；A⋆为受力截面积；f⋆为实际应力值；UC⋆为UC（Unity Check）值。（以上参数的下标⋆取不同字母时代表不同含义：p表示压应力，t表示拉应力，s表示剪切应力）

2.2.1 压应力

σpallow=0.9 min （σsmp，σs） =292.5 （MPa）

Ap= （tmp+2·tcp1+2·tcp2）·dp=19 080 （mm2）（dp为卡环销轴直径=120 mm）

fp=Ts/Ap=133.63 （MPa）

UCp=fp/σpallow=0.46 ＜1，满足规范要求。

2.2.2 拉应力

σtallow=0.6 min （σsmp， σs） =195 （MPa）

At= （2·rmp-dh）·tmp+2·（2·rcp1-dh）·tcp1+2·（2·rcp2-dh）·tcp2=38 034 （mm2）

ft=Ts/At=51.57 （MPa）

UCt=ft/σtallow=0.26 ＜1，满足规范要求。

2.2.3 剪切应力（截面定义参见图5）

（1） α-α截面：

σαallow=0.4 min （σsmp，σs） =130 （MPa）

Aα= （2·rmp-dh）·tmp+2·（2·rcp1-dh）·tcp1+2·（2·rcp2-dh）·tcp2=38 034 （mm2）

fα=Ts/Aα=67.04 （MPa）

UCα=fα/σαallow=0.52 ＜1，满足规范要求。

（2） α′-α′截面：

（3） β-β 截面：

UCβ=fβ/σβallow=0.46 ＜1，满足规范要求 。

（4） γ-γ截面：

（5）面外力：

面外力应力：σoallow=0.6·min （σsmp，σs）=195 （MPa）

面外力弯矩： Mo=Tx·H=39.23 （kN·m）（H为卡环弓高=400 mm）

截面惯性矩：

截面面积矩：

UCo=fo/σoallow=0.21 ＜1，满足规范要求。

2.3 局部有限元分析

为了简化模型，建模时只模拟撑杆受力最大点附近的结构，选取的典型计算位置如图6所示，选取位置设计载荷如表2所示。模型中所有的钢板都模拟为Shell 181单元，该单元为软件ANSYS中模拟海洋结构物中通用的4节点结构元素，具有线性特征和弹性特征。

图6 典型计算位置

表2 选取位置设计载荷

虽然撑杆设计时，选取钢材屈服强度均为345 MPa，但根据规范要求，不同壁厚的钢板在计算时选取的基础许用应力值也不同。使用Von Mises等效应力法计算撑杆强度时，许用应力最终结果应再考虑0.7的系数（见表3）。3个位置的Von Mises应力分布见表4和图7。

表3 不同壁厚计算许用应力值

表4 Von Mises应力结果

根据Von Mises等效应力结果，撑杆结构最大应力出现在位置1，最大值为226.03 MPa，该应力小于许用应力（227.5 MPa），因此，撑杆强度满足规范要求。

图7 3个位置的Von Mises应力分布

3 实际应用

在巴西FPSO项目中，采用鱼骨型联钩撑杆共完成管廊等小型结构物吊装24次、火炬塔吊装1次。该撑杆具有结构强度高、档位设置合理、更换索具便捷、占用空间小等诸多优点。

4 结束语

在FPSO模块集成施工中，需要吊装的散件和小型结构物很多。随着FPSO的规模越来越大，很多散件的质量也在与日俱增，当现有浮吊的能力不足时，更换更大的浮吊虽然可行，但成本亦显著增加。简单的联钩撑杆的设计应用，可以将浮吊的多钩优势发挥至更高水平，也可以在不更换浮吊的情况下加大浮吊的作业能力，结合被吊物的特性，把联钩撑杆的功能进一步扩大至吊装全部的散件。随着撑杆设计概念的不断发展，鱼骨型联钩撑杆在海洋工程施工的应用范围将进一步扩大。

[1]刘超，贺辰，王继强，等.多功能火炬塔吊装撑杆：ZL 2016 2 1081350.6[P].（2017-05-31）.

[2]DNV OS H205-2014，Offshore Standard，Lifting Operations[S].

[3]HMCSC29-2006，Criteria for Lift Point Design[S].⇙

[4]惠丹，王进.海上平台吊装撑杆的设计[J].石油和化工设备，2014，17（4）：29-32.

[5]王世斌，亢一澜，王燕群，等.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6]SAEED MOAVENI.FiniteElementAnalysis：Theoryand Applications with ANSYS[M].New Jersey：Prentice Hall，1999：269-272.