导管架平台裙装套筒结构吊装受力分析

杨玉良　石晓　张旭杰　张栋楠

摘 要：近年，各国在国际潮流的推动下纷纷调整自己的海洋发展战略，进项出台了有益于本国海洋权益的政策，试图在新一轮的国际海洋中占领先机。在这样的国际背景下我国也要增强海权意识，保护我国领海安全并对我国的海洋进行可持续的绿色发展。而海上的发展普遍以导管架平台为主。本课题以导管架平台的裙装套筒结构为对象，使用ANSYS有限元分析软件进行裙装套筒结构的吊装受力分析。根据ANSYS测试的数据计算得此裙装套筒在吊装时，其最大变形量为9.07mm，最大等效应力值为82.2MPa，结果符合规范要求。

关键词：裙装套筒;吊装;ANSYS

Analysis of hoisting force of jacket platform skirt sleeve structure

Yang Yuliang Shi Xiao Zhang Xujie Zhang Dongnan

Qingdao Huanghai College ShandongQingdao 266427

Abstract：In recent years，driven by international trends，countries have adjusted their marine development strategies，introduced policies beneficial to their marine rights and interests，and attempted to take the lead in the new round of international oceans.In such an international context，China should also enhance the awareness of maritime rights，protect the safety of our territorial waters and develop our oceans in a sustainable and green way.The development of offshore platforms is generally based on jacket platforms.In this paper，the jacket platform skirt pile sleeve structure as the object of study，using ANSYS finite element analysis software skirt pile sleeve structure hoisting force analysis.According to the data measured by ANSYS，the maximum deformation and equivalent stress of the skirt pile sleeve are 9.07 mm and 82.2 MPa，The results meet the standard requirements.

Key words：skirt sleeve;hoisting;ANSYS

1 概述

建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分。党的十八大作出了建设海洋强国的重要部署。实施这一重大部署，对推动经济健康发展。对维护国家主权、安全、发展利益，对实现全面建成小康社会目标、进而实现中华名族伟大复兴都具有重大而深远的意义。而发展海洋事业的重要组成部分是构建海洋导管架平台。导管架平台的生产使用离不开吊装安装。吊装是海洋工程施工中的重要一步，大部分的海洋石油平台最终就位需要浮吊在海上实施吊装作业来完成。吊装便是一种对于配置就位的一种专用名词。吊装寻常还须要吊具（或称吊索具）配合使用，吊具是由专门生产厂家制造的。导管架平台的吊装对整个工程而言节约了材料用量，降低了使用成本，提高了生产效率。[1]吊点成本相对于主体结构是比较低的，只在吊装过程中作为辅助结构使用，但以往海洋平台建造事故中，有大量是由于错误的吊点设计造成的，因此吊点设计的好坏关乎吊装的安全性。那么吊装分析就成为确保吊装作业安全可靠的基础，保证被吊装结构、吊装索具及施工船舶的安全。[2]

本课题以裙装套筒的吊装为例对导管架平台的吊装进行分析。

2 裙装套筒的构成

2.1 裙装套筒结构

裙装套筒结构如图1所示，由以下几部分组成：

（1）剪力板、轭状作用板、裙板：特定作用及特定位置上的钢板。

（2）裙装套筒导向：为钢装进入裙装套筒作导向作用。

（3）卡装器：其作用是紧固钢装。主要是在海上打装过程中，遇到强风时启动卡装器液压顶紧锁钢装，保持导管架在海中的稳定性，以及打装后利用卡装器的锁装效用，保持导管架稳定的立于海中。

（4）封隔器：位于各裙装套筒的底部，包括外部胶皮和紧贴套筒内壁的气囊组成，两者都是为紧固钢装及防止所灌的浆体流出之用，气囊在钢装打入裙装后，在导管架顶部通过管线将气体（氮气）充入囊内，气囊涨满并包紧钢装，达到上述目的。[3]

2.2 裙装套筒重量分布

结构总重为：主结构重量、阳极重量、吊点重量及脚手架重量之和乘以1.05倍的重量不确定系数。具体重量分布如下表所示。

3 裙裝套筒结构吊装的有限元分析

3.1 裙装套筒结构模型的建立

导管架平台的裙装套筒结构的的吊装计算分析过程主要包含以下三个步骤：

（1）建立裙装套筒有限元模型：裙装套筒的主结构模型采用两种单元建立，导管、套筒、YOKE板等采用PIPE59、SHELL181单元，其中忽略了次要构件如圆钢、肘板、吊绳等。[4]利用ANSYS软件建立裙装套筒结构的几何模型，定义材料属性和截面参数，完成划分网格，建立结构的有限元模型，如图2所示。

（2）应用荷载和求解：根据场地约束条件的具体情况和模型荷载，模拟实际施工情况。

在完成模型建立跟网格划分之后，需要对该模型进行静力分析，在进行静力分析时，可以简化为裙装套筒模型在自重情况下产生变形，然后分析其强度和稳定性。在施加约束时，吊点处节点施加XYZ全约束。X方向重心处节点约束UX自由度，Z方向重心处节点约束UZ自由度。

（3）查看结果：根据结果文件视图进行求解，并分析是否符合实际需求的分析模型。

对裙装套筒模型施加约束和载荷后，利用ANSYS程序对其进行求解，从结果文件中就可以得到该结构变形和应力云图，从而可以判断裙装套筒在吊装过程中是否满足强度和稳定性要求。

3.2 数据分析

（1）裙装套筒六吊点吊装分析：

套筒的屈服强度为σS=355MPa，故结构的许用应力为[σ]=355×0.6=213MPa，由图3可以读出裙装套筒在吊装过程中最大等效应力为82.2MPa。

由图4可以看出结构变形最大处位于导管上两个吊点的中间位置，最大变形值为9.07mm，符合变形要求。

（2）裙装套筒四吊点吊装分析：

从图5可以得出裙装套筒在采用四个吊点吊装时的最大等效应力为52.0MPa<213MPa，故当采用四个吊点吊装时结构强度满足要求。

从图6可以看出四个吊点吊装时的最大变形发生在两个吊点的中间位置，其最大变形值为8.31mm，符合变形要求。

经过分析可以得出，在使用六个吊点吊装时，裙装套筒模型的最大等效应力为82.2MPa，小于结构许用应力213MPa，满足强度要求，最大变形为9.07mm，符合变形要求;而当使用四个吊点吊装时，其最大等效应力52.0MPa，大于结构的许用应力，满足强度要求，最大变形为8.31mm，符合变形要求。因此，在该裙装套筒的吊装工作中，可以采用六个吊点进行吊装作业也可以采用四个吊点吊装。

4 总结

在海洋平台的吊装过程中，要根据实际的施工与工作环境情况进行具体分析，选择适宜的吊装设备及配套设备，还要注意人员的人身安全与工作安全，尽量避免发生吊装事故。工作人员在上岗前要进行安全培训，定期研修学习等，这样才能保证吊装的质量。而且导管架平台是典型的传统式平台，但是在未来的拓展海洋工业上仍然有着巨大的作用。它在浅海区域的平台中凭借着稳定的支承能力和良好的经济性很受欢迎。

参考文献：

[1]赵子坤，卫旭敏.基于ANSYS的优化设计方法在GORGON项目管线吊装中的应用[J].钢结构，2012，56（S1）：145-148.

[2]娄敏.海洋工程施工与安全[M].青岛：中国石油大学出版社，2016：24-26.

[3]刘天良，施纪泽.封隔器封隔时胶皮筒接触应力的模拟试验研究[J].断块油气田，2000，32（4）：51-52.

[4]王庆五，左昉，胡仁喜.ANSYS10.0机械设计高级应用實例（第2版）[M].机械工业出版社，2006：6-8.

资助项目：青岛黄海学院国家级创新训练项目——近海导管架平台的吊装设计（201813320019）

作者简介：杨玉良（1998-），男，本科，青岛黄海学院智能制造工程学院。