海上平台大型储罐整体吊装的设计与应用

孙道青，边大勇，盛向明，李 沙，王智宇，邵升宇

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

某海上平台大型原油储罐需要进行陆地整体建造，海上整体安装。储罐属于环肋薄壁结构，罐壁板薄[1]，罐体易径向变形，整体吊装难度大；储罐罐底板面积大，吊装时也容易产生变形。储罐的设计按照国家标准执行[2]，但国家标准未给出针对储罐整体吊装及底板加强的论述，本文以实际项目为例，对储罐的吊耳和吊装框架进行优化设计，防止储罐罐壁径向变形；对罐底板的加强形式进行了分析，提出了合理的加强设计方案，规避了海上拆除加强附件的额外工作量，控制了储罐底板的变形，保证了项目的顺利实施。比对理论计算与实际数据，证明了设计成果的正确性，也表明本项目的优化设计方案能够满足大型储罐的吊装要求。

1 设计参数

原油储罐设计容量为2 000 m3，罐体的总体简图见图1，储罐为常压式，其设计参数见表1。

图1 储罐罐体总体简图

表1 储罐设计参数

2 设计要点

2.1 吊耳设计

储罐属于薄壁结构，整体吊装的生根点及吊耳的设计至关重要[3-5]。单个吊耳设计承载质量为30 t，按照化工设备吊耳及工程技术要求标准[6]，选取对应的30 t吊耳。通过分析认为，对于此种结构，虽然吊耳本身的强度能够满足要求，但罐体本身应力较大，不能满足要求，为此对吊耳进行了优化设计，增大了吊耳本体及吊耳垫板的尺寸，优化后的吊耳设计如图2所示。吊耳设计优化后，计算结果表明罐体本身及吊耳强度均满足了吊装要求。

图2 优化后30 t吊耳设计尺寸

2.2 吊装框架设计

为防止罐体的径向变形，本次吊装设计采用吊装框架[7]，吊装框架上部采用四根索具与浮吊吊钩连接，下部采用四根索具与罐体垂直连接，对吊装框架进行了结构计算，吊钩和框架模型的节点如图3所示。

图3 钩及框架模型节点

（1）载荷工况。考虑模拟吊装状态，对框架底部吊耳设置为垂向铰接点。吊钩节点0005设为铰接，根据施加的力为垂向力，则0011、0013、0015、0017节点平均载荷为298.68 kN。本工况按照API RP 2A规范选取动力放大系数1.35，则载荷为LCM1=1.35×（LC1+G），式中G为框架自重，LC1为罐体重量。

（2） 计算结果。本工况下程序输出的杆件UC值（应力比）如表2所示。

表2 吊装框架杆件UC值计算结果

从表2可以看出，吊装框架杆件的应力比值均小于1，因此框架强度满足设计要求。

2.3 罐底板加强设计

对于罐底板的加强提出了两种方案，方案一为罐底网状结构加强方式[8-11]，方案二为T型加强梁结构。以下对这两种方案进行分析和比对。

（1）网状结构加强形式（方案一）。此种加强方案是在罐体内部布置大量的网状结构，采用长的钢管作为主支撑连接罐底部和罐壁，利用短钢管连接罐底板和较长钢管，长钢管之间再连接在一起形成网状结构，从而达到加强整个罐底部的目的。网状结构加强形式如图4所示。

图4 罐底的网状结构加强形式

要完成上述加强工作，需要搭设大量脚手架，且该加强结构需要对罐底和罐壁进行焊接。储罐吊装完成后，为了拆除上述网状结构，同样需要在海上进行动火作业和脚手架搭设作业，工作量较大且风险较高。

（2） T型加强梁结构（方案二）。T型梁结构加强形式是考虑到了T型梁具有良好的抗弯能力，在储罐底部增加与罐体底部焊接的十字交叉T型梁，其加强形式如图5所示。

图5 罐底T型梁结构加强形式

考虑到储罐内部有加热盘管，对T型梁进行了特殊设计，T型梁侧面开设直径为50 mm的圆孔，以确保加热盘管顺利通过；另外，考虑到液体在底部流通等因素，在梁的底部开设导流孔；T型梁的高度也进行了有效优化，以达到该结构物在储罐吊装就位后，不用拆除，且不妨碍操作的目的。开设的孔均在应力分析时一并建模分析。

（3）方案比对。针对上述两种方案，进行了详细比对，其优缺点见表3。

表3 方案比对

由表3的比较得出，采用十字交叉T型梁加强方式在现场施工工作量、安全性等方面更具有优势，而采用网状结构则在设计成熟度上优于T型梁结构。综合考虑现场情况，最终选择了方案二进行现场的罐底加强施工。

3 结果验证

采用方案二结构加强方案进行设计，T型梁的高度为570 mm，顶部翼缘宽度为200 mm，钢板厚度为20 mm，材质为Q235B，许用应力为150 MPa。其三维设计图见图6。

图6 T型梁三维设计图

鉴于采用有限元软件能够提高计算效率和精度[12-14]，因此采用有限元软件对方案二的罐底加强方案进行分析计算。采用ANSYS Workbench有限元软件对罐体进行整体建模，模型包括罐体、吊耳以及加强结构。

（1）荷载及荷载组合。载荷按照三种工况进行加载：工况一为自重，工况二考虑1.35倍动力放大系数，工况三考虑2.0倍动力放大系数。

（2）边界条件。吊装框架为刚性结构，模型中将储罐吊耳轴孔设置为铰接固定，在罐体水平方向施加弹簧约束，模拟了罐体的吊装状态，以核对罐体的强度。

（3）计算结果。取工况三的结果进行分析，得到的罐体整体形变如图7所示，应力云图如图8所示。

图7 罐体形变图/mm

图8 罐体应力云图/MPa

从图7、图8中可以看出，储罐最大等效应力为80.22 MPa，小于Q235B材料的许用应力值150 MPa，罐底经过加强，最大变形位于底板中心区域，最大形变为12.17 mm，罐底强度和形变满足要求。

在理论计算满足要求的基础上，进行了实践验证，对储罐进行了整体吊装。吊装过程中储罐底板经肉眼观测无明显变形，验证了加强方案的可行性。储罐现场吊装情况见图9。

图9 储罐现场吊装情况

4 结论

对于大型储罐的整体吊装，采用本文设计的吊耳和吊装框架形式，能够满足罐体的吊装要求。对于罐体底板的加强，采用十字交叉T型梁的加强方式，结构变形量较小，应力不大，能够较好地解决大型储罐底板的吊装变形问题；且采用此种方式，可以实现免除结构拆卸、免除动火和免除搭设大量脚手架的较理想工况，为项目的安全运行提供了技术保障。此种加强方案可为其他大型结构吊装提供参考。