导向与补偿结构强度仿真及优化

廖佩诗 戴 昆 王所国 王超颖 王 旭

（青岛赛普克有限元科技发展有限公司，山东 青岛 266000）

0 前言

1960—2020 年，全球已至少建造了7 000 座石油生产设施[1]，随着油田开采时间的推移，部分海上油田因产量过低（达到终止开采的条件）而被废弃。废弃钻井平台给海洋环境、海上交通以及国防等带来了较大的潜在危害[2]。世界各国都先后制定了相关的法律法规，对废弃平台及井筒等海洋油气设施进行拆除，实现永久封井[3]。一般来说，海上油气生产设施主要包括海上油井、气井、水井、固定平台、人工岛、单点系泊、浮式生产储油装置、海底电缆、管道、水下生产系统、陆岸终端以及其他水上、水下油气生产的相关辅助配套设施。处置方式包括废弃处置、延寿使用以及改造他用3 种。需要根据海洋平台的具体情况选择不同的废气处理方式，如果平台妨碍了海洋主导功能的使用，就必须全部拆除。拆除海上废弃平台是一项涵盖范围较广的综合性系统工程，目前已成为一门新兴的高技术产业[4]。

如图1 所示，超大型海上油田设施一体化拆解装备由2艘起重船和1 艘半潜运输船组成，每艘起重船都配备了举升系统，其具有横向、纵向和垂向的补偿能力。

图1 拆解作业系统示意图

作业时，首先，2 艘起重船分别靠近被拆解钻井平台，使用动力定位系统将船体稳定在工作位置，通过压载方式将船体调整到合适的作业高度；其次，伸出举升臂并通过夹紧装置固定导管架；再次，通过垂向位移补偿系统向上托举平台，使钻井平台载荷转移到举升臂上，此时，可开始导管架切割作业，待作业完成后，起重船排出压载水，实现钻井平台的托举；最后，2 艘起重船共同将被拆解平台转移至运输船，拆解和转运工作完成。

1 分析对象介绍

如图2 所示，举升系统由前后基座、前后支撑装置、举升臂、夹紧及补偿装置组成。举升系统既可单臂作业也可双臂联合作业。举升系统整体安装在甲板上，其中前后基座分布在船的左右舷位置。举升系统具体参数（见表1）如下：举升臂总长度为69.0 m，宽度为6.5 m，总高度为10.0 m，单臂作业的承载能力为3 000 t，双臂作业时每个举升臂的承载能力为2 500 t。

图2 举升系统示意图

表1 举升系统参数表

举升系统作业时，举升臂伸出并到达桩腿位置，举升头中的夹紧装置环抱住导管架桩腿。随后，三角举升机构的举升液压缸开始伸出（如图3 所示），在连杆机构的作用下，液压缸推动三角形杠杆机构围绕铰点进行逆时针转动，三角形杠杆机构在转动过程中带动举升头结构向上举升；同时，横向补偿装置开始运动，补偿由于连杆机构运动造成的举升头横向位移，保证其无横向位移。在波浪的作用下，平台发生的垂向位移也由垂向位移补偿机构（如图3 所示）通过控制油缸的伸缩进行补偿。

图3 垂向位移补偿机构示意图

随着举升力的增加，平台载荷慢慢转移至举升臂，进而安全地、快速地分离被拆解平台与导管架支撑结构。

在整个举升过程中，举升头结构沿导轨的行程与最大波浪的高度相同，在举升过程中以及上部模块完全放置到目标船之前，通过夹紧及补偿装置处的液压缸进行动态波浪补偿，避免在风、浪和流的作用下，导致导管架平台的上部模块随着船的运动而运动。

当导管架平台上部模块的底部与导管架垂向分离至设计高度时，停止举升，并利用位移控制系统使2 艘起重船向前移动，驶向运输船，然后通过举升臂端部装置将平台上部模块平稳地放置在第三艘运输船上，由第三艘运输船运回上部模块。

2 有限元建模

2.1 定义材料参数

模型中滚轮及轨道使用42CrMo 钢，其他主体框架结构采用S355 钢，模型使用线弹性材料本构模型，材料参数见表2[5]。

表2 材料参数列表

2.2 有限元模型介绍

如图4 所示，有限元模型中的举升臂框架、前后支撑装置框架以及基座框架均使用壳单元进行模拟。滚轮、补偿装置以及轨道等使用实体单元进行模拟，为了在控制整体网格数量的同时，保证轮轨接触的模拟精度，需要对轮轨接触部位的网格进行局部细化。

图4 整体有限元模型

该分析模型中共包括13 处轮轨接触承载区域，在进行拆解作业时，主要依靠这些部位的轮轨接触固定举升臂，因此需要建立滚轮与轨道之间的滑动接触，模拟真实的轮轨接触状态。在各个具有转动自由度的关节部位建立铰接单元，保证其具有转动自由度。

由于夹紧及举升装置对整体结构强度的影响不大，因此该分析中省去该结构。在其与举升臂安装孔位置建立铰接单元及刚性连接，模拟该结构与补偿系统的连接和相对转动自由度，保证结构受力状态与实际一致。

2.3 边界条件

图2 中，前后基座底部均焊接在起重船的甲板上，仿真模型中对基座底部施加全位移约束；同时，模型中省略了夹紧装置，通过刚性连接将加载点位置的载荷传递到连杆上。

举升装置分为单臂支撑和双臂支撑。单臂支撑作业时，其加载点位于举升臂的中轴线上；双臂支撑作业时，2 条举升臂共同承受载荷，其加载点位于2 条举升臂的中间位置。单臂作业时，单个举升臂受到的最大额定载荷为3 000 t；双臂作业时，由于加载点偏移到，2 个举升臂的中间位置，产生了额外的弯矩载荷，因此单个举升臂受到的最大载荷为2 500 t。

3 分析工况

举升装置有单臂或双臂2 种作业形式，举升臂可以在距离船舷4 m～16 m 的范围内伸缩，补偿装置垂向补偿范围为-2.5 m～2.5 m。基于导向与补偿结构的几种典型作业工况，分别以举升臂的伸出长度、补偿高度以及举升臂的作业形式为变量进行组合，形成相关的工况列表，见表3。

4 仿真分析结果

使用有限元仿真分析软件对表3 中的各个工况进行计算，并提取整体位移和举升臂、前后支撑结构等效应力为指标进行对比，从而确定最危险的使用工况。

表3 仿真分析工况列表

经过对各部件等效应力进行统计，得到各工况仿真分析结果统计表，见表4。通过分析结果可知，举升臂伸出长度为4.0 m 时，后支撑装置主要由下部轮轨位置承受载荷；举升臂伸出长度为16.0 m 时，举升臂尾部有向上翘起的趋势，主要由举升臂上部轮轨的接触位置承受载荷。通过综合对比，工况6（单臂承载，举升臂伸出长度为16.0 m，向上补偿2.5 m）的结构变形最大、各处的应力最大，因此判定结构在该工况下最危险，后续将以工况6 为边界条件进行结构优化。

表4 各工况仿真分析结果

5 结构优化

依据举升系统的结构特点，举升臂伸出时后支撑装置上部滚轮位置受到的载荷最大。在吊耳位置产生了应力集中，为保证该处的结构强度。须对原始设计进行结构优化，将两端吊耳中部支撑的结构修改为如图5 所示的由6 个液压支撑的装置，一方面能够保证有足够的支撑强度，另一方面可通过油缸进行载荷微调，避免发生偏载现象。

图5 后支撑位置结构优化示意图

举升臂的主臂结构主要由前部轮轨的接触部位来承受载荷。从仿真计算结果可知，举升臂后部应力较小，因此需要对后部腹板、翼板等进行减薄处理，同时加厚应力较大的油缸座安装孔处的材料。同时，在后支撑装置滚轮安装座附近增加隔板，提高安装座位置的支撑强度，使载荷分布均匀，避免局部应力集中造成结构失效的问题。

通过上述减重优化，设备减重8.4%。优化前后整体位移及举升臂、前后支撑装置应力结果对比见表5。通过结构优化后的各部件应力均有不同程度的降低，后部支撑装置应力下降最明显。

表5 结构优化前后计算结果对比

6 结语

该文通过有限元仿真方法对超大型海上油田设施一体化拆解作业装备导向与补偿结构的12 种作业工况进行仿真，得到强度仿真应力及变形结果。通过对比关键部件的结构应力，确定最危险的工况及危险位置。

通过应力分布云图确定了结构最薄弱位置为后支撑装置上部吊耳位置。对该处进行结构优化设计，使用液压柔性支撑结构代替原来的机械支撑，提升了该处的安全性。同时，通过举升臂结构应力分布云图确定了举升臂后部应力水平相对较低，具有较大的减重空间，因此对举升臂中安全系数较大的腹板及翼板进行减薄，优化后设备减重8.4%。

海上石油项目开发和生产完成后，安全有效地处置设备设施就成了石油从业者必须要面对的问题，它关系到整个海上石油勘探开发项目的成败，应予以高度重视。该项目通过使用有限元仿真分析方法对各种工况进行模拟，可以在设计阶段快速校核超大型海上油田设施一体化拆解装备举升系统的结构强度，同时还可以通过应力分布情况确定设备减重优化的潜能，为减重优化提供数据支持，并提高设备的经济效益。