过滤橇底座吊装时应力分析

高枫，马强，李阳，东志红

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000）

随着国家能源改革以及油气行业的深刻变革，长输油气管道地位日益突出。长输油气管道作为国家能源重要通道，具有保障国家能源安全、促进国民经济发展的重要意义[1-2]。长输油气管道在长时间运行后，会因为输送介质中的水分或者含硫介质腐蚀管道产生铁锈，进而影响介质品质。输送介质的品质降低不仅影响站场设备的安全运行，还对管道的运行产生巨大的安全隐患。为保证输送介质的品质，保护运行管道及站场设备，通常在站场设置过滤器。

为提高站场设备焊接质量、加快站场建设进程、缩短建设周期，橇装设备应运而生。范嘉堃等[3]通过有限元方法对站场不均匀沉降引起的应力进行模拟。结果表明：橇装设备中三通和弯头应力较为集中；通过计算采用升顶方式可使应力满足校核标准。李凯等[4]人通过对传统两相分离器进行改进，最终在站场上成功应用。党伟等[5]为克服积水等问题，研制了一套预分化橇装设备；该橇装设备的成功应用，可明显减低运行成本，同时节约水资源。刘元宝[6]针对油田地面污水处理不达标问题，开发了一套橇装过滤装备，该装置具有占地面积小，处理效率高等优点。

综上，大多数研究学者只针对橇装设备功能进行探究，尚未对橇装底座受力进行分析。橇装设备在工厂进行预制好后，会涉及吊装的问题。为保证橇装设备及管路在吊装过程中，应力及变形量在许用量范围内，需要对橇座的刚度及应力进行分析，以确保橇装设备安全。本文针对国内某项目的典型过滤橇装设备的橇装通过ANSYS 对其吊装过程中的应力进行分析，该结果可为橇装底座的设计提供指导。

1 设计参数

1.1 过滤橇模型

过滤橇主要包括：过滤器、手动球阀、电动球阀、截止阀、排污阀以及仪表、管路组成。过滤橇模型如图1 所示。

图1 过滤橇模型Fig.1 Filter skid model

1.2 橇座模型及尺寸

橇底座模型如图2 所示。橇座钢结构由横梁和纵梁组成，管支架支撑在纵梁上面，横梁和纵梁采用焊接连接，梁单元作为一个整体进行分析。具体参数见表1。在针对橇座钢结构的分析中，过滤器组件的自重载荷通过管支架作用到橇座上，模型中将过滤器组件重量在管支架位置加载于橇座上。

表1 橇座钢结构模型Table 1 Steel structure model of skid base

图2 过滤橇底座模型Fig.2 Base model of filter skid

1.3 载荷

橇座载荷如图3 所示。橇座钢结构承受外力来自管支架，在管支架安装处加载自重载荷。根据设备分析，加载的重量分布也不尽相同。

图3 橇座载荷Fig.3 The load of filter skid

1.4 边界条件

橇座在吊装过程中，主要依靠吊耳保持力的平衡，因此本模型的边界条件加载到吊耳处。边界条件如图4 所示。

图4 吊耳约束Fig.4 Lifting lug restraint

2 橇座计算结果

2.1 橇座应力轴向力计算

橇座结构应力分布如图5 所示，轴向力分布云图如图6 所示。

从图5 及图6 可知，橇座的最大应力出现在过滤器所在位置，最大值为58.2 MPa。同时橇座的轴向力也出现在过滤器所在位置。由此可见，大质量的部件在橇座上的分布情况与橇座的受力有着直接关 系。

图5 橇座钢结构应力云图Fig.5 Stress cloud diagram of the skid base steel structure

图6 橇座梁轴向力图Fig.6 Axial force diagram of the skid base beam

2.2 橇座弯矩计算

通过对橇座梁的弯矩进行模拟，结果如图7 所示。由橇座的梁弯矩图可知，最大弯矩也出现在过滤器所在位置，同时阀门所在的橇座梁上也出现了较大的弯矩。这是由于过滤器和阀门质量较大，且分布较为集中，在吊装过程中产生较大的力，导致橇座梁的弯矩较大。

图7 橇座梁弯矩图Fig.7 Bending moment diagram of skid beam

由图8 和图9 可知，橇座主梁上弯矩云图呈对称分布，并且最大弯矩为1.895 5×107N·mm，阀门所在的橇座梁上对应的最大弯矩为1. 5×107N·mm。此外，从云图及弯矩曲线上可以发现，在吊耳两侧弯矩较大，证明吊耳位置设置合理。

图8 主梁（一）上弯矩云图及曲线Fig.8 Main beam (1) upper bending moment cloud diagram and curve

图9 主梁（二）上弯矩云图及曲线Fig.9 Main beam (2) upper bending moment cloud diagram and curve

2.3 橇座扭矩计算

同理对橇座的扭矩图进行分析，如图10 所示。结果与弯矩结果类似，最大弯矩出现在过滤器所在位置。

图10 橇座梁扭矩图Fig.10 Torque diagram of skid beam

2.4 橇座剪力计算

橇座梁剪力如图11 所示。通过对橇座的剪力进行计算可知，最大剪力出现在吊耳位置。由图12、13 的剪力云图及曲线可知，吊耳之间的剪力较大，而在吊耳外侧剪力逐渐减小，在橇座两端位置，剪力几乎为零。这是由于吊耳之间过滤器质量较大并且集中，导致吊耳之间的剪力较大，而吊耳之外质量较小，因此剪力较小。

图11 橇座梁剪力图Fig.11 Shear force diagram of skid beam

图12 主梁（一）上剪力云图及曲线Fig.12 Shear cloud diagram and curve diagram on the main beam (1)

图13 主梁（二）上剪力云图及曲线Fig.13 Shear cloud diagram and curve diagram on the main beam (2)

2.5 橇座位移计算

橇座主梁位移图及曲线如图14、15 所示。通过对橇座主梁的位移进行计算可知，在吊耳位置为正向位移，在过滤器所在位置为负向位移。也正因为吊耳两侧的位移方向相反，导致吊耳处的剪力最大，这与橇座的剪力计算结果完全相吻合，也证明了计算的正确性。

图14 主梁（一）上位移云图及曲线Fig.14 Displacement cloud diagram and curve on main beam (1)

图15 主梁（二）上位移云图及曲线Fig.15 Displacement cloud diagram and curve of main beam (2)

3 结论

通过以上分析可知：

（1）钢结构梁最大应力为58.2 MPa，小于型钢强度设计值310 MPa。由此可知该钢结构强度满足吊装要求。

（2）从橇座位移云图上可以看出，钢结构最大位移为8.74 mm，其变形量小于扰度允许值1/500，因此橇座位移量也满足钢结构刚度要求。证明橇座选型及吊耳布置的合理性。