导管架内外布置吊装吊点的有限元分析

2022-02-22靳宝旺张海荣张鑫孙贞

石油和化工设备 2022年1期

靳宝旺，张海荣，张鑫，孙贞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

导管架吊装吊点是导管架设计中很重要的一个附件，是导管架海上能否顺利吊装的直接影响因素，根据每个导管架的自身特点及项目需求，吊点布置通常采用两种形式，一种是外置吊点，一种是内置吊点，本文根据两种吊点不同的布置形式，利用ANSYS 17.0有限元分析软件，对两种布置形式分别进行有限元分析。

1 吊装吊点布置结构图

内置吊装吊点，是把吊点布置在四个导管腿内测，是一种常见的导管架吊装吊点布置形式，有时考虑结构干涉和海上切割工作量，也会选择外置吊装吊点的布置形式，即把吊点布置在四个导管架外侧，这两种布置形式各有优缺点，在项目实际应用中，往往根据项目的实际情况和特殊需求进行选择，本文仅从结构受力方面，来对比两种吊装吊点布置的优劣。

内侧吊点布置图：

图1 内测吊点水平布置图

图2 内测吊点立面布置图

外侧吊点布置图：

图3外测吊点水平布置图

图4 外测吊点立面布置图

吊点结构形式图：

图5内测吊点结构形式图

图6 外测吊点结构形式图

2 有限元分析

2.1 有限元模型

根据吊点内外布置的结构形式不同，采用ANSYS软件分别建立两种结构形式的有限元模型，模型包括吊点结构，导管架腿和临近所有拉筋结构等，模型中导管架腿的规格为Φ2340X65，三根临近拉筋的规格为Φ762X19，Φ914X25和Φ762X19。有限元模型采用SHELL181壳单元，网格划分为100mm，几何模型和有限元模型如下图所示：

图7 内测吊点几何模型

图8 内测吊点有限元模型

图9 外测吊点几何模型

图10 外测吊点有限元模型

2.2 边界条件和加载情况

导管架腿下端面和所有拉筋根部断面六个自由度采取全约束的有限元模型边界条件。

计算中，在吊孔中心模拟吊绳力，利用MASS21单元将吊孔上的所有节点与吊孔中心的节点进行连接传力，两种吊点结构形式所选取的吊绳力均为16500KN，吊装角度为60°。

图11 内测吊点边界条件&加载

图12 外测吊点边界条件&加载

3 结果比较分析

3.1 内置吊点结构形式结果

内测吊点结构形式有限元结果如下图所示，最大的Von Mises Stress结果为378.692Mpa，位于下环板边沿，超许用应力0.9xFy=0.9x355=319.5Mpa的区域小于一个单元格，属于应力集中区域，为可接受范围，从图中可以看到，整体应力分布较为均匀，受力形式较好。

图13 内测吊点结构应力云图

图14 内测吊点导管架腿应力云图

图15 内测吊点吊点应力云图

图16 内测吊点拉筋应力云图

内置吊点结构形式下，包括吊点，导管架腿和拉筋在内的各个结构构件的强度均满足要求，计算结果如表1所示。

表1 内置吊点结构形式各构件计算结果

3.2 外测吊点结构形式结果

图17 外测吊点结构形式结果

外测吊点结构形式有限元结果如下图所示，最大的Von Mises Stress结果为1100.37Mpa，位于上环板，出现大面积的超许用应力0.9xFy=0.9x355=319.5Mpa区域，主要位于上环板区域，拉筋根部区域，导管腿顶部区域和下部与吊点的连接处等，这些超许用应力区域远远大于一个单元格，整体结构受力较差。