導管架內外布置吊裝吊點的有限元分析

靳寶旺，張海榮，張鑫，孫貞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

導管架吊裝吊點是導管架設計中很重要的一個附件，是導管架海上能否順利吊裝的直接影響因素，根據每個導管架的自身特點及項目需求，吊點布置通常采用兩種形式，一種是外置吊點，一種是內置吊點，本文根據兩種吊點不同的布置形式，利用ANSYS 17.0有限元分析軟件，對兩種布置形式分別進行有限元分析。

1 吊裝吊點布置結構圖

內置吊裝吊點，是把吊點布置在四個導管腿內測，是一種常見的導管架吊裝吊點布置形式，有時考慮結構干涉和海上切割工作量，也會選擇外置吊裝吊點的布置形式，即把吊點布置在四個導管架外側，這兩種布置形式各有優缺點，在項目實際應用中，往往根據項目的實際情況和特殊需求進行選擇，本文僅從結構受力方面，來對比兩種吊裝吊點布置的優劣。

內側吊點布置圖：

圖1 內測吊點水平布置圖

圖2 內測吊點立面布置圖

外側吊點布置圖：

圖3外測吊點水平布置圖

圖4 外測吊點立面布置圖

吊點結構形式圖：

圖5內測吊點結構形式圖

圖6 外測吊點結構形式圖

2 有限元分析

2.1 有限元模型

根據吊點內外布置的結構形式不同，采用ANSYS軟件分別建立兩種結構形式的有限元模型，模型包括吊點結構，導管架腿和臨近所有拉筋結構等，模型中導管架腿的規格為Φ2340X65，三根臨近拉筋的規格為Φ762X19，Φ914X25和Φ762X19。有限元模型采用SHELL181殼單元，網格劃分為100mm，幾何模型和有限元模型如下圖所示：

圖7 內測吊點幾何模型

圖8 內測吊點有限元模型

圖9 外測吊點幾何模型

圖10 外測吊點有限元模型

2.2 邊界條件和加載情況

導管架腿下端面和所有拉筋根部斷面六個自由度采取全約束的有限元模型邊界條件。

計算中，在吊孔中心模擬吊繩力，利用MASS21單元將吊孔上的所有節點與吊孔中心的節點進行連接傳力，兩種吊點結構形式所選取的吊繩力均為16500KN，吊裝角度為60°。

圖11 內測吊點邊界條件&加載

圖12 外測吊點邊界條件&加載

3 結果比較分析

3.1 內置吊點結構形式結果

內測吊點結構形式有限元結果如下圖所示，最大的Von Mises Stress結果為378.692Mpa，位于下環板邊沿，超許用應力0.9xFy=0.9x355=319.5Mpa的區域小于一個單元格，屬于應力集中區域，為可接受范圍，從圖中可以看到，整體應力分布較為均勻，受力形式較好。

圖13 內測吊點結構應力云圖

圖14 內測吊點導管架腿應力云圖

圖15 內測吊點吊點應力云圖

圖16 內測吊點拉筋應力云圖

內置吊點結構形式下，包括吊點，導管架腿和拉筋在內的各個結構構件的強度均滿足要求，計算結果如表1所示。

表1 內置吊點結構形式各構件計算結果

3.2 外測吊點結構形式結果

圖17 外測吊點結構形式結果

外測吊點結構形式有限元結果如下圖所示，最大的Von Mises Stress結果為1100.37Mpa，位于上環板， 出現大面積的超許用應力0.9xFy=0.9x355=319.5Mpa區域，主要位于上環板區域，拉筋根部區域，導管腿頂部區域和下部與吊點的連接處等，這些超許用應力區域遠遠大于一個單元格，整體結構受力較差。

圖18 外測吊點導管架腿應力云圖

圖19 外測吊點形式吊點應力云

圖20 外測吊點形式拉筋應力云圖

外置吊點結構形式下，包括吊點，導管架腿和拉筋在內的各個結構構件的強度均不滿足要求，計算結果如表2所示。

表2 內置吊點結構形式各構件計算結果

4 結語

（1）導管架兩種吊點的布置形式，外置吊點的布置形式受力較差，內置吊點的布置形式較好。

（2）如果考慮結構干涉和海上切割工作量，選擇外置吊點的布置形式，對外置吊點的結構強度要重點關注。