海洋平台管道支架材料的建造加工设计

迟省利

(海洋石油工程(青岛)有限公司,山东 青岛 266520)

在石油工业中,型钢材料具有承载能力强、稳定性高、质量较轻、方便施工等诸多优点,是大型承重结构梁的重要原材料,也是管道、仪表、通讯等专业常用的支撑用材料[1]。海洋平台由于其服役环境恶劣和结构的不固定性、工艺管道的特殊性,决定了上部组块管道支架的设计具有一定的特殊性。管道的承重类支架在承受管道自身及其附件重力荷载的同时,也要承受如阀门泄放、水击力等偶然荷载[2],管道材料的热胀冷缩引起的位移也会对管道支架产生一定的限制作用。这些复杂的操作工况决定了管道支撑类支架的预制必须采用具有稳定结构的材料[3]。这类承重类支架通常由H型钢、槽钢、T型钢和钢管等材料焊接预制而成。经过焊接预制成如I形支撑、L形支撑、T形支撑和门字形支撑等结构,用以支撑复杂的管道结构。在国内制造的国标型钢材料具有优良的特性,良好的承重能力,可行的材料替代方案会对项目的开展发挥积极的作用。

1 由H型钢预制的管道支撑类支架

H型钢具有各向对称结构,各个方向均可用于承重,因其适用的广泛性和经济性,被称为万能型钢在各行各业中大量使用[4]。在石油行业中,大尺寸H型钢可作为平台上部组块各甲板间承重梁的承重材料,小尺寸H型钢可用作机械仪表等设备的承重底座,在管道的管支架结构中作为主要材料被大量使用[5]。

常见的由H型钢、钢管和钢板预制成的管道支架结构类型如下:

1)I形结构。其结构相对简单,由单一的H型钢直接生根于结构梁,当需生根于主结构梁时,需在结构梁上焊接方形钢板来防止结构梁变形。在I形支撑结构中间位置配合使用U型螺栓可对小尺寸管道进行固定和限位。

2)L形结构。由生根于水平结构梁的钢管或者型钢和其顶部焊接的水平型钢组成L形支撑结构,可用于支撑较大尺寸管道。当所支撑的结构重力较大时,需在H型钢中部焊接加强筋板来增加型钢支撑能力[6]。

3)T形吊架结构。由生根于水平结构梁或平台甲板底部的钢管和其底部焊接的水平型钢组成T字形吊架结构,用于支撑结构梁或甲板下布置的管道。

4)门字形结构。由两根生根于单一结构梁或跨距结构梁上的结构钢与水平H型钢组成的门字型结构。该结构可同时对多条小尺寸管道进行支撑与限位,也可支撑单一的大尺寸管道,同时由于具有较强的承重能力,也可作为其他三级管支架的生根结构。

上述各类型支架结构如图1所示。

(a)I形;(b)L形;(c)T形;(d)门字形

2 支架型钢材料的对比分析

在国内建造的某外国海洋平台建造项目中,对于管道支撑H型钢材料,业主设计方设计选用由欧标S335J2材质[7]加工的型号IPE120型钢[8],其生根于结构梁或平台甲板,组合成特定形状的支架,用来支撑工艺管道。经分析对比截面尺寸和抗拉伸属性等参数,找到与其外观、截面、化学成分和抗拉伸性能等方面相似的由国标Q355D材质[9]加工的型号HN125×60型钢[10],对两种材料对比如下。

2.1 截面尺寸对比

H型钢的截面形式如图2所示。

图2 H型钢的横截面

欧标IPE120型钢的截面尺寸依据欧标EN 10034制造,国标HN125×60的截面尺寸参考国标GB/T 11263制造标准。上述两种材料的截面参数对比如表1所示。

表1 截面参数对比

通过截面参数对比,可知欧标型钢的腹板略低,而翼缘板宽度略大于国标材料。国标材质虽然翼缘板宽度较欧标材料略小,但其翼缘板和腹板的厚度都略大于欧标材料的厚度。同时虽然截面相近,但国标材料承重时绕转轴方向有较高的截面惯性矩,说明该国标H型钢的强度和刚度更高。

2.2 化学成分和抗拉伸性能对比

上述IPE120型钢的材料采用的是欧标S335J2材质,材质标准是欧标EN10025;国标HN125×60型钢的材料采用的是国标Q355D材质。对比二者作为管道支撑材料的主要化学成分质量分数占比如表2所示。

表2 化学成分对比

对比两种材料的抗拉伸性能如表3所示。

表3 抗拉伸性能对比

通过上述比对可知,两种材料具有相近的化学成分,相似的抗拉强度和一致的屈服强度。

3 建立I形支撑结构的挠度计算模型

为便于计算,应用材料力学分析方法将I形支撑结构简化为一端为固定支座,另一端为自由端的悬臂梁结构[11]。该结构受自身重力均匀载荷,同时末端受管道的压力。建立挠度随位移变化的数学模型如图3所示。

图3 I形支撑悬臂梁挠度随位移变化的函数关系

图3中Q为型钢自身重力在简支梁单位长度上的均匀荷载,F为简支梁末端由管道竖直向下的重力形成的压力,L为梁的长度,ω为悬臂梁随水平位移x变化的挠度。由材料力学可知,当不考虑末端压力时,悬臂梁在任意一点受自身均匀重力荷载的挠曲线方程为:

(1)

式中,E为材料的弹性模量,I为型钢材料的截面惯性矩。

将边界条件x=L代入到挠曲线方程得到悬臂梁末端最大挠度为:

(2)

当忽略悬臂梁自身重力仅考虑其末端受压力F时,挠曲线方程为:

(3)

将边界条件x=L代入到上述挠曲线方程得到悬臂梁末端最大挠度为:

(4)

I形支撑在实际承重时,需同时考虑自身重力与末端来自管道的压力,因此悬臂梁最大挠度为:

(5)

其中,EI可视为悬臂梁材料的抗弯刚度,负号表示挠度方向为竖直向下。

4 对I形支撑结构的有限元分析

4.1 建立有限元分析模型

在ANSYS有限元分析软件中,建立生根在竖直结构梁上管道I形支撑的结构模型。设置在相同温度下,对上述两种H型钢分别作为该I形支架的原材料进行分析。为便于分析比较,设置两种I形支撑生根于相同尺寸的结构梁,且支撑结构长度相同,均为1 m,在受自身重力的同时,都受到来自型钢末端上表面相同质量管道的压力。采用Solidworks软件建立I形支架结构简易模型并导入到Ansys有限元分析软件如图4所示。

图4 I形支撑结构模型

4.2 建立形变的数值模拟

对I形支撑结构进行竖直方向的形变分析,对支架模型进行网格划分,设置边界条件为一端固定在结构梁上,另一端为自由端的边界条件。将表1～3中对应的两种型钢材料的抗拉伸性能属性值等参数分别赋予对应的两种截面尺寸的I形支撑模型,设置悬臂梁长度为1 m,同时设置悬臂梁末端均受0.5 kN竖直向下的压力荷载。形变数值模拟如图5、图6所示。

图5 国标型钢形变模拟

图6 欧标型钢形变模拟

应用ANSYS软件模拟上述两种H型钢作为I形支撑结构的形变量随位移变化的曲线,并进行形变量对比如图7所示。

图7 形变对比曲线

通过数值模拟得出两种材料作为管道的I形支撑结构在相同受力条件下的形变值,可知国标材料在竖直方向的最大挠度为0.238 mm,小于欧标材料的0.308 mm。通过绘制形变量对比曲线,可知国标材料在相同位移点处的形变量均小于欧标材料。由于两种材料的屈服强度相当,该国标材料发生塑性变形的概率低于欧标H型钢。

5 结论

1)在海洋平台建造过程中,支架材料的替代需满足不影响自身结构尺寸的基本要求,不影响焊接附件的尺寸和焊接位置。参照外观尺寸相差不超过5%的基本原则,需同时满足化学成分相近、截面相似,材料抗拉伸属性基本相同等诸多条件。

2)通过综合比较,在建造业主及详细设计方同意材料替代方案的前提下,文中所述国标材料可代替欧标材料进行项目建造。该材料替代分析方法对海洋平台建造项目具有一定的参考价值,可行的替代方案在节约项目建造费用,缩短完工周期等方面具有积极的意义。

3)该分析方法为类似的外国海洋平台建造项目提供了相关设计和施工经验,除可对文中所述H型钢材料进行分析,同时可作为角钢、工字钢、T型钢等材料的建造加工设计提供参考。