肖志远
中航复合材料有限责任公司,北京 101300
摘要：进入新时代以来，我国的高速发展，推动了科学技术的进步。目前，海洋石油工业的不断蓬勃发展，越来越多的钻井、采油、作业平台等设备在海上平台建立。然而，在多年的使用后，部分设施已经陆续达到其预期使用年限。在此背景下，如何拆除这些老旧设备已引起海洋石油工业领域相从业人员的关注与重视。海上废弃平台拆除是一项极具综合性的系统工程，需要制定完备的工作计划，以保证废弃平台的拆除工作高效、平稳地进行。
关键词：导管架平台；弃置方案；吊装；吊点
引言
钢质导管架平台是目前海上使用最广泛的一种平台，此类平台通过打桩的方法固定于海底。在长期服役过程中，由于受到腐蚀、疲劳、碰撞及恶劣的海洋环境等影响，平台结构会产生损伤，给海上石油生产带来了风险。为了确保平台结构安全、降低维修成本及延长服役期限，国内外广泛地开展了导管架平台结构损伤识别与健康监测技术研究工作，加强了平台结构的完整性管理。
1平台建造中结构有限元的基本计算方法
在有限元法中，通常选择节点位移作为基本未知量，称为位移法；位移法是把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。由于位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。以位移法为例说明有限元法主要包括如下几个步骤：（1）将实际结构离散成独立梁单元、壳单元、管单元、实体单元等，各单元之间通过节点连接起来；（2）建立单元节点位移和节点力之间的关系，得到单元刚度矩阵；（3）将各种类型的荷载变换为只作用在节点上的等效荷载，得到结构体的总体刚度矩阵；（4）确定边界条件修正总体刚度矩阵。
另外在平台结构计算中往往存在不同类型和不同自由度的单元组合，在连接单元时要注意保证单元界面之间的协调，当单元彼此不协调，求解时会在不同单元之间传递不适当的力和力矩。一般在不同单元组合时，单元之间本应按相容性要求加以处理，但有时难以做到完全相容，考虑到位移协调单元内部已限定了位移的形式，加强了约束，过高估计了单元刚度，因而适当放松一点某些单元间的相容性是可以的。在ANSYS软件中不同单元的连接主要有3种方法：（1）藕合自由度和约束方程；（2）复合单元法；（3）接触单元法，ANSYS根据接触运动建立多点多点约束方程，即MPC法。
2导管架吊装设计标准
2.1 API规范中吊装设计标准
为了保证海洋石油工业中所用作业设备的安全性、可靠性与互换性，美国石油学会制定了API规范。在API规范中的2.4.2中，对吊装力做出了规定。吊装力是指在平台的建设和安装过程中由于吊装作用施加在结构上的力。被系物结构本身结构的作用以及产生的静力和动力共同决定了吊装期间所受应力的大小。静载荷是指在吊装时被系物的重心与作用于被系物的向上的力的中心处于静平衡状态下，被系物的位置被用于决定结构和索具的力。考虑在拖轮上吊装货物时，由于风浪运动对其产生的影响，动载荷系数应叠加于上述载荷之上。在海洋上进行吊装作业时，考虑吊点及其传力杆件设计时，动载荷系数应该使用最小的2.0。而考虑到其它传力杆件之时，动载荷系数应该使用最小的1.35。
2.2 ND规范中吊装设计标准
GL?Noble?Denton是一家业务一体化的技术支持和咨询的德国公司，在海上平台的建设和安装等领域拥有丰富的项目经验。该公司设计的ND规范目前已经广泛应用于海洋石油工程设计领域。在LOC规范中的第5.7节中，对偏心载荷系数做出了规定。对于索具布置和结构物未能完全确定的情况下，在基于吊绳建造精度、索具几何布置、吊点建造精度、吊绳伸长率的基础上，吊绳载荷的不对称分配（即偏心载荷系数）应该被纳入考虑。对于未确定的4条2组对称吊绳进行的吊装，吊装偏心载荷系数应以1.25为标准。此外，该规定还指出对于偏心载荷系数为1.25的情况，则应进行载荷为62.5/37.5的分配。
2.3导管架滑移支撑结构分析
导管架几何尺寸为42m×36m×78m（长×宽×高），结构净重1800t，建造方法为卧式建造滑移装船。由于导管架上未设滑道结构，所以拟设计三组专用滑移结构梁（梁下部焊接滑靴结构），结构梁最大长度为42m，最短长度为33m，梁为箱型结构由厚度为40mm和30mm的钢板焊接而成。建造时将整个导管架置于其上，当整个结构建造工作全部完成后由卷扬机牵引将导管架连同下部支撑一起从码头滑道上滑移到驳船上预定位置。在该问题中主要考虑两个方面因素：
(1）导管架的重力；(2）滑移到船上后，在运输过程中因波浪而产生的附加动载荷，动载荷系数最大可按2.0考虑。因而梁结构强度设计要留有一定的量，能够抵挡住因船舶在运输过程中产生的部分动载荷的影响。结构模型使用三维壳单元来模拟，MPC法连接壳单元。将折算后作用力600t载荷（静力学计算）施加到滑移梁结构位置相应节点上，边界条件为滑靴底座竖向平动位移约束。经计算得到滑移梁结构最大VonMisesstress为136MPa，节点最大变形约为17.4mm。滑移作业平面见图1、滑移梁结构见图2。
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3载荷加载
基于LOC规范的分析计算得出，偏心载荷需按照75/25对其进行施加。按照对角线75/25来分配吊装重力，在约束点HK02上分别施加方向与重力方向相反75%和25%的吊装静荷载，定义两个工况H750及H250，那么将一对对角线上的吊索具焊接在HK01上，其承受结构自重竖直向下的力。剩余的一对对角线的吊索具焊接与HK02上，只选择工况H750，HK02连接的吊索具承受吊重的75%，方向和重力方向相反，剩余的一对吊索具承受余下沿重力方向的25%吊重；另一种情况只选择工况H250时，吊点HK02只承担25%的吊重，剩余的一对吊绳则承受余下的75%吊重。
基于ND规范的分析和计算，选取与LOC规范大致相同的加载方式，此时应当考虑62.5%和37.5%的吊索具的不对称偏心加载，意思是吊重按吊点所在对角线62.5/37.5进行分配，分别施加方向和重力相反的62.5%和37.5%的吊装静荷载在约束点HK02上。不同于上述的2种工况，此时一对吊索具固定在HK01上，承受结构自重竖直向下的力，剩余的吊索具固定在HK02上，当只施加工况H625时，与HK02连接的吊索具承受方向和重力相反62.5%的吊重，甚于吊索具承受其沿重力方向37.5%的吊重；另一种情况只施加工况H375时，与HK02连接的吊索具只承受37.5%的吊重，另一对吊索具承受剩余62.5%的吊重。
根据API规范、LOC规范、ND规范中对吊装分析的规范，分别施加载荷。施加载荷结果如表1所示。
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表1?施加载荷
结语
本文基于有限元分析方法，利用SACS软件建立导管架模型，经过数值模拟已经吊装加载计算得到以下结论：导管架重量为：15875.45kN，重心坐标是（-0.09，0.01，1.23）；设计吊点坐标为（-0.09，0.01，13.73），按照API、LOC以及ND三种规范加载计算后发现各个杆件的应力比均小于1，说明此次吊装设计满足工程实际需要。
参考文献
[1]唐东峰，游世辉.基于可靠性的结构动态拓扑优化方法［J］.湖南大学学报（自然科学版），2017，44（10）：62-67.
[2]郭琦.?导管架海洋平台有限元模型修正方法研究与极限承载力分析[D].大庆：东北石油大学，2014.