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(1.海洋石油工程(珠海)有限公司，廣東 珠海 519000；2.中海福陸重工有限公司，廣東 珠海 519000)

不同于陸上油氣田的電網(wǎng)供電，海洋油氣田一般采用CEP平臺向周圍鉆采平臺供電的方式集中供電，在CEP平臺上安裝大功率的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和大尺寸的煙囪[1]。一般情況下，發(fā)電機(jī)的煙囪位于整個(gè)平臺的頂部，考慮到高空組裝的施工難度大、安全系數(shù)低，煙囪常常先在陸地完成建造組裝，然后再整體吊裝至指定位置進(jìn)行最后的安裝。平臺煙囪一般為大型薄壁結(jié)構(gòu)形式，受力不均時(shí)，易產(chǎn)生變形和損壞[2]，且受海洋石油平臺空間的限制，煙囪的形狀往往無法采用簡單的直筒形式，從而加大了后續(xù)煙囪吊裝的難度。對此，通過對常見大尺寸彎折式煙囪的吊裝難點(diǎn)分析，提出相應(yīng)的吊裝方案，為后續(xù)類似的煙囪吊裝提供參考。

1 大尺寸彎折式煙囪介紹

以南海某油氣田CEP平臺煙囪為例，為充分利用平臺空間，其大尺寸彎折式煙囪見圖1。該煙囪主要由防雨帽、2個(gè)直段煙囪和2個(gè)彎頭組成。煙囪各部件的尺寸參數(shù)見表1。

表1 煙囪各部件尺寸參數(shù)

由表1可見，該類型煙囪的特點(diǎn)：尺寸大，最大內(nèi)徑為4 500 mm；管壁薄，最薄壁厚僅為8 mm。

2 吊裝難點(diǎn)分析

1)易側(cè)翻。大尺寸彎折式煙囪一般采用臥式組對來降低施工高度，而煙囪安裝的最終形式為立式，所以煙囪起吊后需先在空中完成90°翻身。對于復(fù)雜形狀薄壁結(jié)構(gòu)物的翻身，由于其翻身過程中每個(gè)吊點(diǎn)的受力情況為動(dòng)態(tài)變化[3-4]，吊點(diǎn)的位置和結(jié)構(gòu)形式選擇不當(dāng)時(shí)，易發(fā)生失穩(wěn)側(cè)翻。

2)重心位置。吊點(diǎn)具體位置應(yīng)根據(jù)煙囪重心來選定，需保證重心處于吊點(diǎn)的包絡(luò)線范圍之內(nèi)，所以煙囪重心的確定非常關(guān)鍵。而彎折式煙囪為非對稱結(jié)構(gòu)，重心不在幾何中心上，求解難度高，且目前沒有相應(yīng)的總結(jié)公式，技術(shù)人員往往憑借經(jīng)驗(yàn)來確定，效率和準(zhǔn)確率較低。

3)易變形。該類型煙囪為典型的壁厚薄、尺寸大、重量重的薄壁結(jié)構(gòu)，如果在吊裝過程中，煙囪的受力不當(dāng)，極易發(fā)生變形[5-6]，且為了減少高空作業(yè)，煙囪內(nèi)無法采用臨時(shí)支撐方式來加強(qiáng)煙囪的強(qiáng)度，這些都加大了減少煙囪變形的難度。

3 吊裝方案

3.1 整體思路

為了保證煙囪翻身的平穩(wěn)性，本方案采用2臺吊機(jī)抬吊，1臺吊機(jī)輔助吊裝的方案[7]，見圖2。其中吊機(jī)1通過撐桿作用在直段1，采用一字型撐桿減小臨時(shí)吊點(diǎn)1和2在翻身過程中的受力變化范圍，避免受力集中而造成吊點(diǎn)處的變形量過大[8]；吊機(jī)2利用圓形吊帶兜在彎頭2上，既可以分擔(dān)煙囪的重量，又可以扶正煙囪，方便后續(xù)煙囪的組對，圓形吊帶可將常規(guī)吊點(diǎn)的點(diǎn)受力變成線受力，增加受力面積,從而減小煙囪受壓變形；輔助吊機(jī)3作用在彎頭2靠近豎直段，在翻身過程中當(dāng)風(fēng)突然增大等意外發(fā)生時(shí)，可以拖拽住煙囪，提高安全性。撐桿和吊索具選擇時(shí)，需考慮翻身過程的干涉，主要可能發(fā)生在兩處:一為撐桿右端在翻身時(shí)易和圓形吊帶干涉，二為翻身過程中撐桿與臨時(shí)吊點(diǎn)之間的鋼絲繩和撐桿下端面易碰到防雨帽邊緣。

3.2 重心計(jì)算模型

為了提高該類型煙囪重心的計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，現(xiàn)對重心計(jì)算模型進(jìn)行總結(jié)。

從圖1可知，煙囪各部件均為管式結(jié)構(gòu)，關(guān)于Z平面對稱，所以只需確定重心X、Y坐標(biāo)即可。

設(shè)煙囪的總量為G總，重心為(X,Y)；防雨帽、直段1、彎段1、直段2、彎段2的重量分別為G1、G2、G3、G4、G5，重心分別為(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)、(X4,Y4)、(X5,Y5)，則有

其中，防雨帽和直段為常見直筒形式，重心和重量易求得，而彎頭重心的求解較為復(fù)雜。楊超等推導(dǎo)出長半徑彎頭(曲率半徑為1.5倍管直徑)的重心計(jì)算公式[9]。對于短半徑彎頭(曲率半徑為1倍管直徑)，亦可采用質(zhì)點(diǎn)線法求解。

如圖3所示，左邊為一個(gè)角度為θ的彎頭，o′x′y′為該彎頭的局部坐標(biāo)系，將彎頭繞著中心點(diǎn)o′劃分角度dθ的微元，即可得到圖中右側(cè)的等腰梯形ABCD微元，將每個(gè)微元看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，則彎頭重心的求解可轉(zhuǎn)換成一個(gè)弧形質(zhì)點(diǎn)線求重心，則有

(2)

式中：R為每個(gè)微元質(zhì)點(diǎn)到o的距離。當(dāng)彎頭曲率半徑為管直徑D的1倍時(shí)，DC=3AB，等腰梯形中心線上下部分的面積比為5∶3，則有式

(3)

代入式(2)，則有

(4)

根據(jù)彎頭的重量計(jì)算公式[9]

G彎頭=0.038 7(D-δ)δD/1 000

(5)

式中：δ為彎頭的壁厚。

將彎頭參數(shù)代入式(4)、式(5)，局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成全局坐標(biāo)系，即可得到彎頭1和彎頭2的重量和重心。將煙囪各部件的重量和重心求出，代入式(1)，即可得到煙囪的重心坐標(biāo)，吊點(diǎn)布置時(shí)，應(yīng)使重心處于吊點(diǎn)連線圖形的幾何中心上，保證翻身的安全性，如圖2所示。

3.3 吊裝步驟

大尺寸彎折煙囪的吊裝的關(guān)鍵步驟主要是翻身和運(yùn)輸。

翻身前，應(yīng)使3臺吊機(jī)合理站位，檢查吊索具后掛鉤進(jìn)行試吊工作；檢查無誤后，用2臺主吊機(jī)將煙囪抬離地面約3 m，吊機(jī)2不動(dòng)，吊機(jī)1繼續(xù)提升，提升過程應(yīng)緩慢；指揮者應(yīng)觀察煙囪的平穩(wěn)情況，吊點(diǎn)1、2和撐桿之間的鋼絲繩不能破壞防雨帽下邊緣。

完成90°翻身后，先將煙囪降下，直到將彎頭2的下表面放置在預(yù)先準(zhǔn)備的枕木上，吊點(diǎn)3摘勾；再將煙囪提升至地面一定高度(高于安裝位置約3 m)，2臺主吊機(jī)配合且緩慢地將煙囪運(yùn)到安裝處的上空，并緩慢下降煙囪，完成組對工作。

4 吊裝分析

翻身時(shí)，煙囪變形和吊點(diǎn)受力不斷變化，這是分析吊裝方案可行性的關(guān)鍵。所以，利用有限元分析軟件對煙囪翻身過程進(jìn)行受力分析。

4.1 建模

4.1.1 材料屬性

利用有限元分析軟件Abaqus 進(jìn)行建模分析[10]，煙囪的尺寸見表1，材料均采用15CrMo，密度為7 850 kg/mm3，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.3，重力加速度為9 800 mm/s2。

4.1.2 邊界條件

吊點(diǎn)布置如圖2所示，在吊點(diǎn)1、2和圓形吊帶與煙囪相接處的部位進(jìn)行固定，具體固定方式為X、Y、Z3個(gè)方向的位移為0，其他3個(gè)自由度不約束。模型分析時(shí)采取靜態(tài)分析法，即煙囪翻身到具體位置那一刻受力情況，力的加載只考慮重力場的作用。

4.1.3 工況

在整個(gè)翻身過程中，煙囪的受力情況會(huì)隨著翻身角度的變化而不斷變化，對此可將煙囪的整個(gè)翻身過程，即臥式(0°)到立式(90°)，選擇間隔15°作為分析工況。

4.2 結(jié)果分析

提取每個(gè)工況下的最大變形，則可得到最大變形U隨著翻身角度變化的曲線，見圖4。

由圖4可見，隨著翻身角度的增大，煙囪的最大變形量不斷減小，其中在0°時(shí)為最危險(xiǎn)工況，最大變形量為5.87 mm(滿足要求)，在90°時(shí)變形量最小,為2.16 mm。

每個(gè)工況下煙囪受到的支反力均發(fā)生在各吊點(diǎn)處，且波動(dòng)范圍不大，翻身平穩(wěn)性高。最大支反力RF隨著翻身角度的變化見圖5。

由圖5可見，隨著翻身角度的增大，最大支反力呈先增大后減小的趨勢，其中在45°時(shí)達(dá)到最大值79 kN，在90°時(shí)為最小值54 kN，吊點(diǎn)處的最大受力符合要求。

綜上，在整個(gè)吊裝過程中，煙囪受到的最大變形量、吊點(diǎn)最大受力，各吊點(diǎn)受力波動(dòng)范圍均符合要求，吊裝方法可行。吊裝現(xiàn)場情況見圖6。

5 結(jié)論

大尺寸彎折式煙囪吊裝采用雙吊機(jī)主吊、一吊機(jī)輔吊，其中吊機(jī)1利用撐桿輔助，吊機(jī)2使用吊帶兜住彎段2。吊裝分析和現(xiàn)場實(shí)際施工均表明該方法能有效保證翻身安全性和降低煙囪變形量。計(jì)算分析得出大尺寸彎折式煙囪的重心計(jì)算模型，提高了類似煙囪模型重心計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。采用該方法吊裝大尺寸彎折式煙囪，安全可靠，并且能夠有效減小吊裝過程中的變形，為類似大尺寸彎折式煙囪吊裝提供參考。

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