李國(guó)明，楊 光，鄭曉利，張新友

長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司，陜西西安 710016

一體化集成裝置將機(jī)械、電子、自控、信息等專業(yè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合并高度集成于橇座，實(shí)現(xiàn)一種或多種工藝流程[1]。一體化集成裝置的橇座為鋼結(jié)構(gòu)，其承受設(shè)備的載荷并用于整體吊裝。設(shè)計(jì)時(shí)，若橫梁、圈梁和加強(qiáng)梁的H型鋼的截面選擇過小，在吊裝過程中橇座會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力過大而發(fā)生塑性變形，有可能導(dǎo)致吊裝安全事故；若圈梁、橫梁、加強(qiáng)梁等使用H型鋼的截面選擇過大，則會(huì)出現(xiàn)材料冗余，經(jīng)濟(jì)效益欠佳。

1 原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置及橇座

原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置是針對(duì)長(zhǎng)慶油田原油集輸特點(diǎn)和原油物性參數(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)的一種橇裝設(shè)備，可替代油田常規(guī)接轉(zhuǎn)站，目前已在原油生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)投入使用62套。

原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置橇由加熱分離橇（11 600 mm ×2 800 mm×300 mm）和外輸泵橇（11 600 mm×2 000 mm×300 mm）兩部分組成，采用工廠預(yù)制、分體運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼接的方式，以滿足裝置的運(yùn)輸要求。

加熱分離橇橇座上放置的主要設(shè)備包括：過濾器、加熱爐、分離緩沖罐、伴生氣分液器、空冷器、氣體流量計(jì)及配套管路、閥門等。

外輸泵橇橇座上放置的主要設(shè)備包括：外輸泵、流量計(jì)及配套管路、閥門等。

2 原油接轉(zhuǎn)橇座目前使用的設(shè)計(jì)方法

將橇座及橇座上各個(gè)設(shè)備的質(zhì)量載荷簡(jiǎn)化，視為作用在梁上的均布載荷，建立原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置的橇座力學(xué)模型。將橇座上各個(gè)設(shè)備的質(zhì)量載荷累加后，簡(jiǎn)化為作用在橫梁、加強(qiáng)梁上的均布載荷。將加強(qiáng)梁兩端設(shè)定為固支端、簡(jiǎn)支端，通過式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：f為梁的撓度，m；q2為梁承受的均布載荷，N/m；L為梁的長(zhǎng)度，m；E為材料的彈性模量，Pa；J3為慣性距，m4。

利用式（1）求解慣性矩最大值，確定加強(qiáng)梁與圈梁的型號(hào)。

均布載荷力學(xué)模型與原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置的橇座實(shí)際載荷分布不完全一致，一般橇座橫梁載荷為集中載荷，主加強(qiáng)梁為局部均布載荷，因此，按照式（1）所選擇的H型鋼截面過大，存在材料選擇冗余。同時(shí)，材料許用撓度參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2017）[2]B.1受彎構(gòu)件的變形容許值[δ]（許用撓度）選擇L/800[3]，對(duì)于橇座許用形變過于苛刻，安全系數(shù)過大，也存在材料選擇冗余。此外，橇座中圈梁、橫梁、加強(qiáng)梁、加強(qiáng)筋等焊接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，在裝置整體吊裝時(shí)，將橇座作為一個(gè)整體進(jìn)行受力分析，更符合實(shí)際工況。

為此，建立三維數(shù)字模型，精準(zhǔn)計(jì)量橇座吊裝時(shí)的載荷大小與分布，將橇座作為一個(gè)整體受力單元，利用有限元分析數(shù)值模擬，以優(yōu)化橇座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 有限元分析前置條件

原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置的橇座有兩種受力狀態(tài)，即集成裝置整體吊裝時(shí)的受力狀態(tài)和放置在混凝土基礎(chǔ)上運(yùn)行時(shí)的受力狀態(tài)。由于吊裝過程中橇座容易出現(xiàn)應(yīng)力過大及變形，因此選擇橇座的吊裝受力狀態(tài)作為危險(xiǎn)邊界進(jìn)行分析與優(yōu)化。在橇座上任取一單元體進(jìn)行受力分析，如圖1所示。

圖1 橇座有限元單元格受力分析

橇座在平衡狀態(tài)下，在各個(gè)方向上所受的力的總和為0，則平衡方程：

根據(jù)單元節(jié)點(diǎn)位移和單元應(yīng)變的關(guān)系，變形協(xié)調(diào)方程：

在SOLIDWORKS軟件中，建立原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置數(shù)字模型，即數(shù)字化樣機(jī)，如圖2所示。設(shè)定橇座及橇座上的設(shè)備、構(gòu)/配件的材質(zhì)及密度，以準(zhǔn)確計(jì)算橇座及橇座上設(shè)備的質(zhì)量，并利用SOLIDWORKS軟件計(jì)算得出整個(gè)裝置的質(zhì)心。隨后將建立的原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置模型導(dǎo)入SOLIDWORKS SIMULATION有限元分析模塊中，進(jìn)行裝置吊裝時(shí)橇座有限元分析。

圖2 原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置模型

裝置吊裝時(shí)，橇座有限元分析根據(jù)圖1所示的單元格進(jìn)行受力分析，以式（2）受力平衡方程和式（3）變形協(xié)調(diào)方程為基礎(chǔ)進(jìn)行。

4 加熱分離橇吊裝過程有限元分析[4-9]

4.1 參數(shù)化數(shù)字建模

加熱分離橇座長(zhǎng)11 600 mm、寬2 800 mm、高300 mm，主要由圈梁、橫梁、加強(qiáng)梁、鋪板、吊軸、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)件焊接而成。其中圈梁、橫梁、加強(qiáng)梁所用材質(zhì)為Q235B的H300型鋼，加強(qiáng)筋所用材質(zhì)為Q235B的L100等邊角鋼。

SOLIDWORKS軟件支持參數(shù)化數(shù)字建模，將截面保存為單獨(dú)的參數(shù)化模型，在模型優(yōu)化修改時(shí)，僅改變一個(gè)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)H型鋼或角鋼的型號(hào)修改。

4.2 橇座三維模型建立及簡(jiǎn)化

利用SOLIDWORKS軟件，通過使用焊接結(jié)構(gòu)中的草圖及截面輪廓等操作菜單搭建圈梁、橫梁、加強(qiáng)梁、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)；使用板材拉伸的方式建立墊墩和吊軸的結(jié)構(gòu)；使用結(jié)合命令，將所有結(jié)構(gòu)合并模擬焊接，加熱分離橇座三維模型如圖3所示。橇座主要受力部分為圈梁、橫梁、加強(qiáng)梁、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，鋪板（花紋鋼板，厚度6 mm）在結(jié)構(gòu)中主要起固定管道的作用且重量較輕，因此將鋪板在有限元分析時(shí)省略，以減少計(jì)算量。受力分析主要是對(duì)橇座整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，按照焊縫等強(qiáng)性原則，假設(shè)焊接強(qiáng)度足夠，將焊縫簡(jiǎn)化省略。

圖3 加熱分離橇座三維模型

4.3 建立有限元分析模型

將Q235B的材料屬性信息（楊氏彈性模量E=2.06×105MPa、泊松比 u=0.3、密度 ρ=7 800 kg/m3）添加到有限元分析軟件中。按照各焊接點(diǎn)強(qiáng)度足夠、變形可忽略的條件，將接觸設(shè)置為結(jié)合。在吊裝時(shí)，吊軸穿插在橇座上，在吊軸承壓面上的節(jié)點(diǎn)受到徑向位移的約束。在有限元分析時(shí)，使用約束來代替吊軸，4個(gè)吊軸處設(shè)置4個(gè)固定，如圖4所示。

圖4 加熱分離橇座吊裝條件約束

建立約束后進(jìn)行載荷加載。分離加熱橇的主要受力是設(shè)備的重力及橇座重力。設(shè)備的重力包括工藝管道、容器、泵閥等，其載荷由設(shè)備支座傳遞至橇座，載荷施加于整個(gè)設(shè)備的重心，重心位置通過軟件計(jì)算得出，如圖5所示，重力約為178 000 N，方向豎直向下。橇座重心位置通過軟件計(jì)算得出（如圖6所示），重力為88 000 N，方向豎直向下。

圖5 加熱分離橇上設(shè)備等重心位置分析計(jì)算

圖6 加熱分離橇座重心位置分析計(jì)算

橇座整體結(jié)構(gòu)采用四面體實(shí)體網(wǎng)格，網(wǎng)格的數(shù)量為1 096 244個(gè)，網(wǎng)格的最大寬高比為1.8，滿足有限元分析要求。四面體實(shí)體網(wǎng)格適應(yīng)能力較強(qiáng)，能適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，橇座結(jié)構(gòu)主要由H型鋼、角鋼和鋼板組成，各部分主要以焊接連接，在網(wǎng)格劃分時(shí)采用整體結(jié)合，橇座為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，因此邊角處理時(shí)采用應(yīng)力大的地方網(wǎng)格局部加密；在H型鋼的厚度方向上至少保證2層網(wǎng)格，其他區(qū)域網(wǎng)格適中，均勻過度，可保證計(jì)算結(jié)果的精度較高且計(jì)算效率高，橇座網(wǎng)格劃分示意及其具體參數(shù)分別見圖7、表1。

表1 有限元分析網(wǎng)格劃分具體參數(shù)

圖7 橇座吊軸網(wǎng)格劃分示意

4.4 有限元分析結(jié)果

從圖8的仿真結(jié)果得出：橇座的最大形變量為1 mm，出現(xiàn)在設(shè)備支座下方的主加強(qiáng)梁上；整個(gè)裝置在吊裝時(shí)，最大形變量在設(shè)備支座處，為1.2 mm。

圖8 加熱分離橇形變分布/mm

從圖9的仿真結(jié)果得出，橇座的最大應(yīng)力區(qū)域?yàn)榈踺S周圍以及設(shè)備支座下的主加強(qiáng)梁處，應(yīng)力值約50 MPa。依據(jù)JB 4732—1995的3.6.5.1條（一般的鋼材設(shè)計(jì)許用應(yīng)力強(qiáng)度為常溫下抗拉強(qiáng)度下限值的1/2.6或常溫下屈服強(qiáng)度的1/1.5或設(shè)計(jì)溫度下屈服強(qiáng)度的1/1.5中的最小值），由于Q235B鋼常溫下的抗拉強(qiáng)度下限為370 MPa，常溫下的屈服強(qiáng)度為235 MPa，因此Q235B鋼常溫下的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力為142 MPa，而橇座吊裝時(shí)的最大應(yīng)力約50 MPa，即小于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。對(duì)比有限元分析結(jié)果（最大應(yīng)力約50 MPa）與設(shè)計(jì)許用應(yīng)力（142 MPa）之間差值近2倍，橇座結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的空間。

圖9 加熱分離橇應(yīng)力分布/Pa

4.5 優(yōu)化后的橇座結(jié)構(gòu)有限元分析

將圈梁、橫梁、主加強(qiáng)梁橫截面尺寸由H300減小到H250，加強(qiáng)筋截面尺寸不變，其他條件不變，進(jìn)行分析計(jì)算。

從圖10的仿真結(jié)果得出橇座的最大形變量約為1.2 mm，出現(xiàn)在設(shè)備支座下方的主加強(qiáng)梁上；整個(gè)裝置在吊裝時(shí)的最大形變量仍在設(shè)備支座處，為1.5 mm。

圖10 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后加熱分離橇形變分布/mm

從圖11的仿真結(jié)果得出，優(yōu)化后的橇座的最大應(yīng)力區(qū)域仍為吊軸周圍以及設(shè)備支座下的主加強(qiáng)梁處，應(yīng)力在60 MPa左右，滿足JB 4732—1995的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力要求。

圖11 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后加熱分離橇應(yīng)力分布/Pa

加強(qiáng)筋截面尺寸等其他條件不變，將圈梁、橫梁、主加強(qiáng)梁橫截面尺寸設(shè)置為H200與H150，進(jìn)行分析計(jì)算，最大應(yīng)力值與最大形變量結(jié)果見表2，形變最大區(qū)域均為橇座主加強(qiáng)梁與設(shè)備支座，應(yīng)力最大區(qū)域均為吊裝周圍及主加強(qiáng)梁下部。

表2 圈梁、橫梁、主加強(qiáng)梁選用不同H型鋼有限元分析結(jié)果

綜合以上分析結(jié)果，將加熱分離橇的圈梁、橫梁、加強(qiáng)梁、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化至H250，能夠滿足吊裝要求。

4.6 外輸橇吊裝過程受力分析

按照加熱分離橇的有限元分析過程，對(duì)外輸泵橇吊裝過程進(jìn)行分析。根據(jù)外輸泵橇三維模型，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，添加載荷，分析離心泵重力、橇座自身重力等。將以上受力分析加載到有限元分析模型中進(jìn)行計(jì)算，具體過程如圖12～圖16`所示。

圖12 外輸泵橇三維模型

圖13 外輸泵橇荷載添加

圖14 外輸泵橇吊裝時(shí)重力分布

圖15 外輸泵橇形變分布/mm

圖16 外輸泵橇應(yīng)力分布/Pa

從圖15的仿真結(jié)果得出橇座的最大形變量為1.6 mm，出現(xiàn)在橇座中間側(cè)邊位置，由橇座自身的重力產(chǎn)生，可通過合理布置加強(qiáng)筋以減少形變。

從圖16的仿真結(jié)果得出，應(yīng)力值最大處在外輸泵安裝的加強(qiáng)筋處，最大應(yīng)力約為0.26 MPa，應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用溫度下的Q235B的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力（90 MPa），可通過合理布置、增大加強(qiáng)筋截面或減少圈梁、橫梁、加強(qiáng)梁來優(yōu)化橇座結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于SOLIDWORKS軟件建立原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化建模，有限元分析在同一軟件平臺(tái)下完成，可便捷地完成對(duì)橇座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（2）選擇圈梁、橫梁、主加強(qiáng)梁為H250橇座結(jié)構(gòu)，在滿足吊裝安全的前提下，每套原油接轉(zhuǎn)一體化集成裝置可節(jié)約鋼材約1.98 t，同時(shí)減少了橇座制造的工作量和碳排放量，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯。

（3）利用經(jīng)典的力學(xué)形變公式校核，選用主加強(qiáng)梁的截面尺寸，以及通過集中載荷選用圈梁與橫梁截面尺寸，安全系數(shù)較大，但經(jīng)濟(jì)性欠佳。

（4）通過SOLIDWORKS SIMULATION有限元分析軟件進(jìn)行橇座有限元分析，探索出一體化集成裝置較為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的橇座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，可為其他一體化集成裝置的橇座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。