遲省利

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

在石油工業(yè)中,型鋼材料具有承載能力強、穩(wěn)定性高、質(zhì)量較輕、方便施工等諸多優(yōu)點,是大型承重結(jié)構(gòu)梁的重要原材料,也是管道、儀表、通訊等專業(yè)常用的支撐用材料[1]。海洋平臺由于其服役環(huán)境惡劣和結(jié)構(gòu)的不固定性、工藝管道的特殊性,決定了上部組塊管道支架的設(shè)計具有一定的特殊性。管道的承重類支架在承受管道自身及其附件重力荷載的同時,也要承受如閥門泄放、水擊力等偶然荷載[2],管道材料的熱脹冷縮引起的位移也會對管道支架產(chǎn)生一定的限制作用。這些復(fù)雜的操作工況決定了管道支撐類支架的預(yù)制必須采用具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的材料[3]。這類承重類支架通常由H型鋼、槽鋼、T型鋼和鋼管等材料焊接預(yù)制而成。經(jīng)過焊接預(yù)制成如I形支撐、L形支撐、T形支撐和門字形支撐等結(jié)構(gòu),用以支撐復(fù)雜的管道結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)制造的國標(biāo)型鋼材料具有優(yōu)良的特性,良好的承重能力,可行的材料替代方案會對項目的開展發(fā)揮積極的作用。

1 由H型鋼預(yù)制的管道支撐類支架

H型鋼具有各向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu),各個方向均可用于承重,因其適用的廣泛性和經(jīng)濟性,被稱為萬能型鋼在各行各業(yè)中大量使用[4]。在石油行業(yè)中,大尺寸H型鋼可作為平臺上部組塊各甲板間承重梁的承重材料,小尺寸H型鋼可用作機械儀表等設(shè)備的承重底座,在管道的管支架結(jié)構(gòu)中作為主要材料被大量使用[5]。

常見的由H型鋼、鋼管和鋼板預(yù)制成的管道支架結(jié)構(gòu)類型如下:

1)I形結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)相對簡單,由單一的H型鋼直接生根于結(jié)構(gòu)梁,當(dāng)需生根于主結(jié)構(gòu)梁時,需在結(jié)構(gòu)梁上焊接方形鋼板來防止結(jié)構(gòu)梁變形。在I形支撐結(jié)構(gòu)中間位置配合使用U型螺栓可對小尺寸管道進行固定和限位。

2)L形結(jié)構(gòu)。由生根于水平結(jié)構(gòu)梁的鋼管或者型鋼和其頂部焊接的水平型鋼組成L形支撐結(jié)構(gòu),可用于支撐較大尺寸管道。當(dāng)所支撐的結(jié)構(gòu)重力較大時,需在H型鋼中部焊接加強筋板來增加型鋼支撐能力[6]。

3)T形吊架結(jié)構(gòu)。由生根于水平結(jié)構(gòu)梁或平臺甲板底部的鋼管和其底部焊接的水平型鋼組成T字形吊架結(jié)構(gòu),用于支撐結(jié)構(gòu)梁或甲板下布置的管道。

4)門字形結(jié)構(gòu)。由兩根生根于單一結(jié)構(gòu)梁或跨距結(jié)構(gòu)梁上的結(jié)構(gòu)鋼與水平H型鋼組成的門字型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可同時對多條小尺寸管道進行支撐與限位,也可支撐單一的大尺寸管道,同時由于具有較強的承重能力,也可作為其他三級管支架的生根結(jié)構(gòu)。

上述各類型支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)I形;(b)L形;(c)T形;(d)門字形

2 支架型鋼材料的對比分析

在國內(nèi)建造的某外國海洋平臺建造項目中,對于管道支撐H型鋼材料,業(yè)主設(shè)計方設(shè)計選用由歐標(biāo)S335J2材質(zhì)[7]加工的型號IPE120型鋼[8],其生根于結(jié)構(gòu)梁或平臺甲板,組合成特定形狀的支架,用來支撐工藝管道。經(jīng)分析對比截面尺寸和抗拉伸屬性等參數(shù),找到與其外觀、截面、化學(xué)成分和抗拉伸性能等方面相似的由國標(biāo)Q355D材質(zhì)[9]加工的型號HN125×60型鋼[10],對兩種材料對比如下。

2.1 截面尺寸對比

H型鋼的截面形式如圖2所示。

圖2 H型鋼的橫截面

歐標(biāo)IPE120型鋼的截面尺寸依據(jù)歐標(biāo)EN 10034制造,國標(biāo)HN125×60的截面尺寸參考國標(biāo)GB/T 11263制造標(biāo)準(zhǔn)。上述兩種材料的截面參數(shù)對比如表1所示。

表1 截面參數(shù)對比

通過截面參數(shù)對比,可知歐標(biāo)型鋼的腹板略低,而翼緣板寬度略大于國標(biāo)材料。國標(biāo)材質(zhì)雖然翼緣板寬度較歐標(biāo)材料略小,但其翼緣板和腹板的厚度都略大于歐標(biāo)材料的厚度。同時雖然截面相近,但國標(biāo)材料承重時繞轉(zhuǎn)軸方向有較高的截面慣性矩,說明該國標(biāo)H型鋼的強度和剛度更高。

2.2 化學(xué)成分和抗拉伸性能對比

上述IPE120型鋼的材料采用的是歐標(biāo)S335J2材質(zhì),材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是歐標(biāo)EN10025;國標(biāo)HN125×60型鋼的材料采用的是國標(biāo)Q355D材質(zhì)。對比二者作為管道支撐材料的主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比如表2所示。

表2 化學(xué)成分對比

對比兩種材料的抗拉伸性能如表3所示。

表3 抗拉伸性能對比

通過上述比對可知,兩種材料具有相近的化學(xué)成分,相似的抗拉強度和一致的屈服強度。

3 建立I形支撐結(jié)構(gòu)的撓度計算模型

為便于計算,應(yīng)用材料力學(xué)分析方法將I形支撐結(jié)構(gòu)簡化為一端為固定支座,另一端為自由端的懸臂梁結(jié)構(gòu)[11]。該結(jié)構(gòu)受自身重力均勻載荷,同時末端受管道的壓力。建立撓度隨位移變化的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 I形支撐懸臂梁撓度隨位移變化的函數(shù)關(guān)系

圖3中Q為型鋼自身重力在簡支梁單位長度上的均勻荷載,F為簡支梁末端由管道豎直向下的重力形成的壓力,L為梁的長度,ω為懸臂梁隨水平位移x變化的撓度。由材料力學(xué)可知,當(dāng)不考慮末端壓力時,懸臂梁在任意一點受自身均勻重力荷載的撓曲線方程為:

(1)

式中,E為材料的彈性模量,I為型鋼材料的截面慣性矩。

將邊界條件x=L代入到撓曲線方程得到懸臂梁末端最大撓度為:

(2)

當(dāng)忽略懸臂梁自身重力僅考慮其末端受壓力F時,撓曲線方程為:

(3)

將邊界條件x=L代入到上述撓曲線方程得到懸臂梁末端最大撓度為:

(4)

I形支撐在實際承重時,需同時考慮自身重力與末端來自管道的壓力,因此懸臂梁最大撓度為:

(5)

其中,EI可視為懸臂梁材料的抗彎剛度,負號表示撓度方向為豎直向下。

4 對I形支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析

4.1 建立有限元分析模型

在ANSYS有限元分析軟件中,建立生根在豎直結(jié)構(gòu)梁上管道I形支撐的結(jié)構(gòu)模型。設(shè)置在相同溫度下,對上述兩種H型鋼分別作為該I形支架的原材料進行分析。為便于分析比較,設(shè)置兩種I形支撐生根于相同尺寸的結(jié)構(gòu)梁,且支撐結(jié)構(gòu)長度相同,均為1 m,在受自身重力的同時,都受到來自型鋼末端上表面相同質(zhì)量管道的壓力。采用Solidworks軟件建立I形支架結(jié)構(gòu)簡易模型并導(dǎo)入到Ansys有限元分析軟件如圖4所示。

圖4 I形支撐結(jié)構(gòu)模型

4.2 建立形變的數(shù)值模擬

對I形支撐結(jié)構(gòu)進行豎直方向的形變分析,對支架模型進行網(wǎng)格劃分,設(shè)置邊界條件為一端固定在結(jié)構(gòu)梁上,另一端為自由端的邊界條件。將表1～3中對應(yīng)的兩種型鋼材料的抗拉伸性能屬性值等參數(shù)分別賦予對應(yīng)的兩種截面尺寸的I形支撐模型,設(shè)置懸臂梁長度為1 m,同時設(shè)置懸臂梁末端均受0.5 kN豎直向下的壓力荷載。形變數(shù)值模擬如圖5、圖6所示。

圖5 國標(biāo)型鋼形變模擬

圖6 歐標(biāo)型鋼形變模擬

應(yīng)用ANSYS軟件模擬上述兩種H型鋼作為I形支撐結(jié)構(gòu)的形變量隨位移變化的曲線,并進行形變量對比如圖7所示。

圖7 形變對比曲線

通過數(shù)值模擬得出兩種材料作為管道的I形支撐結(jié)構(gòu)在相同受力條件下的形變值,可知國標(biāo)材料在豎直方向的最大撓度為0.238 mm,小于歐標(biāo)材料的0.308 mm。通過繪制形變量對比曲線,可知國標(biāo)材料在相同位移點處的形變量均小于歐標(biāo)材料。由于兩種材料的屈服強度相當(dāng),該國標(biāo)材料發(fā)生塑性變形的概率低于歐標(biāo)H型鋼。

5 結(jié)論

1)在海洋平臺建造過程中,支架材料的替代需滿足不影響自身結(jié)構(gòu)尺寸的基本要求,不影響焊接附件的尺寸和焊接位置。參照外觀尺寸相差不超過5%的基本原則,需同時滿足化學(xué)成分相近、截面相似,材料抗拉伸屬性基本相同等諸多條件。

2)通過綜合比較,在建造業(yè)主及詳細設(shè)計方同意材料替代方案的前提下,文中所述國標(biāo)材料可代替歐標(biāo)材料進行項目建造。該材料替代分析方法對海洋平臺建造項目具有一定的參考價值,可行的替代方案在節(jié)約項目建造費用,縮短完工周期等方面具有積極的意義。

3)該分析方法為類似的外國海洋平臺建造項目提供了相關(guān)設(shè)計和施工經(jīng)驗,除可對文中所述H型鋼材料進行分析,同時可作為角鋼、工字鋼、T型鋼等材料的建造加工設(shè)計提供參考。