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结构用不锈钢案例研究 (四)
来源: | 作者:emma | 发布时间: 2024-07-30 | 2028 次浏览 | 分享到:



   armada 海上油气平台膳宿舱模组

   armada平台由b 集团运营,在距阿伯丁以东250公里的北海中部的三块天然气及凝液田进行开采活动。它由一个有四条腿的钢制空间架构壳体构成,支撑着上面的一个集成化的甲板,甲板则包括了井口、加工和膳宿设施。根据要求要将平台上的生活设施扩展到可容纳59名员工。2009年,4组防爆和防火级的膳宿模组和2组步行道模组被增加到了平台上,步行道模组将新增的模组与既有膳宿模组连接起来。

    材料选择

    在严酷的近海环境下,碳钢需要定期重新喷漆及维护,而不锈钢则一般只需较少的维护。安装的模组与平台边缘上面的悬臂之间只有不大的空隙,这使得维护工作既困难又危险。因此,业主要求所有暴露在外部环境下的钢材均应为不锈钢,以避免在未来30年的平台设计寿命期里高昂的维护开支。

    对结构的包覆采用了符合en10088-2川标准的2b轧制表面奥氏体不锈钢1.4401(s31600)。这种钢暴露于碳氢化合物失火中60分钟后仍显示保持了足够的强度和坚硬度,以及优异的延展性和韧性,这可以抵御设想中发生的爆炸。

图1:armada平台

图2:在 armada 平台上安装最后一个模组

    设计

    每个生活舱模组长度为11.93米,宽4.50米,高3.20米,重23吨。膳宿和舱模组和步道模组的基本结构形式相同:碳钢框架、硬化地板和屋顶,外覆宽250毫米、深80毫米、壁厚2.0毫米的波纹压型不锈钢墙壁板。

    规范中1.4401不锈钢的0.2%最低屈服强度为240n/mm20,但轧钢厂材质证明显示的实测值为超过365n/mm2,而设计工作是以实测值为基础进行的。构成模组主框架的碳钢屈服强度为355n/mm2。 

    模组的防火定级达到h60级,这就意味着它们必须在暴露于碳氢化合物着火环境中60分钟而依然保持其承载功能。碳氢化合物着火60分钟后,温度会达到1100℃。奥氏体不锈钢展现出与碳钢不同的强度和屈服性能(图4)。典型1.4401钢在1100℃时保持了约6%的0.2%屈服强度,而碳钢只保持了3%的屈服强度。

    在爆炸压力升高和下降时间均为10毫秒时,模组设计的抗爆峰值压强为110毫巴。不锈钢具有高强度和良好的能量吸收特性以及高延展性,因此,是一种理想的防暴结构用材。塑性阶段应力-应变曲线的形状确保不锈钢比同等强度的碳钢更高的塑性抗矩。不锈钢因此可以吸收大量的冲击波不会断裂。

    h60级热陶瓷超级棉x607隔热层被封装在铝箔蒸汽隔板内,放在主要碳钢框架外侧、不锈钢板的内侧,以使结构框架绝热。

图3:在达林顿( darlington )工厂内的一个生活舱模组

图4:不锈钢和碳钢的强度和屈服性能的比较

(不锈钢和碳钢均为2%应变情况)

    结构分析

    在所有临界载荷合并作用的情况下,使用staad.pro 软件对模组的结构性能进行了分析。对膳宿模组和步行道模组各建立了两个模型:一个模型针对h60'热案例',结构中的受热部件材料性能降低;第二个模型针对'冷案例'情况。

    梯形墙面压型是抵挡表面横向负荷(如爆炸冲击)的一种经济的结构形式。但是,如不进行耗时的分析就无法准确地用模型演示复杂压型。因此,采用经验代表值和源自更加详细的有限要素分析结果,导出了波纹墙板的等效各向异性平板性能值,并可在staad.pro 软件模型中使用,以模拟波纹板的双向硬化。

    选取的设计风荷载为3秒钟50年一遇的阵风,相当于1.68kn/n2。也考虑到了冰雪负荷。波纹墙板的临界载荷合并为:

    一静载、动载和最大风力(d l w )

    一爆炸

    模型显示,最大应力一直出现在模组的顶部和底部的边缘周围,而不管哪有水平的地板、顶板还是楼梯与墙相连。

图5: 4组生活舱单元的staad.pro 框架构成模型

图6:步行道模组的staad.pro 框架构成模型

    制造

    库存商提供了2毫米厚的不锈钢板。然后用车间内数控等离子切割机和冷压机制造出所要求的形状。预制的带有隔热层的不锈钢面板被焊到结构框架上。将碳钢焊到不锈钢上使用熔化极惰性气体保护电弧焊(mic)工艺,在氙气保护下,连续输进标准不锈钢焊条。制造完成后,对钢板进行酸洗以去除任何嵌入的铁颗粒,当这些颗粒暴露于海洋环境下中时,就会锈蚀。

图7:在墙面板内安放隔热层

    安装

    制造完成的模组通过卡车运到海岸边,装船送往 armada 平台。穿过包覆层,每个模组四角的碳钢框架上都附有提升吊眼。吊眼也可起到对第2层模组定位安装的剪力指示的双重作用。下层模组用m16a4-80螺栓连接到模组支撑架(msf)上。

    膳宿模组按照两上两下的布局连接到一起,并预留有将来安装第三层的条件。楼梯模组装在其中一端,坐落在自己的模组支撑架上。

图8:膳宿模组完成待运

图9:安装膳宿模组

图10:将新生活模组与既有生活区连在一起的步行道模组之一


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