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(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

FPSO火炬塔設計與制作要領

高維維,劉劍

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

介紹火炬塔架設計原理，就火炬塔選型、腹桿和橫隔設置、平臺設置、排氣筒安裝問題分別提出解決方案，用Ansys軟件建模對結(jié)構(gòu)進行應力分析，以驗證結(jié)構(gòu)強度滿足功能要求，對降低其疲勞強度的TKY節(jié)點提出解決辦法。

結(jié)構(gòu)；抗疲勞；有限元；建造工藝

所述火炬塔為一艘30萬t級的超大型油船(VLCC)改裝為FPSO后所新預制安裝的大型鋼結(jié)構(gòu)塔架。該油船基本情況如下。

1)設計吃水22.7 m，型深31 m，型寬58 m，甲板面面積相當于3個足球場,總長達346.5 m。

2)原油儲存160萬桶、日處理15萬桶，天然氣日處理600萬m3。作業(yè)水深2 120 m，作業(yè)油田離岸250 km，且在未來25年不需要進行大修理，因此建造質(zhì)量要求較高。

1 FPSO火炬塔

1.1 火炬塔結(jié)構(gòu)

火炬塔結(jié)構(gòu)形式類似導管架，主腿柱與斜支撐共同構(gòu)成三角型構(gòu)架，主燃燒管成為火炬塔一部分。常見的形式有：塔架式﹑拉線式和自立式。

1.2 火炬塔設計原理

從生產(chǎn)角度介紹火炬塔的設計、制作環(huán)節(jié)。

火炬塔塔架的類型見圖1。

圖1 火炬塔塔架類型

塔柱不在三角形平面形心上(見圖1a)，c))，能充分發(fā)揮鋼材的作用。同時三角形相比正方形塔架(見圖1b))節(jié)點少﹑桿件少，且平臺梁的跨度也少[1-2]。所以，防腐工程量和用鋼量(相應規(guī)范要求一定高度底部塔架要做PFP防火處理)都相應減少達10%以上，經(jīng)濟效果顯著。但出現(xiàn)作用在塔架上的水平荷載和轉(zhuǎn)矩較大時，在橫截面上應增設橫隔(見圖1c))?，F(xiàn)已建成的火炬塔架中，較多采用三角形塔架。

1.3 塔架高度、寬度及立面形式

火炬頭或鋼制排氣筒高度約高于塔架10 m。排氣筒的高度比塔架高，可減少排放的氣體介質(zhì)腐蝕作用，尤其在低壓時對塔架頂部的影響，使用壽命因此得到提高。

塔架寬度：按規(guī)定(海工設計規(guī)范)，底部邊長不小于塔架高度的1/10，一般取為1/5～1/8。頂部的寬度根據(jù)三方面要素確定其尺寸，即排氣筒直徑、支撐方式及檢修平臺面積。

一般塔架的立面形式有以下四種：①直線型﹑②單折線型﹑③多折線型﹑④有拱形底座的多折線型。此論述的火炬塔采用結(jié)構(gòu)為多折線型[3-4]。折點形式見圖2。

圖2 折點形式

1.4 腹桿體系

塔柱與斜腹桿夾角取值為30°～45°。一般常用的有交叉和K形腹桿體系。

由于塔架的頂部溫度較高，火炬頭振動影響較大，且水平集中力較大；在底部尤其接近地面的節(jié)間受較大的剪力作用，或受較大的轉(zhuǎn)矩作用，因此，這2部分位置應采用剛性K形腹桿。對于節(jié)間較長的腹桿(近地面)，可采用再分式腹桿[5-7]。

1.5 橫隔設置

橫隔設置：一般設在塔架最頂層以及塔面變坡處，構(gòu)造薄弱且受力情況復雜處。其余部位可隔2～3個節(jié)間設置一道。橫隔還可用于固定焊接管套電纜管線支架，故在FPSO的火炬塔上從Level-1到Level-20每一層均布置有橫隔支撐。見圖3。

圖3 橫隔設置

1.6 平臺設置

平臺包括休息平臺和操作平臺。

休息平臺設置需滿足：欄桿高度不宜低于1.2 m；一般每隔15～20 m設一處；應設安裝及檢修的吊裝孔，并將欄桿設為活動形式。

塔架與排氣筒連接處應設操作平臺，橫隔桿件可作為平臺的平臺梁，以增加平臺的強度和剛度，能夠傳遞排氣筒產(chǎn)生的荷載[8-10]。將操作平臺和休息平臺結(jié)合在一起進行設計。

1.7 塔架與排氣筒的連接

連接方式有2種：自由滑動連接和固定連接。

FPSO火炬塔燃燒筒加套管直接穿過，頂部平臺板開單面坡口，單面焊后反面碳刨清根全焊透。

2 FPSO火炬塔疲勞問題處理

2.1 節(jié)點應力

對于局部構(gòu)件，尤其管節(jié)點來說，影響其疲勞強度的2個設計參數(shù)為節(jié)點應力(hot spot stress)和應力集中系數(shù)(SCF)。若應力集中系數(shù)增大18%，則疲勞壽命可以減少一半。

DNV(挪威船級社)和API(美國石油協(xié)會)規(guī)范要求已明確規(guī)定，考慮局部構(gòu)件管節(jié)點的局部柔度對塔架總體結(jié)構(gòu)的影響[11]。具體分類有T,K,X,Y型等，通稱TKY Joint。典型K管節(jié)點的結(jié)構(gòu)形式見圖4。

圖4 典型K管節(jié)點的結(jié)構(gòu)形式

本火炬塔在設計時為降低應力集中系數(shù)，做出相應的規(guī)定。

2.1.1 K型管節(jié)點

撐管在分別承受面外彎曲和面內(nèi)彎曲，以及軸向平衡載荷時，弦管與撐管相貫線上各關鍵點(鞍點、冠根﹑冠趾)的間距要求如下。

水平橫撐管冠點與斜撐管趾部凈間距不小于50 mm。

水平橫撐管中心線和主管中線交點與斜撐管中心線和主管中線交點凈間距不小于200 mm。

主管與斜撐管根部對接口凈間距不宜小于300 mm。

作用是避免焊道熱影響區(qū)的重疊，防止趾端高應力區(qū)材料脆化與高應力的重疊。以形成柔性趾端來降低應力集中系數(shù)，達到延長疲勞壽命的目的。

2.1.2 馬鞍口

馬鞍口焊接要求對稱分段對稱焊接，一般分5段處理。所有坡口根部留4～6 mm的裝配間隙以便焊接熔透。焊接后的焊趾需打磨出T/2的弧度Min10 mm，也可TIG熔修以消除焊縫與母材的應力集中。為避免在焊趾處出現(xiàn)應力集中，余高不宜過高，應控制在2～5 mm之內(nèi)。均勻布置橫向、斜向撐管的。

3 塔座有限元分析

塔座由3根中央主立柱和10根斜撐組成。在風、浪、流的作用下使FPSO運動，為抵抗運動引起的交變載荷的作用，火炬塔與主船體連接處采用Z向鋼連接[12]。管節(jié)點管壁均加厚處理，用有限元法校核下底座的強度。

3.1 計算模型

計算模型范圍：10根斜撐管外加3根立柱截止到第2個Cone上口。

圖5 底座有限元模型

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸

構(gòu)件尺寸源于火炬塔結(jié)構(gòu)圖，采用1∶1建模見圖5。

3.3 鋼材物理參數(shù)

楊氏模量E=206 GPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7850 kg/m3。

火炬塔采用德標材質(zhì)355-I(相當于國標Q345)，其材料參數(shù)：σs=345(板厚≤16 mm)；σs=335(16 mm≤板厚)。

3.4 邊界條件

在火炬塔底座整體強度計算中考慮到甲板加厚板材為Z向性能鋼，因此所有與甲板面接觸的結(jié)構(gòu)施加全約束，6個自由度即x、y、z3個方向的位移約束與x、y、z3個方向的轉(zhuǎn)動約束。在火炬塔3個主立柱第2個Cone上口處施加載荷。

3.5 計算工況及計算載荷

3.5.1計算工況

火炬塔置于主甲板上，參照船體橫傾角范圍0°～17°。取船舶橫傾17°時的極限狀態(tài)對底座的局部和整體進行強度校核。將電纜及支架、排氣筒、舾裝件等附件作為附加質(zhì)量，此處僅考慮附加質(zhì)量(電纜及支架、排氣筒、舾裝件等)對結(jié)構(gòu)的影響，不考慮附加質(zhì)量剛度的貢獻作用。

3.5.2 計算載荷：

綜合考慮其余構(gòu)件和焊接的影響，計算載荷密度取原載荷密度的1.05倍。

本火炬塔結(jié)構(gòu)凈重325 t(含底座68.3 t)；舾裝件重量15.2 t；燃氣管道電纜等合計60 t。

圖6 塔架整體尺寸

故鍵入模型的凈重量為：325+15.2+60-68.3=331.9 t

3個主立柱在Cone的上口處每個環(huán)面施加載荷為Fz=-331.9×9.8×1 000÷3×1.05=-1 138 417 N, 此為模型施加的垂向載荷。

橫向載荷由2部份組成。

1)橫向風載為火炬塔所受的主要外部載荷，風壓計算公式為：w=1/1 630×v2。風速v據(jù)該FPSO工作區(qū)域可以取60 m/s的臺風強度考慮，再根據(jù)火炬塔橫向投影面積即可快速算出橫向風載。此處簡易計算取橫傾狀態(tài)下橫向分力的0.5倍作為水平分力已足以校核其極限工況。

2)塔身自重在傾斜17°狀況下?lián)仄胶夤綋Q算出加在Cone上口的等效橫向分力。

Fx=400.2×35×Sin17°÷8.4×9.8×

1 000÷3×1.05=1 670 101N

以上2部分合力為

Fx= 1 670 101×(1+0.5)=2 505 152 N,此為模型施加的橫向載荷。

3.6 計算結(jié)果

在極限情況下(船舶橫傾17°)底座等效應力及位移分布見圖7，最大等效應力為247.1 MPa。

圖7 底座應力分布

3.7 強度評估

計算得到構(gòu)件最大等效應力為247.1 MPa，小于屈服極限335 MPa。最大應力在根部，現(xiàn)場處理加一圈柔性肘以減小應力集中。板最大等效應變4.6 mm，因模型選取局部作為計算范圍，頂部未加全約束，實際情況是與上面結(jié)構(gòu)焊接成一體，故此應變可忽略不計。綜上，總體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

4 FPSO火炬塔建造過程工藝簡述

4.1 建造方式

火矩塔尺寸示意于圖8，以下簡明介紹火炬塔的建造方式。

圖8 火炬塔尺寸示意

建造方式：以B,C管為胎躺造。從L-21開始定位起胎，從頂?shù)降追聪蚪ㄔ臁?/p>

L-0～L-13為等腰三角形，Lbc=Lac；L-13～L-21為等邊三角形，Lbc=Lac=Lab

為保證 L-13～L-21的胎架高度一致，B和C管在L-0～L-13層間中心水平高度存在差距。以L-2為例，此節(jié)點處B管比C管低215 mm，以此類推。

4.2 胎架與支架選取

1)胎架。以800 mm高的預制水泥墩為底，布好墩位如上圖所示取7.5 m或7.0 m等間距。

立柱下方剛性固定在水泥墩上，上方焊接弧形托板(直徑大于鄰接處主管)?；⌒瓮邪迳宵c離地高度和傾斜角度提前換算好，可以批量快速下料。

以L-2為例，C管在此節(jié)點處托板上表面離地高1 667 mm，減去水泥墩高800 mm再考慮托板實際板厚就可算出此處立柱實際高度。B管在此高度上降低215 mm。

支架。支架用于頂上的A管定位安裝，布置見圖9。布置原則：支架選用工字鋼防變形。據(jù)實際頂管吊裝長度和重量提前2端布置，離結(jié)構(gòu)焊接處不少于500 mm，便于裝焊磨。靠近塔底因底部構(gòu)件重量大需加多立向支撐和斜支撐以便安全吊裝和防變形。頂管A管前后高度定位后做卡固定在支架上，然后安裝水平橫撐，最后安裝斜撐管，定位坡口處理磨好后報裝配。

圖9 支架布置示意

4.3 火炬塔精度控制

火炬塔精度是否控制到位也是一個很重要環(huán)節(jié)，若主尺度，直線度不達標均會給工程的順利完成帶來巨大隱患，通過上述已有建造流程思路：起胎→鋪放B、C管→鋪放B、C管間橫撐再斜撐→鋪放A管→鋪放AB、AC間橫撐，再由斜撐→報整體焊前。

從單根桿件下料開始，嚴格控制焊接變形和組裝精度，直至整體預拼裝結(jié)束，然后全面進行檢查控制。

胎具搭設和鋼管構(gòu)件組裝采用全站儀等測量儀器精確定位，以L-2為例，見圖10。

圖10 裝配現(xiàn)場

因等間距布置的胎位中心與實際節(jié)點中心不一定重合，故需經(jīng)三維建模換算好每一處的實際誤差值。此處水平撐管中與立柱中交點與胎位中

相差149 mm，定位好后打十字洋沖點標示實際中點，每一層皆如此。每一階段焊前、焊后需打精度以便及時調(diào)整到位，最后完工再打整體精度。

[1] 劉春光.火炬塔——排氣筒復合體系動力系統(tǒng)研究[D].南京:南京工業(yè)大學,2009.

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The Key Points of Design and Production of the Flare Tower of FPSO

GAOWei-wei,LIUJian

(CNOOC EnerTech Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

According to the design principles of the flare tower, the solution of the type selection, design of the abdominal bars, diaphragm and the platform, and the installation of the exhaust pipe were respectively presented. The stress of the flare tower was calculated by Ansys to assess its structural strength. A solution was proposed for TKY nodes to reduce their fatigue strength.

structure; anti fatigue; finite element method; construction process

U662

A

1671-7953(2017)05-0106-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.028

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

高維維(1982—)，女，學士，工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)特設計制造