FPSO火炬塔設(shè)計(jì)與制作要領(lǐng)

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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(shè)計(jì)與制作要領(lǐng)

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(shè)計(jì)原理，就火炬塔選型、腹桿和橫隔設(shè)置、平臺(tái)設(shè)置、排氣筒安裝問(wèn)題分別提出解決方案，用Ansys軟件建模對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足功能要求，對(duì)降低其疲勞強(qiáng)度的TKY節(jié)點(diǎn)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(wàn)t級(jí)的超大型油船(VLCC)改裝為FPSO后所新預(yù)制安裝的大型鋼結(jié)構(gòu)塔架。該油船基本情況如下。

1)設(shè)計(jì)吃水22.7 m，型深31 m，型寬58 m，甲板面面積相當(dāng)于3個(gè)足球場(chǎng),總長(zhǎng)達(dá)346.5 m。

2)原油儲(chǔ)存160萬(wàn)桶、日處理15萬(wàn)桶，天然氣日處理600萬(wàn)m3。作業(yè)水深2 120 m，作業(yè)油田離岸250 km，且在未來(lái)25年不需要進(jìn)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(dǎo)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(jiàn)的形式有：塔架式﹑拉線式和自立式。

1.2 火炬塔設(shè)計(jì)原理

從生產(chǎn)角度介紹火炬塔的設(shè)計(jì)、制作環(huán)節(jié)。

火炬塔塔架的類型見(jiàn)圖1。

圖1 火炬塔塔架類型

塔柱不在三角形平面形心上(見(jiàn)圖1a)，c))，能充分發(fā)揮鋼材的作用。同時(shí)三角形相比正方形塔架(見(jiàn)圖1b))節(jié)點(diǎn)少﹑桿件少，且平臺(tái)梁的跨度也少[1-2]。所以，防腐工程量和用鋼量(相應(yīng)規(guī)范要求一定高度底部塔架要做PFP防火處理)都相應(yīng)減少達(dá)10%以上，經(jīng)濟(jì)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(shí)，在橫截面上應(yīng)增設(shè)橫隔(見(jiàn)圖1c))。現(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(shí)對(duì)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(shè)計(jì)規(guī)范)，底部邊長(zhǎng)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(tái)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(diǎn)形式見(jiàn)圖2。

圖2 折點(diǎn)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(dòng)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(yīng)采用剛性K形腹桿。對(duì)于節(jié)間較長(zhǎng)的腹桿(近地面)，可采用再分式腹桿[5-7]。

1.5 橫隔設(shè)置

橫隔設(shè)置：一般設(shè)在塔架最頂層以及塔面變坡處，構(gòu)造薄弱且受力情況復(fù)雜處。其余部位可隔2～3個(gè)節(jié)間設(shè)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(jiàn)圖3。

圖3 橫隔設(shè)置

1.6 平臺(tái)設(shè)置

平臺(tái)包括休息平臺(tái)和操作平臺(tái)。

休息平臺(tái)設(shè)置需滿足：欄桿高度不宜低于1.2 m；一般每隔15～20 m設(shè)一處；應(yīng)設(shè)安裝及檢修的吊裝孔，并將欄桿設(shè)為活動(dòng)形式。

塔架與排氣筒連接處應(yīng)設(shè)操作平臺(tái)，橫隔桿件可作為平臺(tái)的平臺(tái)梁，以增加平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度，能夠傳遞排氣筒產(chǎn)生的荷載[8-10]。將操作平臺(tái)和休息平臺(tái)結(jié)合在一起進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.7 塔架與排氣筒的連接

連接方式有2種：自由滑動(dòng)連接和固定連接。

FPSO火炬塔燃燒筒加套管直接穿過(guò)，頂部平臺(tái)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(wèn)題處理

2.1 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

對(duì)于局部構(gòu)件，尤其管節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，影響其疲勞強(qiáng)度的2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力(hot spot stress)和應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)。若應(yīng)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(jí)社)和API(美國(guó)石油協(xié)會(huì))規(guī)范要求已明確規(guī)定，考慮局部構(gòu)件管節(jié)點(diǎn)的局部柔度對(duì)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(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4。

圖4 典型K管節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式

本火炬塔在設(shè)計(jì)時(shí)為降低應(yīng)力集中系數(shù)，做出相應(yīng)的規(guī)定。

2.1.1 K型管節(jié)點(diǎn)

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(shí)，弦管與撐管相貫線上各關(guān)鍵點(diǎn)(鞍點(diǎn)、冠根﹑冠趾)的間距要求如下。

水平橫撐管冠點(diǎn)與斜撐管趾部?jī)糸g距不小于50 mm。

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

主管與斜撐管根部對(duì)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(yīng)力區(qū)材料脆化與高應(yīng)力的重疊。以形成柔性趾端來(lái)降低應(yīng)力集中系數(shù)，達(dá)到延長(zhǎng)疲勞壽命的目的。

2.1.2 馬鞍口

馬鞍口焊接要求對(duì)稱分段對(duì)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(yīng)力集中。為避免在焊趾處出現(xiàn)應(yīng)力集中，余高不宜過(guò)高，應(yīng)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(fēng)、浪、流的作用下使FPSO運(yùn)動(dòng)，為抵抗運(yùn)動(dòng)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(diǎn)管壁均加厚處理，用有限元法校核下底座的強(qiáng)度。

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型范圍：10根斜撐管外加3根立柱截止到第2個(gè)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(jiàn)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(biāo)材質(zhì)355-I(相當(dāng)于國(guó)標(biāo)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(qiáng)度計(jì)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(gè)自由度即x、y、z3個(gè)方向的位移約束與x、y、z3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。在火炬塔3個(gè)主立柱第2個(gè)Cone上口處施加載荷。

3.5 計(jì)算工況及計(jì)算載荷

3.5.1計(jì)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(shí)的極限狀態(tài)對(duì)底座的局部和整體進(jìn)行強(qiáng)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響，不考慮附加質(zhì)量剛度的貢獻(xiàn)作用。

3.5.2 計(jì)算載荷：

綜合考慮其余構(gòu)件和焊接的影響，計(jì)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?xì)夤艿离娎|等合計(jì)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(gè)主立柱在Cone的上口處每個(gè)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(fēng)載為火炬塔所受的主要外部載荷，風(fēng)壓計(jì)算公式為：w=1/1 630×v2。風(fēng)速v據(jù)該FPSO工作區(qū)域可以取60 m/s的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)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(fēng)載。此處簡(jiǎn)易計(jì)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(jì)算結(jié)果

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

圖7 底座應(yīng)力分布

3.7 強(qiáng)度評(píng)估

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

4 FPSO火炬塔建造過(guò)程工藝簡(jiǎn)述

4.1 建造方式

火矩塔尺寸示意于圖8，以下簡(jiǎn)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(diǎn)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(yù)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)。弧形托板上點(diǎn)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(diǎn)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(shí)際板厚就可算出此處立柱實(shí)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(jiàn)圖9。布置原則：支架選用工字鋼防變形。據(jù)實(shí)際頂管吊裝長(zhǎng)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(bào)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(gè)很重要環(huán)節(jié)，若主尺度，直線度不達(dá)標(biāo)均會(huì)給工程的順利完成帶來(lái)巨大隱患，通過(guò)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(bào)整體焊前。

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

胎具搭設(shè)和鋼管構(gòu)件組裝采用全站儀等測(cè)量?jī)x器精確定位，以L-2為例，見(jiàn)圖10。

圖10 裝配現(xiàn)場(chǎng)

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

相差149 mm，定位好后打十字洋沖點(diǎn)標(biāo)示實(shí)際中點(diǎn)，每一層皆如此。每一階段焊前、焊后需打精度以便及時(shí)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(fù)合體系動(dòng)力系統(tǒng)研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2009.

[2] 李文莉.風(fēng)載控制下火炬塔架鋼管徑厚比限制研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2010.

[3] 張家元.鋼管砼拱橋管-板承載力實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2006.

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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(xué)士，工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)特設(shè)計(jì)制造