FPSO火炬臂疲勞分析

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

火炬臂結構的主要作用是燃燒和排放可燃氣體，在FPSO上火炬臂一般布置在船首部或尾部。由于火炬臂為高聳結構，風激疲勞[1]不可忽略。另外，由于火炬臂距離搖心位置較遠，且重心較高，船體運動產生的慣性力較大，疲勞損傷需要在結構設計中重點考慮。目前國內的研究成果多集中在運動產生的疲勞和風激疲勞的單獨分析上，沒有對兩種疲勞的組合損傷進行分析。本文分別對火炬臂結構的兩種疲勞損傷進行分析，并在DNV-RP-C203[2]的基礎上計算兩種疲勞的組合疲勞損傷。

1 計算模型及設計參數

1.1 計算模型

以南海某FPSO的火炬臂為例，使用SACS軟件建立火炬臂結構模型，如圖1～圖3所示。火炬臂長度為85 m，火炬臂荷載包括結構自重、管線質量、附屬構件質量等。火炬臂位于船首側，設計使用壽命為30 a，疲勞安全因數取2.0。

圖1 火炬臂三維模型 圖2 火炬臂上平面節點 圖3 火炬臂下平面節點

1.2 S-N曲線及應力集中因數

S-N曲線表示疲勞應力幅與最大許用循環次數之間的關系，S-N曲線的選取主要考慮目標節點的類型、焊接和檢驗方式等。應力集中因數是指熱點應力與名義應力的比值。DNV規范[2]給出了常見節點的應力集中因數計算公式以及S-N曲線。本文所用S-N曲線和應力集中因數如表1所示。

表1 S-N曲線和應力集中因數

1.3 FPSO來浪方向選取及占比

FPSO可以繞系泊塔自由旋轉，在環境荷載比如波浪和風荷載作用下，船首會旋轉至來浪方向。在旋轉過程中，一定時間內船首方向與風浪流方向不一致，即風浪流作用于船側方向，但在現有的環境數據和船舶響應數據的基礎上，仍然無法評估環境荷載作用于船側情況在服役期的占比。計算火炬臂因船體運動引起的疲勞和風激疲勞時，保守考慮，取180°方向(船首方向)的時間占比為100%，從180°位置沿順時針和逆時針方向各偏轉45°來考慮環境荷載作用于船側的情況即135°和225°，兩個方向的時間占比均為7.5%，總占比為115%。

1.4 RAO數據

根據以上來浪方向分別計算135°、180°和225°方向船體搖心處的RAO位移響應，如圖4～圖6所示。

圖4 來浪方向135°船體RAO

圖5 來浪方向180°船體RAO

圖6 來浪方向225°船體RAO

2 有限元求解應力集中因數

2.1 有限元模型

火炬臂根部拐點位置采用管與管對接的形式，如圖7所示，該位置的應力集中因數須通過有限元分析計算得到。有限元模型如圖 8所示，采用8節點SHELL 93單元，網格尺寸采用1倍筋板厚度，管底部位置固接約束，管上部建立耦合約束，荷載施加在耦合節點上。

圖7 拐點模型示例 圖8 有限元模型

2.2 計算方法

依據DNV-RP-C203應力外推法計算拐點截面熱點應力即為該位置的應力集中因數，計算方法如下：

(1) 根據管截面參數，分別計算受壓、受面內彎和受面外彎時上管截面的名義應力，應力值為1時作為各工況的計算荷載。

(2) 在拐點截面的最大應力點位置處，沿主應力方向分別求出距離該位置t/2和3t/2(t為應力路徑上的管壁厚)的節點應力。

(3) 利用插值法求出熱點應力即為拐點截面在對應工況下的應力集中因數。

2.3 熱點應力計算結果

面內彎工況下的應力結果如圖9所示。

圖9 面內彎工況下t/2和3t/2位置處的應力

計算位置點熱點應力為

σscf=0.5×(3×σt/2-σ3t/2)=0.5×(3×3.398 63-2.600 4)=3.798

(1)

式中：σscf為計算位置處的熱點應力即應力集中因數；σt/2為距離計算位置t/2位置處的應力；σ3t/2為距離計算位置3t/2位置處的應力。

各工況下的應力集中因數如表2所示。

表2 各工況下拐點位置應力集中因數

將表2的拐點位置應力集中因數值代入SACS計算文件中，可以求得拐點位置的疲勞損傷。

3 疲勞分析

3.1 譜分析方法

波浪和風都可認為是平穩的隨機過程，以波浪為例，其服從窄帶高斯分布，如果將FPSO結構視作線性系統，則得到的應力響應服從瑞利分布。隨機過程可由頻率不同的簡諧波疊加組合而成，海浪的總能量由各組成波提供，海浪能量相對于各組成波的概率分布構成海浪這一隨機過程的頻域特性。

選用PM譜計算波浪所致疲勞。PM譜是由風浪觀測譜擬合得到的，是海洋工程中最常用的波浪譜之一。在計算風譜疲勞時，選用HARRIS風譜并考慮陣風效應，生成計算風譜疲勞所用的風荷載。

3.2 計算流程

利用SACS軟件分別進行火炬臂因船體運動產生的疲勞以及風激疲勞分析，主要分析流程如圖10所示。

圖10 火炬臂譜疲勞分析流程

3.3 組合疲勞損傷計算方法

FPSO上的火炬臂在服役期間，既要承受船體運動產生的動荷載，也要承受脈動風產生的動荷載，兩過程都會產生疲勞問題。但是，由于兩過程的作用頻率不一樣，將損傷進行線性疊加是不保守的。DNV-RP-C203附錄F給出了計算組合疲勞損傷的推薦公式為

(2)

式中：D為組合疲勞損傷；D1為高頻響應的疲勞損傷；D2為低頻響應的疲勞損傷；v1為高頻響應的上跨零頻率；v2為低頻響應的上跨零頻率；m為S-N曲線的反斜率。根據ABS海上結構疲勞規范，對于管節點，m分兩種情況：當S-N曲線為API-X′曲線時，m=4.73；當S-N曲線為D曲線時，可以保守考慮，m=5.0。

為簡化處理，可認為風荷載響應與運動響應對應的頻率相等(v1=v2)，公式可簡化為

(3)

簡化公式是一種非常保守的計算方法，如有必要，可通過計算兩過程的平均上跨零周期得到更準確的疲勞損傷。

4 計算結果

4.1 管節點

管節點由運動產生的疲勞和風激疲勞以及二者組合疲勞損傷結果如表3所示,結果顯示管節點的疲勞壽命均大于30 a的使用壽命。

表3 管節點疲勞損傷計算結果

4.2 過渡錐位置對接焊縫

過渡錐位置處因運動產生的疲勞和風激疲勞以及二者組合疲勞損傷結果如表4所示。結果顯示，管節點的疲勞壽命均大于30 a的使用壽命。

表4 過渡錐疲勞損傷計算結果

5 結 論

以南海某FPSO上的火炬臂設計為例，總結出一套FPSO火炬臂疲勞分析方法，該方法可綜合考慮船體運動與風荷載作用的組合疲勞損傷，為后續工程設計提供參考。

(1) 對于傾斜式火炬臂，根據DNV-RP-C203規范的插值方法，基于有限元軟件計算拐點位置的應力集中因數，并最終根據組合疲勞損傷計算方法，計算該位置的疲勞損傷。

(2) 文中的簡化公式與規范公式相比較為保守，如有必要可通過計算兩過程的平均上跨零周期得到更準確的組合疲勞損傷。