FPSO超長傾斜式火炬臂吊裝方案設(shè)計(jì)研究

李記忠，張海榮，杜國強(qiáng)，李雪松，宋青武

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

火炬系統(tǒng)的主要作用是燃燒和排放可燃?xì)怏w，火炬臂結(jié)構(gòu)作為火炬系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)是固定式平臺和浮式平臺（FPSO）的重要組成部分。國內(nèi)固定式平臺火炬臂通常為傾斜式，與甲板水平面夾角為45°或60°。一般是在場地預(yù)制后，通過兩臺履帶吊合作完成火炬臂的起吊，然后通過分別控制兩臺履帶吊吊鉤的升降將火炬臂的傾斜角度調(diào)整到設(shè)計(jì)角度，從而完成和上部組塊的總裝。以往FPSO上的火炬臂一般都不超過50 m，且為直立式，在場地預(yù)制完成后，在船塢和FPSO進(jìn)行總裝，通過龍門吊完成火炬臂的翻身和吊裝就位。對于超長傾斜式火炬臂，因受龍門吊高度的限制，火炬臂無法在船塢內(nèi)總裝。本文提出了一種基于浮吊和履帶吊聯(lián)合作業(yè)的吊裝方案，同時(shí)對吊裝工況下的火炬臂主結(jié)構(gòu)以及吊點(diǎn)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)方案的可行性，解決了超長傾斜式火炬臂和FPSO船體的總裝問題，對于后續(xù)同類項(xiàng)目具有借鑒意義。

1 浮吊和履帶吊聯(lián)合作業(yè)方案

以某FPSO超長傾斜式火炬臂為例，長度為85 m，就位后火炬與 船體甲板呈60°，火炬臂結(jié)構(gòu)的吊裝設(shè)計(jì)方案如圖1所示。浮吊船舶為雙把桿起重作業(yè)船，每個(gè)把桿上有兩個(gè)鉤頭，在作業(yè)過程中，該船舶鉤頭上的吊繩需始終保持豎直，為此需要配合使用撐桿滿足此要求。吊裝扶正的最終角度為65°，略大于火炬臂實(shí)際就位后角度，這樣可以使火炬臂底部前后兩排插尖導(dǎo)向先后和船體支撐結(jié)構(gòu)對接，便于火炬臂的安裝就位。

圖1 火炬臂

火炬臂的上水平面共有6個(gè)吊點(diǎn)，靠近上部的4個(gè)吊點(diǎn)和撐桿相連，撐桿通過吊繩再和浮吊相連。下部2個(gè)吊點(diǎn)供履帶吊使用，吊點(diǎn)采用耳軸形式，耳軸里設(shè)置十字筋板，耳軸外側(cè)設(shè)置蓋板防止吊繩脫落，和耳軸相連的弦桿內(nèi)部設(shè)置內(nèi)加強(qiáng)環(huán)以滿足節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 典型吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意

火炬臂起吊時(shí)，需要履帶吊和浮吊共同作業(yè)，使火炬臂平穩(wěn)從場地支撐位置抬起，如圖3所示；隨后浮吊吊鉤繼續(xù)抬升，履帶吊吊鉤高度保持不變并進(jìn)行小范圍移動(dòng)以配合完成火炬臂空中扶正，直至達(dá)到最終扶正角度，如圖4所示，此時(shí)火炬臂的重量全部轉(zhuǎn)移至浮吊，履帶吊退出吊裝作業(yè)；最后移動(dòng)浮吊將火炬臂運(yùn)至FPSO指定位置，下放火炬臂完成和船體支撐結(jié)構(gòu)的對接，如圖5所示。

圖3 火炬臂起吊示意

圖4 火炬臂扶正示意

圖5 火炬臂和FPSO船體總裝示意

2 吊裝工況下火炬臂主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 計(jì)算參數(shù)選取及計(jì)算模型

火炬臂的荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重、管道和火炬頭荷載。火炬臂主結(jié)構(gòu)在SACS模型中通過桿單元模擬，附屬構(gòu)件包括走道、斜梯和欄桿以及管道重量等以荷載形式加載到模型中，火炬臂的質(zhì)量見表1。

表1 火炬臂質(zhì)量

API RP 2A-WSD規(guī)范規(guī)定[1-2]，在遮蔽海域，對于吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及與吊點(diǎn)相連的桿件，應(yīng)采用最小1.5倍的動(dòng)荷載系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，對于其他桿件應(yīng)采用最小1.15倍的動(dòng)荷載系數(shù)。

采用SACS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，對桿件端部約束釋放，采用僅承受拉力的GAP單元模擬吊繩，吊鉤處為固接約束。在火炬臂根部以及撐桿位置設(shè)置水平向的彈簧約束。分別模擬火炬臂起吊扶正角度為 30°、45°、60°、65°時(shí)的 4 種不同工況，起吊模型和扶正角度為45°時(shí)的模型如圖6、圖7所示。

圖6 火炬臂起吊SACS模型

圖7 火炬臂扶正45°SACS模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)SACS吊裝分析結(jié)果，在1.5動(dòng)荷載系數(shù)時(shí)，各扶正工況下的桿件最大應(yīng)力比見表2，從計(jì)算結(jié)果可知，桿件應(yīng)力比均小于1，桿件強(qiáng)度滿足要求。

表2 各扶正工況下桿件強(qiáng)度校核結(jié)果

各扶正工況下的最大吊繩力如表3所示。

表3 各扶正工況下最大吊繩力計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可知，起吊工況，履帶吊對應(yīng)的（VI02-S101，VJ02-S101） 吊繩力最大，該吊繩力可作為履帶吊選型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在火炬臂扶正過程中履帶吊的吊繩力逐漸減小，當(dāng)扶正至65°時(shí)，所有火炬臂吊裝重量轉(zhuǎn)移至浮吊，履帶吊退出工作，履帶吊對應(yīng)的吊繩力為0。頂部兩個(gè)吊點(diǎn)對應(yīng)的（VI09-S010，VJ09-S012）吊繩力隨著扶正角度的增大而增大，扶正角度為45°時(shí)，達(dá)到最大，當(dāng)扶正角度繼續(xù)增大至65°時(shí)，吊繩力減小。中間兩個(gè)吊點(diǎn)對應(yīng)的（VI03-S002，VJ03-S003）吊繩力起吊時(shí)因吊繩處于松弛狀態(tài)所以吊繩力為0，當(dāng)達(dá)到45°時(shí)開始受力，吊繩力隨著扶正角度的增大而繼續(xù)增大，扶正角度為65°時(shí)達(dá)到最大。在所有工況中VJ03-S003對應(yīng)的吊繩力最大，為2 271 kN，以此吊點(diǎn)為代表，對吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

3 吊點(diǎn)強(qiáng)度有限元分析

3.1 計(jì)算參數(shù)選取及計(jì)算模型

采用ANSYS軟件對吊點(diǎn)進(jìn)行建模及強(qiáng)度校核。吊點(diǎn)的有限元模型包括火炬臂的耳軸式吊點(diǎn)、主弦桿和撐桿，主弦桿和撐桿的模型長度大于2倍的直徑，遠(yuǎn)端均為固接約束。有限元模型如圖8所示。

圖8 吊點(diǎn)有限元模型

采用SHELL93單元，該單元為8節(jié)點(diǎn)有限元單元，和4節(jié)點(diǎn)單元相比，其計(jì)算精度更高。耳軸及其和立柱相連位置為重點(diǎn)關(guān)注位置，該位置采用致密網(wǎng)格，采用1倍板厚來劃分網(wǎng)格；在其余位置采用稀疏網(wǎng)格，采用2倍板厚來劃分網(wǎng)格，以提高計(jì)算效率。

根據(jù)吊繩力計(jì)算結(jié)果，取2 271 kN作為吊點(diǎn)設(shè)計(jì)荷載，吊繩角度取對應(yīng)工況的吊繩角度。假設(shè)吊繩力按余弦分布作用在吊繩和耳軸接觸的圓環(huán)接觸面上，且接觸面上各節(jié)點(diǎn)的受力平行于吊繩作用方向[3-5]，見圖9。材料的彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度為355 MPa，許用應(yīng)力按0.9倍的屈服強(qiáng)度計(jì)取，即取320 MPa。

圖9 吊繩力荷載模擬

3.2 吊點(diǎn)強(qiáng)度分析結(jié)果

計(jì)算得到的吊點(diǎn)耳軸和十字筋板應(yīng)力分布云圖如圖10、圖11所示。

圖10 耳軸應(yīng)力云圖/MPa

從圖10、圖11可以看出，最大Von Mises應(yīng)力位于耳吊繩和耳軸的十字筋板的相交處，為吊繩產(chǎn)生的局部壓應(yīng)力，應(yīng)力值為315 MPa，小于許用應(yīng)力（320 MPa），吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，其他應(yīng)力值較大的位置還有耳軸管和吊繩接觸的位置，需要在設(shè)計(jì)時(shí)予以重點(diǎn)考慮。

圖11 十字筋板應(yīng)力云圖/MPa

4 結(jié)束語

對于FPSO超長傾斜式火炬臂，由于龍門吊的吊高限制，不能由龍門吊完成火炬臂和船體的塢內(nèi)總裝，本文提出了一種浮吊和履帶吊聯(lián)合作業(yè)完成火炬臂總裝的方案。基于SACS和ANSYS軟件，總結(jié)了一套火炬臂主結(jié)構(gòu)及吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程和計(jì)算方法，以某超長傾斜式火炬臂為例，計(jì)算了吊裝工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，驗(yàn)證了浮吊和履帶吊聯(lián)合吊裝作業(yè)方案的可行性。