FPSO火炬塔设计与制作要领

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(中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452)

FPSO火炬塔设计与制作要领

高维维,刘剑

(中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452)

介绍火炬塔架设计原理，就火炬塔选型、腹杆和横隔设置、平台设置、排气筒安装问题分别提出解决方案，用Ansys软件建模对结构进行应力分析，以验证结构强度满足功能要求，对降低其疲劳强度的TKY节点提出解决办法。

结构；抗疲劳；有限元；建造工艺

所述火炬塔为一艘30万t级的超大型油船(VLCC)改装为FPSO后所新预制安装的大型钢结构塔架。该油船基本情况如下。

1)设计吃水22.7 m，型深31 m，型宽58 m，甲板面面积相当于3个足球场,总长达346.5 m。

2)原油储存160万桶、日处理15万桶，天然气日处理600万m3。作业水深2 120 m，作业油田离岸250 km，且在未来25年不需要进行大修理，因此建造质量要求较高。

1 FPSO火炬塔

1.1 火炬塔结构

火炬塔结构形式类似导管架，主腿柱与斜支撑共同构成三角型构架，主燃烧管成为火炬塔一部分。常见的形式有：塔架式﹑拉线式和自立式。

1.2 火炬塔设计原理

从生产角度介绍火炬塔的设计、制作环节。

火炬塔塔架的类型见图1。

图1 火炬塔塔架类型

塔柱不在三角形平面形心上(见图1a)，c))，能充分发挥钢材的作用。同时三角形相比正方形塔架(见图1b))节点少﹑杆件少，且平台梁的跨度也少[1-2]。所以，防腐工程量和用钢量(相应规范要求一定高度底部塔架要做PFP防火处理)都相应减少达10%以上，经济效果显著。但出现作用在塔架上的水平荷载和转矩较大时，在横截面上应增设横隔(见图1c))。现已建成的火炬塔架中，较多采用三角形塔架。

1.3 塔架高度、宽度及立面形式

火炬头或钢制排气筒高度约高于塔架10 m。排气筒的高度比塔架高，可减少排放的气体介质腐蚀作用，尤其在低压时对塔架顶部的影响，使用寿命因此得到提高。

塔架宽度：按规定(海工设计规范)，底部边长不小于塔架高度的1/10，一般取为1/5～1/8。顶部的宽度根据三方面要素确定其尺寸，即排气筒直径、支撑方式及检修平台面积。

一般塔架的立面形式有以下四种：①直线型﹑②单折线型﹑③多折线型﹑④有拱形底座的多折线型。此论述的火炬塔采用结构为多折线型[3-4]。折点形式见图2。

图2 折点形式

1.4 腹杆体系

塔柱与斜腹杆夹角取值为30°～45°。一般常用的有交叉和K形腹杆体系。

由于塔架的顶部温度较高，火炬头振动影响较大，且水平集中力较大；在底部尤其接近地面的节间受较大的剪力作用，或受较大的转矩作用，因此，这2部分位置应采用刚性K形腹杆。对于节间较长的腹杆(近地面)，可采用再分式腹杆[5-7]。

1.5 横隔设置

横隔设置：一般设在塔架最顶层以及塔面变坡处，构造薄弱且受力情况复杂处。其余部位可隔2～3个节间设置一道。横隔还可用于固定焊接管套电缆管线支架，故在FPSO的火炬塔上从Level-1到Level-20每一层均布置有横隔支撑。见图3。

图3 横隔设置

1.6 平台设置

平台包括休息平台和操作平台。

休息平台设置需满足：栏杆高度不宜低于1.2 m；一般每隔15～20 m设一处；应设安装及检修的吊装孔，并将栏杆设为活动形式。

塔架与排气筒连接处应设操作平台，横隔杆件可作为平台的平台梁，以增加平台的强度和刚度，能够传递排气筒产生的荷载[8-10]。将操作平台和休息平台结合在一起进行设计。

1.7 塔架与排气筒的连接

连接方式有2种：自由滑动连接和固定连接。

FPSO火炬塔燃烧筒加套管直接穿过，顶部平台板开单面坡口，单面焊后反面碳刨清根全焊透。

2 FPSO火炬塔疲劳问题处理

2.1 节点应力

对于局部构件，尤其管节点来说，影响其疲劳强度的2个设计参数为节点应力(hot spot stress)和应力集中系数(SCF)。若应力集中系数增大18%，则疲劳寿命可以减少一半。

DNV(挪威船级社)和API(美国石油协会)规范要求已明确规定，考虑局部构件管节点的局部柔度对塔架总体结构的影响[11]。具体分类有T,K,X,Y型等，通称TKY Joint。典型K管节点的结构形式见图4。

图4 典型K管节点的结构形式

本火炬塔在设计时为降低应力集中系数，做出相应的规定。

2.1.1 K型管节点

撑管在分别承受面外弯曲和面内弯曲，以及轴向平衡载荷时，弦管与撑管相贯线上各关键点(鞍点、冠根﹑冠趾)的间距要求如下。

水平横撑管冠点与斜撑管趾部净间距不小于50 mm。

水平横撑管中心线和主管中线交点与斜撑管中心线和主管中线交点净间距不小于200 mm。

主管与斜撑管根部对接口净间距不宜小于300 mm。

作用是避免焊道热影响区的重叠，防止趾端高应力区材料脆化与高应力的重叠。以形成柔性趾端来降低应力集中系数，达到延长疲劳寿命的目的。

2.1.2 马鞍口

马鞍口焊接要求对称分段对称焊接，一般分5段处理。所有坡口根部留4～6 mm的装配间隙以便焊接熔透。焊接后的焊趾需打磨出T/2的弧度Min10 mm，也可TIG熔修以消除焊缝与母材的应力集中。为避免在焊趾处出现应力集中，余高不宜过高，应控制在2～5 mm之内。均匀布置横向、斜向撑管的。

3 塔座有限元分析

塔座由3根中央主立柱和10根斜撑组成。在风、浪、流的作用下使FPSO运动，为抵抗运动引起的交变载荷的作用，火炬塔与主船体连接处采用Z向钢连接[12]。管节点管壁均加厚处理，用有限元法校核下底座的强度。

3.1 计算模型

计算模型范围：10根斜撑管外加3根立柱截止到第2个Cone上口。

图5 底座有限元模型

3.2 结构尺寸

构件尺寸源于火炬塔结构图，采用1∶1建模见图5。

3.3 钢材物理参数

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

火炬塔采用德标材质355-I(相当于国标Q345)，其材料参数：σs=345(板厚≤16 mm)；σs=335(16 mm≤板厚)。

3.4 边界条件

在火炬塔底座整体强度计算中考虑到甲板加厚板材为Z向性能钢，因此所有与甲板面接触的结构施加全约束，6个自由度即x、y、z3个方向的位移约束与x、y、z3个方向的转动约束。在火炬塔3个主立柱第2个Cone上口处施加载荷。

3.5 计算工况及计算载荷

3.5.1计算工况

火炬塔置于主甲板上，参照船体横倾角范围0°～17°。取船舶横倾17°时的极限状态对底座的局部和整体进行强度校核。将电缆及支架、排气筒、舾装件等附件作为附加质量，此处仅考虑附加质量(电缆及支架、排气筒、舾装件等)对结构的影响，不考虑附加质量刚度的贡献作用。

3.5.2 计算载荷：

综合考虑其余构件和焊接的影响，计算载荷密度取原载荷密度的1.05倍。

本火炬塔结构净重325 t(含底座68.3 t)；舾装件重量15.2 t；燃气管道电缆等合计60 t。

图6 塔架整体尺寸

故键入模型的净重量为：325+15.2+60-68.3=331.9 t

3个主立柱在Cone的上口处每个环面施加载荷为Fz=-331.9×9.8×1 000÷3×1.05=-1 138 417 N, 此为模型施加的垂向载荷。

横向载荷由2部份组成。

1)横向风载为火炬塔所受的主要外部载荷，风压计算公式为：w=1/1 630×v2。风速v据该FPSO工作区域可以取60 m/s的台风强度考虑，再根据火炬塔横向投影面积即可快速算出横向风载。此处简易计算取横倾状态下横向分力的0.5倍作为水平分力已足以校核其极限工况。

2)塔身自重在倾斜17°状况下据力矩平衡公式换算出加在Cone上口的等效横向分力。

Fx=400.2×35×Sin17°÷8.4×9.8×

1 000÷3×1.05=1 670 101N

以上2部分合力为

Fx= 1 670 101×(1+0.5)=2 505 152 N,此为模型施加的横向载荷。

3.6 计算结果

在极限情况下(船舶横倾17°)底座等效应力及位移分布见图7，最大等效应力为247.1 MPa。

图7 底座应力分布

3.7 强度评估

计算得到构件最大等效应力为247.1 MPa，小于屈服极限335 MPa。最大应力在根部，现场处理加一圈柔性肘以减小应力集中。板最大等效应变4.6 mm，因模型选取局部作为计算范围，顶部未加全约束，实际情况是与上面结构焊接成一体，故此应变可忽略不计。综上，总体结构满足规范要求。

4 FPSO火炬塔建造过程工艺简述

4.1 建造方式

火矩塔尺寸示意于图8，以下简明介绍火炬塔的建造方式。

图8 火炬塔尺寸示意

建造方式：以B,C管为胎躺造。从L-21开始定位起胎，从顶到底反向建造。

L-0～L-13为等腰三角形，Lbc=Lac；L-13～L-21为等边三角形，Lbc=Lac=Lab

为保证 L-13～L-21的胎架高度一致，B和C管在L-0～L-13层间中心水平高度存在差距。以L-2为例，此节点处B管比C管低215 mm，以此类推。

4.2 胎架与支架选取

1)胎架。以800 mm高的预制水泥墩为底，布好墩位如上图所示取7.5 m或7.0 m等间距。

立柱下方刚性固定在水泥墩上，上方焊接弧形托板(直径大于邻接处主管)。弧形托板上点离地高度和倾斜角度提前换算好，可以批量快速下料。

以L-2为例，C管在此节点处托板上表面离地高1 667 mm，减去水泥墩高800 mm再考虑托板实际板厚就可算出此处立柱实际高度。B管在此高度上降低215 mm。

支架。支架用于顶上的A管定位安装，布置见图9。布置原则：支架选用工字钢防变形。据实际顶管吊装长度和重量提前2端布置，离结构焊接处不少于500 mm，便于装焊磨。靠近塔底因底部构件重量大需加多立向支撑和斜支撑以便安全吊装和防变形。顶管A管前后高度定位后做卡固定在支架上，然后安装水平横撑，最后安装斜撑管，定位坡口处理磨好后报装配。

图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个很重要环节，若主尺度，直线度不达标均会给工程的顺利完成带来巨大隐患，通过上述已有建造流程思路：起胎→铺放B、C管→铺放B、C管间横撑再斜撑→铺放A管→铺放AB、AC间横撑，再由斜撑→报整体焊前。

从单根杆件下料开始，严格控制焊接变形和组装精度，直至整体预拼装结束，然后全面进行检查控制。

胎具搭设和钢管构件组装采用全站仪等测量仪器精确定位，以L-2为例，见图10。

图10 装配现场

因等间距布置的胎位中心与实际节点中心不一定重合，故需经三维建模换算好每一处的实际误差值。此处水平撑管中与立柱中交点与胎位中

相差149 mm，定位好后打十字洋冲点标示实际中点，每一层皆如此。每一阶段焊前、焊后需打精度以便及时调整到位，最后完工再打整体精度。

[1] 刘春光.火炬塔——排气筒复合体系动力系统研究[D].南京:南京工业大学,2009.

[2] 李文莉.风载控制下火炬塔架钢管径厚比限制研究[D].南京:南京工业大学,2010.

[3] 张家元.钢管砼拱桥管-板承载力实验研究[D].重庆:重庆交通大学,2006.

[4] 钢结构设计规范GB 50017—2003[S].北京：中国计划出版社，2003.

[5] 林晔，赵耕贤.开式火炬塔架设计[J].船舶,2004(1)：24-29.

[6] 王文海，欧阳成渝.火炬塔架安装质量控制点[J].建筑设计,2011，40(4)：153-154.

[7] 火炬工程施工及验收规范GB 51029—2014[S].北京：兵器工业出版社，2015.

[8] 高耸结构设计规范GB 50135—2006[S].北京：中国计划出版社，2007.

[9] 建筑结构荷载规范(2006版)GB 50009—2001[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[10] 王琮.海洋工程结构物局部结构疲劳行为基础研究[D].大连:大连理工大学,2004.

[11] 魏行超.FPSO上火炬塔疲劳寿命及管节点强度研究[D].东营:中国石油大学(华东),2006.

[12] 张洪波.火炬塔架结构设计浅析[J].山西建筑,2005(19)：69-70.

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

高维维(1982—)，女，学士，工程师

研究方向：海洋结构特设计制造