海上平臺超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及風(fēng)激振動分析

伊才穎 宋曉秋 王曉蕾 尹漢軍 梅華東

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司）

海上平臺超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及風(fēng)激振動分析

伊才穎 宋曉秋 王曉蕾 尹漢軍 梅華東

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司）

隨著海洋油氣資源開發(fā)的發(fā)展，海洋平臺工藝處理量越來越大，需要設(shè)置的釋放火炬臂尺度也更大，超出了常規(guī)尺度范圍。火炬臂長度增加必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加和桿件尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而帶來新的設(shè)計(jì)問題，如風(fēng)激振動、風(fēng)譜疲勞等。文中以南海某大型海上平臺90 m超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，探討超長火炬臂結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)并進(jìn)行了合理化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞損傷進(jìn)行了評估，可為今后類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

海上平臺 超長火炬臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 風(fēng)譜疲勞 風(fēng)激振動

海洋平臺火炬臂屬于上部組塊的附屬結(jié)構(gòu)，主要由鋼制圓管組成，是平臺火炬系統(tǒng)組成部分之一，主要為火炬系統(tǒng)的其它組成部分提供支撐，一般屬于細(xì)長結(jié)構(gòu)。常規(guī)火炬臂一般為50 m左右，其根部與組塊結(jié)構(gòu)通過掛鉤和焊接連接。隨著我國海洋油氣資源開發(fā)的發(fā)展，海洋平臺工藝處理量逐漸增加，為避免火炬臂頂端的火炬頭燃燒氣體時產(chǎn)生的熱量過量輻射到平臺甲板，要求火炬臂要有足夠的長度，否則影響平臺的安全。火炬臂長度的增加給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了一些新問題。其一，超長火炬臂若采用常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，桿件的無支撐長度變得較長，風(fēng)的渦激振動分析難以滿足，桿件容易發(fā)生強(qiáng)度破壞；其二，按照常規(guī)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，會使結(jié)構(gòu)整體柔性偏大，在環(huán)境載荷作用下會產(chǎn)生較大變形，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。因此，需要改變火炬臂整體和局部構(gòu)造形式，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，提高桿件強(qiáng)度，以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。此外，常規(guī)火炬臂結(jié)構(gòu)校核只針對強(qiáng)度問題，一般不涉及疲勞問題，但對于超長火炬臂，風(fēng)激振動以及顫振產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)疲勞損傷需要進(jìn)行評估，因此帶來了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。本文以南海某平臺90 m超長火炬臂設(shè)計(jì)為例，探討了超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及風(fēng)激振動和風(fēng)譜疲勞分析等關(guān)鍵技術(shù)問題。制，火炬臂設(shè)計(jì)有重量控制要求，火炬臂自身重量過大會增大主支撐弦桿尺寸，進(jìn)而又會進(jìn)一步加大自身重量，從而形成惡性循環(huán)。因此，在火炬臂設(shè)計(jì)之初應(yīng)做好規(guī)劃，對主弦桿尺寸進(jìn)行選型和優(yōu)化。

在進(jìn)行火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃時，應(yīng)增加火炬臂的桁架截面高度。從整體受力來看（圖1），增加截面高度可以增大火炬臂的整體受彎模量，減小上、下弦桿的拉力和壓力，進(jìn)而優(yōu)化弦桿尺寸。對于超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加截面高度的減重效果十分明顯。在本文所述超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于下弦面增加了4 m水平段，火炬臂截面高度有一定增加，上、下弦桿尺寸都降低了一個量級，結(jié)構(gòu)重量由優(yōu)化前的近500 t降低至400 t以下，并取消了20 t

1 超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1 超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃和布置

由于受平臺功能、海上安裝條件等諸多因素限左右的火炬臂支撐架，重量優(yōu)化非常明顯。

圖1 火炬臂傳力示意圖

常規(guī)火炬臂結(jié)構(gòu)形式比較簡單，層與層之間跨距小，水平框架內(nèi)通常無桿件相互支撐，縱向框架內(nèi)通常由一根桿件相互連接（圖2）。

圖2 常規(guī)火炬臂斜撐布置示意圖

與常規(guī)火炬臂相比，超長火炬臂由于長度增加，框架尺寸增大，使得火炬臂層間跨距較大，桿件長度較長，若采取常規(guī)框架形式，由于桿件長度增長，一是較多桿件在風(fēng)荷載作用下容易產(chǎn)生渦激振動，二是結(jié)構(gòu)整體柔性偏大，在環(huán)境載荷作用下會產(chǎn)生較大變形，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

為了解決上述問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，一方面增加了主要桿件的管徑與壁厚，另一方面在水平框架內(nèi)增設(shè)斜撐形成菱形框架，并將縱向框架內(nèi)單斜撐布置改為“人”字形布置（圖3）。通過調(diào)整布置，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，可有效避免桿件的風(fēng)激振動。

圖3 超長火炬臂斜撐布置示意圖

1．2 局部節(jié)點(diǎn)處理

與常規(guī)火炬臂相比，超長火炬臂由于框架形式較為復(fù)雜容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)弦桿與撐桿主次不是十分分明的問題，這使得節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生搭接管節(jié)點(diǎn)。工程上一般要求節(jié)點(diǎn)為簡單管節(jié)點(diǎn)形式，以避免焊縫搭接給建造帶來的不便，以及管節(jié)點(diǎn)處嚴(yán)重的應(yīng)力集中，因此需要對局部產(chǎn)生搭接的管節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行處理。處理方式是通過水平向外平移撐桿，使兩個撐桿在弦桿的焊接間隙值滿足一定要求?？梢允褂?D軟件建立火炬臂模型來進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)規(guī)范按照簡單管節(jié)點(diǎn)滿足最小50 mm間隙值對撐桿進(jìn)行統(tǒng)一偏移，再根據(jù)偏移結(jié)果對模型主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改，這樣可以保證結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)傳力簡潔，建造方便，也可以有效地改善節(jié)點(diǎn)的疲勞特性。

1．3 計(jì)算模型

在完成了火炬臂結(jié)構(gòu)規(guī)劃和布置以后，為了校核超長火炬臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命，需要建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。圖4所示為南海某平臺超長火炬臂的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型，該火炬臂長度為90 m，上下支撐腿高差12 m，根部左右弦寬17 m，主結(jié)構(gòu)重370 t。火炬臂在位計(jì)算和安裝計(jì)算分析表明，該超長火炬臂結(jié)構(gòu)滿足安裝和生產(chǎn)各種工況的要求。

圖4 90 m超長火炬臂結(jié)構(gòu)模型

2 超長火炬臂風(fēng)激振動及風(fēng)譜疲勞分析

在進(jìn)行超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除考慮常規(guī)設(shè)計(jì)中的在位分析、施工分析和局部強(qiáng)度分析外，還需重點(diǎn)考慮風(fēng)引起的渦激振動、風(fēng)譜疲勞等問題。在超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，由于火炬臂長度較長，風(fēng)激振動、風(fēng)譜疲勞往往是控制性的，直接影響設(shè)計(jì)結(jié)果。

2．1 風(fēng)的渦激振動分析

風(fēng)的渦激振動，是指風(fēng)通過細(xì)長桿件時由于渦泄形成不穩(wěn)定流動模式引起桿件周期激振［1］。在臨界風(fēng)速范圍內(nèi)，渦泄頻率可能與構(gòu)件的固有頻率或其頻率倍數(shù)接近，導(dǎo)致諧波或次諧波共振，從而發(fā)生強(qiáng)度破壞。

超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中風(fēng)激振動對主弦桿及斜撐設(shè)計(jì)往往是控制性的，是需要特別關(guān)注的問題。在設(shè)計(jì)校核過程中，需要在滿足桿件組合應(yīng)力符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，降低桿件無支撐長度，并調(diào)整構(gòu)件的尺寸與斜撐布置形式，使計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

2．1．1 計(jì)算原理

風(fēng)激振動分析依據(jù)DNV規(guī)范進(jìn)行計(jì)算和判定，需要計(jì)算以下設(shè)計(jì)參數(shù)［2］：

（1）自振頻率fn

式（1）中：fn為桿件自振頻率，Hz；L為桿件長度，m；E為楊氏模量，2．1×1011N／m2；I為鋼管面積慣性矩，m4；Me為單位長度的有效質(zhì)量，kg／m；An為常數(shù)，與端部約束有關(guān)，根據(jù)端部固定情況取值（表1）。

表1 常數(shù)A n的取值［2］

（2）衰減風(fēng)速Vr

式（2）中：V為垂直于構(gòu)件軸線的瞬時風(fēng)速，m／s；D為構(gòu)件直徑，m；其余同前。

（3）穩(wěn)性參數(shù)Ks

該參數(shù)與阻尼成正比，與總激勵渦泄力成反比，穩(wěn)性參數(shù)定義為

式（3）中：ρ為周圍介質(zhì)的質(zhì)量密度，空氣取1．23 kg／m3；δ為阻尼對數(shù)衰減，δ＝2πξ（ξ為臨界阻尼比，空氣中一般取0．001 5）；其余同前。

在上述3個計(jì)算參數(shù)中，衰減風(fēng)速Vr是評估風(fēng)的渦激振動的重要指標(biāo)，當(dāng)4．0＜Vr＜8．0時可能發(fā)生橫向激勵并伴有劇烈的響聲，當(dāng)Vr＞8．0時桿件柔性較大容易產(chǎn)生較大變形［1］；因此本文校核渦激振動時將桿件的Vr控制在4．0以下。穩(wěn)定參數(shù)Ks可用來衡量各個圓形桿件承受總激勵渦泄力的大小，Ks越大表明桿件所受的總激勵渦泄力越?。?］。

2．1．2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算方法，按照百年一遇的環(huán)境條件對前述南海某平臺90 m超長火炬臂進(jìn)行風(fēng)的渦激振動分析，最大風(fēng)速取為77．08 m／s，附屬結(jié)構(gòu)計(jì)算一般采用極端條件下3 s陣風(fēng)風(fēng)速，主要計(jì)算結(jié)果見表2。計(jì)算結(jié)果表明，通過改變框架形式和桿件尺寸，降低撐桿無支撐長度，加大構(gòu)件直徑，可以使桿件的渦激振動分析滿足規(guī)范要求，從而達(dá)到有效避免桿件出現(xiàn)渦激振動的目的。

2．2 風(fēng)譜疲勞計(jì)算分析

與常規(guī)火炬臂設(shè)計(jì)不同，超長火炬臂需要進(jìn)行疲勞損傷評估。超長火炬臂作為一種高聳結(jié)構(gòu)物，長期承受風(fēng)荷載引起的循環(huán)應(yīng)力作用，容易在節(jié)點(diǎn)部位造成疲勞損傷，即使在風(fēng)荷載不大的情況下，結(jié)構(gòu)也可能因?yàn)槠趽p傷達(dá)到極限而產(chǎn)生局部或整體的破壞［3］。因此，在常規(guī)強(qiáng)度分析基礎(chǔ)上，需要重點(diǎn)考慮疲勞問題，對超長型火炬在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)譜疲勞進(jìn)行評估［4］。

2．2．1 分析方法

風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用可以看作是平均風(fēng)的準(zhǔn)靜力作用和脈動風(fēng)的動力作用相疊加。顫振是由脈動風(fēng)引起的隨機(jī)振動響應(yīng)，它發(fā)生的頻率很大，會使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。

南海某平臺90 m超長火炬臂風(fēng)譜疲勞分析的計(jì)算過程如下：

（1）模態(tài)分析 利用結(jié)構(gòu)有限元軟件建立火炬臂的分析模型，通過自振分析提取火炬臂結(jié)構(gòu)頻率和振型，在此基礎(chǔ)上生成脈動風(fēng)力譜到結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的傳遞函數(shù)。

（2）選取風(fēng)譜 選用了平臺所在海域16個方向的風(fēng)速與風(fēng)向的聯(lián)合概率分布。平均風(fēng)速服從WEIBULL分布［5］，其概率密度函數(shù)為

調(diào)整參數(shù)k和v0值，使通過公式模擬的曲線與根據(jù)實(shí)際值繪制的曲線盡量吻合（圖5），從而確定公式中的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，并作為軟件輸入值完成平均風(fēng)的概率密度函數(shù)的確定。

（3）計(jì)算傳遞函數(shù) 利用SACS軟件計(jì)算：模塊自動計(jì)算出脈動風(fēng)功率譜，并根據(jù)脈動風(fēng)功率譜、平均風(fēng)速變化函數(shù)與脈動風(fēng)空間相關(guān)性函數(shù)計(jì)算出風(fēng)力譜密度函數(shù)；計(jì)算從風(fēng)力譜到應(yīng)力響應(yīng)的傳遞函數(shù)，從而得到應(yīng)力響應(yīng)譜；根據(jù)管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力與名義應(yīng)力的關(guān)系，求解模態(tài)最大相應(yīng)的熱點(diǎn)應(yīng)力譜。

表2 南海某平臺90 m超長火炬臂風(fēng)激振動分析結(jié)果

圖5 平臺風(fēng)速累積概率觀測結(jié)果和WEIBULL分布擬合結(jié)果

（4）疲勞損傷計(jì)算 根據(jù)熱點(diǎn)應(yīng)力譜就可以計(jì)算出各離散應(yīng)力幅值范圍應(yīng)力單獨(dú)作用產(chǎn)生的疲勞損傷，累加起來便可得到火炬臂在服役期內(nèi)某一個方向特定風(fēng)速下的疲勞損傷?；谀骋环较蛏掀骄L(fēng)速的概率密度函數(shù)服從WEIBULL分布可以得到各風(fēng)向的概率，由此可計(jì)算結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)累積疲勞損傷值，最終得到火炬臂的疲勞壽命。

2．2．2 計(jì)算結(jié)果

利用上述計(jì)算分析方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按照30年設(shè)計(jì)壽命、安全系數(shù)為5．0對南海某平臺90 m超長火炬臂進(jìn)行校核，表3給出了所校核火炬臂主要節(jié)點(diǎn)的損傷值和允許工作年限，結(jié)果表明，所有節(jié)點(diǎn)滿足疲勞壽命要求。從允許工作年限來看，疲勞壽命遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)壽命。

表3 南海某平臺90 m超長火炬臂主要節(jié)點(diǎn)疲勞損傷分析結(jié)果

3 結(jié)論

（1）由于長度增長、重量增加，超長火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要對其結(jié)構(gòu)形式和主要桿件尺寸進(jìn)行規(guī)劃和論證，以獲得較合理的結(jié)構(gòu)布局；

（2）超長火炬臂的斜撐布置和管節(jié)點(diǎn)搭接問題需要特殊處理，以滿足建造要求，同時改善節(jié)點(diǎn)疲勞性能；

（3）超長火炬臂由于結(jié)構(gòu)形式細(xì)長，對其進(jìn)行風(fēng)譜疲勞評估是必要的，其節(jié)點(diǎn)疲勞損傷需要重點(diǎn)考慮，以滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］ 孫建銳．基于Ansys的船用甲板起重機(jī)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)研究［J］．起重運(yùn)輸機(jī)械，2012（5）：15－18．

［2］ DNV．DNV－RP－C205 Environmental conditions and environmental loads［S］．2010：86－92．

［3］ 歐進(jìn)萍，葉駿．結(jié)構(gòu)風(fēng)振的概率疲勞累積損傷［J］．振動工程學(xué)報(bào)，1993，6（2）：164－169．

［4］ 龔順風(fēng)，何勇，金偉良．海洋平臺結(jié)構(gòu)隨機(jī)動力響應(yīng)譜疲勞壽命可靠性分析［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，41（1）：12－17．

［5］ 孫意卿．海洋工程環(huán)境條件及其載荷［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1980．

（編輯：崔護(hù)社 夏立軍）

The structural design and wind－induced vibration analysis for ultralong flare boom on offshore platform

Yi Caiying Song Xiaoqiu Wang Xiaolei Yin Hanjun Mei Huadong
（Design Company of Offshore Oil Engineering Co．Ltd．，Tianjin，300451）

The oil and gas processing amount on platform becomes greater along with the development of offshore oil exploitation，so that it is necessary to use the bigger flare boom exceeding the normal size．The weight and member cross－section of flare boom increases when flare boom length extends，which will lead to the new design issues，such as wind－induced vibration and wind spectrum fatigue issues．Based on one 90 meters ultralong flare boom structural design of a huge offshore platform in South China Sea，the structural type was studied and optimized，and the strength and fatigue was assessed in this paper，which can provide a reference for similar structural design in the coming days．

offshore platform；ultralong flare boom；structural design；wind spectrum fatigue；wind－induced vibration

伊才穎，男，高級工程師，現(xiàn)任海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司副總經(jīng)理，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與管理工作。E－mail：ycy＠m(xù)ail．cooec．com．cn。

2012－05－18 改回日期：2012－06－27