移動式試采平臺燃燒臂結(jié)構(gòu)強度分析

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

移動式試采平臺燃燒臂結(jié)構(gòu)強度分析

嚴明，徐長軍

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

考慮到燃燒臂的桁架式結(jié)構(gòu)特點和作業(yè)特點，采用數(shù)值模擬的方法，針對不同的工況，計算移動式試采平臺燃燒臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，同時對燃燒臂基座及鄰近主甲板的強度進行校核。

移動式試采平臺；燃燒臂；結(jié)構(gòu)；應(yīng)力；有限元

“海洋石油162”是一座四樁腿懸臂梁海洋自升式平臺，鋼質(zhì)非自航。平臺集試采、修井、采油、油氣處理、艙室儲油、原油外輸及井口支持等功能于一體，在邊際油田開發(fā)方面具有獨特的優(yōu)勢，可用于渤海灣75%油田的開發(fā)，是功能完善、性價比極高的海上移動式試采平臺。

燃燒臂是試采平臺上用于海上試采作業(yè)時的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于燃燒試采設(shè)備分離出來的天然氣，其工作的穩(wěn)定性和可靠性對平臺的作業(yè)安全及污染防控有著至關(guān)重要的作用[1-2]。以“海洋石油162”平臺的燃燒臂為研究對象，應(yīng)用有限元方法對燃燒臂結(jié)構(gòu)進行強度校核和安全性分析，為燃燒臂及底座的設(shè)計提供參考。

1 燃燒臂結(jié)構(gòu)描述

“海洋石油162”平臺共配置了2套完整的燃燒臂，分別安裝于平臺的左、右舷艉部。燃燒臂長約30 m，三角桁架式結(jié)構(gòu)，主要用于支撐末端的操作平臺、燃燒臂頭、管線及走道等，根部采用鉸支形式。燃燒臂主弦管自下向上分別采用直徑(mm)×壁厚(mm)為219×18.3、219×11.1、168×7，材質(zhì)為API X52的無縫鋼管，橫撐管和斜撐管分別采用直徑(mm)×壁厚(mm)為101.6×8、89×7，材質(zhì)為API X52的無縫鋼管。

圖1 作業(yè)(自存)工況燃燒臂布置示意

圖2 拖航工況燃燒臂布置示意

作業(yè)工況時(見圖1)，燃燒臂向外側(cè)懸出平臺主體，呈45°傾斜，根部4點鉸支，并由垂向和側(cè)向鋼絲繩(共4根)牽拉；拖航工況時(見圖2)，燃燒臂收回并垂直固定，根部4點鉸支，由垂向和側(cè)向鋼絲繩(共4根)牽拉，并在二層甲板位置由二層甲板及擋杠進行水平限位。

2 載荷及工況

燃燒臂結(jié)構(gòu)校核模型采用笛卡爾坐標系，并遵循右手法則。見圖3。

+X：指向左舷(同時定義為環(huán)境載荷0°)。

+Y：指向平臺艉部(同時定義為環(huán)境載荷90°)。

+Z：垂直向上。

圖3 模型坐標系示意

燃燒臂載荷主要包括：燃燒臂自重(包含燃燒臂、梯道欄桿、端部平臺、流體管線、燃燒頭等)、流體載荷、風載荷、動力載荷等。

燃燒臂及附件自重見表1，定義為載荷①。

表1 燃燒臂及附件自重

流體載荷主要為消防水及燃燒氣體的重量，定義為載荷②，約1.5 t，施加于燃燒臂流體管線布置的位置。

根據(jù)燃燒臂受力及其牽拉鋼絲繩布置情況，在自存及拖航狀態(tài)下，均考慮0°、90°、180°3個方向的風載荷，風載荷定義為載荷③，計算風速按照51.5 m/s均布施加,見表2。

表2 風載荷

燃燒臂整體為細長懸臂梁結(jié)構(gòu)，在使用過程中會出現(xiàn)晃動，因此需考慮慣性動載荷，定義為載荷④，自存工況慣性加速度取4.9 kN/t，拖航工況慣性加速度取9.8 kN/t。

各工況條件下載荷組合見表3。

3 燃燒臂強度校核

采用ANSYS結(jié)構(gòu)有限元軟件構(gòu)建燃燒臂模型，對燃燒臂在自存及拖航狀態(tài)工況下的強度進行校核。燃燒臂結(jié)構(gòu)采用Pipe16單元模擬，牽拉鋼絲繩采用Link10模擬(僅考慮受拉)，燃燒臂根部鉸支點采用鉸接約束，根部前鉸支點采用鉸支約束，牽拉支點采用鉸接約束，在拖航狀態(tài)下二層甲板僅施加水平約束[3-5]。根據(jù)《海上移動平臺入級規(guī)范》(2012)[6](下稱《規(guī)范》)，燃燒臂主要支撐構(gòu)件的安全系數(shù)取1.25，燃燒臂構(gòu)件材質(zhì)為API X52，屈服強度為359 MPa，構(gòu)件許用應(yīng)力[σ]=287 MPa。燃燒臂端部平臺支梁材質(zhì)為20號鋼，屈服應(yīng)力為245 MPa，許用應(yīng)力[σ]=196 MPa。

表3 載荷組合

經(jīng)計算，提取燃燒臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力(應(yīng)力云圖見圖4)，最大應(yīng)力見表4。

由表4可見，燃燒臂撐管在自存及拖航工況下的最大應(yīng)力230 MPa小于許用應(yīng)力287 MPa，燃燒臂端部平臺最大應(yīng)力為107 MPa，小于許用應(yīng)力196 MPa，強度均滿足規(guī)范要求。

圖4 燃燒臂應(yīng)力云圖

表4 各工況對應(yīng)的最大應(yīng)力

4 燃燒臂底座及鄰近主甲板強度校核

燃燒臂底座安裝于平臺主甲板上，包括后鉸支點和前支座2部分，底座安裝位置處甲板底部進行了局部加強(見圖5)，結(jié)構(gòu)材質(zhì)為AH36、DH36、EH36，屈服強度355 MPa。

圖5 燃燒臂底座及鄰近主甲板結(jié)構(gòu)

采用ANSYS軟件構(gòu)建底座及鄰近主甲板有限元模型(見圖6)，約束施加于甲板模型邊緣，按照表3所列的6種工況施加載荷對底座及鄰近甲板進行強度校核[7-12]。

圖6 燃燒臂底座及鄰近主甲板模型

根據(jù)中國船級社《規(guī)范》，燃燒臂底座及鄰近甲板結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全系數(shù)取1.25，結(jié)構(gòu)材料為AH36、DH36及EH36，屈服強度為355 MPa，構(gòu)件許用應(yīng)力[σ]=284 MPa。

經(jīng)計算，提取燃燒臂底座及鄰近甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)力(應(yīng)力云圖見圖7)，最大應(yīng)力見表5。

表5 各工況最大應(yīng)力

校核計算結(jié)果表明，燃燒臂基座最大應(yīng)力為207 MPa，鄰近甲板最大應(yīng)力為216 MPa(局部應(yīng)力)，應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，強度滿足規(guī)范要求。

圖7 燃燒臂底座及鄰近主甲板應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

海洋石油162的燃燒臂結(jié)構(gòu)完全能夠滿足強度要求，同時，通過對燃燒臂底座及其鄰近甲板進行計算表明，底座及其鄰近甲板的強度也均滿足要求。

[1] 楊忠華，薛風光.半潛式鉆井平臺燃燒臂燃燒熱輻射研究[J].船舶工程，2015，37(1):248-252.

[2] 張兆德，張帆.海運九號試油船燃燒臂結(jié)構(gòu)的強度分析[J].石油礦場機械,2006，35(1):59-62.

[3] 聶武.船舶計算結(jié)構(gòu)力學[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2003.

[4] 龍馭球.有限元法概論[M].北京:高等教育出版社,1991.

[5] 朱慈勉.計算結(jié)構(gòu)力學[M].上海:上?？茖W技術(shù)出版社,1992.

[6] 中國船級社.海上移動平臺入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[7] 孫金偉，穆勝軍，許海東，等.移動式采油平臺的火炬臂設(shè)計與優(yōu)化[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2012(5):180-181.

[8] 王柏和，魯建，郭艷欣，等.自升式鉆井平臺燃燒臂的應(yīng)用與熱輻射分析[J].中國海洋平臺,2016，31(6):48-56.

[9] 董濱，張義公，韓冬.旋轉(zhuǎn)火炬臂設(shè)計方案研究[J].中國造船,2008，49(增刊2):54-61.

[10] 李學華，李翠東，徐卜男.火炬臂基座連接肘板的譜疲勞分析[J].船舶與海洋工程,2015，31(5):23-28.

[11] 張延昌，陳曙梅，陳建國，等.基于疲勞強度譜分析的火炬塔支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].船舶工程,2014(5):22-26.

[12] 胡志強，顧永寧，何江.浮式生產(chǎn)儲油輪火炬塔結(jié)構(gòu)的疲勞分析[J].中國海上油氣,2001,13(3):14-18.

Strength Analysis of Burner Boom on Mobile Production Test Unit

YANMing,XUChang-jun

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China)

According to the structural and operation characteristics, the stress of the burner boom structure on mobile production test unit under different conditions were calculated by numerical simulation, and the strength of the base and the adjacent main deck was assessed.

mobile production test unit; burner boom; structure; stress; FEM

U661.43

A

1671-7953(2017)05-0005-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.003

2017-07-12

修回日期：2017-08-21

嚴明(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋工程設(shè)計、建造