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(jié)構(gòu)的主要作用是燃燒和排放可燃?xì)怏w，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(jié)構(gòu)，風(fēng)激疲勞[1]不可忽略。另外，由于火炬臂距離搖心位置較遠(yuǎn)，且重心較高，船體運動產(chǎn)生的慣性力較大，疲勞損傷需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中重點考慮。目前國內(nèi)的研究成果多集中在運動產(chǎn)生的疲勞和風(fēng)激疲勞的單獨分析上，沒有對兩種疲勞的組合損傷進(jìn)行分析。本文分別對火炬臂結(jié)構(gòu)的兩種疲勞損傷進(jìn)行分析，并在DNV-RP-C203[2]的基礎(chǔ)上計算兩種疲勞的組合疲勞損傷。

1 計算模型及設(shè)計參數(shù)

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重、管線質(zhì)量、附屬構(gòu)件質(zhì)量等?；鹁姹畚挥诖讉?cè)，設(shè)計使用壽命為30 a，疲勞安全因數(shù)取2.0。

圖1 火炬臂三維模型 圖2 火炬臂上平面節(jié)點 圖3 火炬臂下平面節(jié)點

1.2 S-N曲線及應(yīng)力集中因數(shù)

S-N曲線表示疲勞應(yīng)力幅與最大許用循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，S-N曲線的選取主要考慮目標(biāo)節(jié)點的類型、焊接和檢驗方式等。應(yīng)力集中因數(shù)是指熱點應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值。DNV規(guī)范[2]給出了常見節(jié)點的應(yīng)力集中因數(shù)計算公式以及S-N曲線。本文所用S-N曲線和應(yīng)力集中因數(shù)如表1所示。

表1 S-N曲線和應(yīng)力集中因數(shù)

1.3 FPSO來浪方向選取及占比

FPSO可以繞系泊塔自由旋轉(zhuǎn)，在環(huán)境荷載比如波浪和風(fēng)荷載作用下，船首會旋轉(zhuǎn)至來浪方向。在旋轉(zhuǎn)過程中，一定時間內(nèi)船首方向與風(fēng)浪流方向不一致，即風(fēng)浪流作用于船側(cè)方向，但在現(xiàn)有的環(huán)境數(shù)據(jù)和船舶響應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，仍然無法評估環(huán)境荷載作用于船側(cè)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(fēng)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(zhuǎn)45°來考慮環(huán)境荷載作用于船側(cè)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(shù)據(jù)

根據(jù)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(yīng)，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(yīng)力集中因數(shù)

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(yīng)力集中因數(shù)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(jié)點SHELL 93單元，網(wǎng)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(jié)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(jù)DNV-RP-C203應(yīng)力外推法計算拐點截面熱點應(yīng)力即為該位置的應(yīng)力集中因數(shù)，計算方法如下：

(1) 根據(jù)管截面參數(shù)，分別計算受壓、受面內(nèi)彎和受面外彎時上管截面的名義應(yīng)力，應(yīng)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(yīng)力點位置處，沿主應(yīng)力方向分別求出距離該位置t/2和3t/2(t為應(yīng)力路徑上的管壁厚)的節(jié)點應(yīng)力。

(3) 利用插值法求出熱點應(yīng)力即為拐點截面在對應(yīng)工況下的應(yīng)力集中因數(shù)。

2.3 熱點應(yīng)力計算結(jié)果

面內(nèi)彎工況下的應(yīng)力結(jié)果如圖9所示。

圖9 面內(nèi)彎工況下t/2和3t/2位置處的應(yīng)力

計算位置點熱點應(yīng)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(yīng)力即應(yīng)力集中因數(shù)；σt/2為距離計算位置t/2位置處的應(yīng)力；σ3t/2為距離計算位置3t/2位置處的應(yīng)力。

各工況下的應(yīng)力集中因數(shù)如表2所示。

表2 各工況下拐點位置應(yīng)力集中因數(shù)

將表2的拐點位置應(yīng)力集中因數(shù)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(fēng)都可認(rèn)為是平穩(wěn)的隨機過程，以波浪為例，其服從窄帶高斯分布，如果將FPSO結(jié)構(gòu)視作線性系統(tǒng)，則得到的應(yīng)力響應(yīng)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(gòu)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(fēng)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(fēng)譜疲勞時，選用HARRIS風(fēng)譜并考慮陣風(fēng)效應(yīng)，生成計算風(fēng)譜疲勞所用的風(fēng)荷載。

3.2 計算流程

利用SACS軟件分別進(jìn)行火炬臂因船體運動產(chǎn)生的疲勞以及風(fēng)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(chǎn)生的動荷載，也要承受脈動風(fēng)產(chǎn)生的動荷載，兩過程都會產(chǎn)生疲勞問題。但是，由于兩過程的作用頻率不一樣，將損傷進(jìn)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(yīng)的疲勞損傷；D2為低頻響應(yīng)的疲勞損傷；v1為高頻響應(yīng)的上跨零頻率；v2為低頻響應(yīng)的上跨零頻率；m為S-N曲線的反斜率。根據(jù)ABS海上結(jié)構(gòu)疲勞規(guī)范，對于管節(jié)點，m分兩種情況：當(dāng)S-N曲線為API-X′曲線時，m=4.73；當(dāng)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(rèn)為風(fēng)荷載響應(yīng)與運動響應(yīng)對應(yīng)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(zhǔn)確的疲勞損傷。

4 計算結(jié)果

4.1 管節(jié)點

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

表3 管節(jié)點疲勞損傷計算結(jié)果

4.2 過渡錐位置對接焊縫

過渡錐位置處因運動產(chǎn)生的疲勞和風(fēng)激疲勞以及二者組合疲勞損傷結(jié)果如表4所示。結(jié)果顯示，管節(jié)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(jié)果

5 結(jié) 論

以南海某FPSO上的火炬臂設(shè)計為例，總結(jié)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(fēng)荷載作用的組合疲勞損傷，為后續(xù)工程設(shè)計提供參考。

(1) 對于傾斜式火炬臂，根據(jù)DNV-RP-C203規(guī)范的插值方法，基于有限元軟件計算拐點位置的應(yīng)力集中因數(shù)，并最終根據(jù)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(guī)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(zhǔn)確的組合疲勞損傷。