FPSO火炬臂疲劳分析

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

火炬臂结构的主要作用是燃烧和排放可燃气体，在FPSO上火炬臂一般布置在船首部或尾部。由于火炬臂为高耸结构，风激疲劳[1]不可忽略。另外，由于火炬臂距离摇心位置较远，且重心较高，船体运动产生的惯性力较大，疲劳损伤需要在结构设计中重点考虑。目前国内的研究成果多集中在运动产生的疲劳和风激疲劳的单独分析上，没有对两种疲劳的组合损伤进行分析。本文分别对火炬臂结构的两种疲劳损伤进行分析，并在DNV-RP-C203[2]的基础上计算两种疲劳的组合疲劳损伤。

1 计算模型及设计参数

1.1 计算模型

以南海某FPSO的火炬臂为例，使用SACS软件建立火炬臂结构模型，如图1～图3所示。火炬臂长度为85 m，火炬臂荷载包括结构自重、管线质量、附属构件质量等。火炬臂位于船首侧，设计使用寿命为30 a，疲劳安全因数取2.0。

图1 火炬臂三维模型 图2 火炬臂上平面节点 图3 火炬臂下平面节点

1.2 S-N曲线及应力集中因数

S-N曲线表示疲劳应力幅与最大许用循环次数之间的关系，S-N曲线的选取主要考虑目标节点的类型、焊接和检验方式等。应力集中因数是指热点应力与名义应力的比值。DNV规范[2]给出了常见节点的应力集中因数计算公式以及S-N曲线。本文所用S-N曲线和应力集中因数如表1所示。

表1 S-N曲线和应力集中因数

1.3 FPSO来浪方向选取及占比

FPSO可以绕系泊塔自由旋转，在环境荷载比如波浪和风荷载作用下，船首会旋转至来浪方向。在旋转过程中，一定时间内船首方向与风浪流方向不一致，即风浪流作用于船侧方向，但在现有的环境数据和船舶响应数据的基础上，仍然无法评估环境荷载作用于船侧情况在服役期的占比。计算火炬臂因船体运动引起的疲劳和风激疲劳时，保守考虑，取180°方向(船首方向)的时间占比为100%，从180°位置沿顺时针和逆时针方向各偏转45°来考虑环境荷载作用于船侧的情况即135°和225°，两个方向的时间占比均为7.5%，总占比为115%。

1.4 RAO数据

根据以上来浪方向分别计算135°、180°和225°方向船体摇心处的RAO位移响应，如图4～图6所示。

图4 来浪方向135°船体RAO

图5 来浪方向180°船体RAO

图6 来浪方向225°船体RAO

2 有限元求解应力集中因数

2.1 有限元模型

火炬臂根部拐点位置采用管与管对接的形式，如图7所示，该位置的应力集中因数须通过有限元分析计算得到。有限元模型如图 8所示，采用8节点SHELL 93单元，网格尺寸采用1倍筋板厚度，管底部位置固接约束，管上部建立耦合约束，荷载施加在耦合节点上。

图7 拐点模型示例 图8 有限元模型

2.2 计算方法

依据DNV-RP-C203应力外推法计算拐点截面热点应力即为该位置的应力集中因数，计算方法如下：

(1) 根据管截面参数，分别计算受压、受面内弯和受面外弯时上管截面的名义应力，应力值为1时作为各工况的计算荷载。

(2) 在拐点截面的最大应力点位置处，沿主应力方向分别求出距离该位置t/2和3t/2(t为应力路径上的管壁厚)的节点应力。

(3) 利用插值法求出热点应力即为拐点截面在对应工况下的应力集中因数。

2.3 热点应力计算结果

面内弯工况下的应力结果如图9所示。

图9 面内弯工况下t/2和3t/2位置处的应力

计算位置点热点应力为

σscf=0.5×(3×σt/2-σ3t/2)=0.5×(3×3.398 63-2.600 4)=3.798

(1)

式中：σscf为计算位置处的热点应力即应力集中因数；σt/2为距离计算位置t/2位置处的应力；σ3t/2为距离计算位置3t/2位置处的应力。

各工况下的应力集中因数如表2所示。

表2 各工况下拐点位置应力集中因数

将表2的拐点位置应力集中因数值代入SACS计算文件中，可以求得拐点位置的疲劳损伤。

3 疲劳分析

3.1 谱分析方法

波浪和风都可认为是平稳的随机过程，以波浪为例，其服从窄带高斯分布，如果将FPSO结构视作线性系统，则得到的应力响应服从瑞利分布。随机过程可由频率不同的简谐波叠加组合而成，海浪的总能量由各组成波提供，海浪能量相对于各组成波的概率分布构成海浪这一随机过程的频域特性。

选用PM谱计算波浪所致疲劳。PM谱是由风浪观测谱拟合得到的，是海洋工程中最常用的波浪谱之一。在计算风谱疲劳时，选用HARRIS风谱并考虑阵风效应，生成计算风谱疲劳所用的风荷载。

3.2 计算流程

利用SACS软件分别进行火炬臂因船体运动产生的疲劳以及风激疲劳分析，主要分析流程如图10所示。

图10 火炬臂谱疲劳分析流程

3.3 组合疲劳损伤计算方法

FPSO上的火炬臂在服役期间，既要承受船体运动产生的动荷载，也要承受脉动风产生的动荷载，两过程都会产生疲劳问题。但是，由于两过程的作用频率不一样，将损伤进行线性叠加是不保守的。DNV-RP-C203附录F给出了计算组合疲劳损伤的推荐公式为

(2)

式中：D为组合疲劳损伤；D1为高频响应的疲劳损伤；D2为低频响应的疲劳损伤；v1为高频响应的上跨零频率；v2为低频响应的上跨零频率；m为S-N曲线的反斜率。根据ABS海上结构疲劳规范，对于管节点，m分两种情况：当S-N曲线为API-X′曲线时，m=4.73；当S-N曲线为D曲线时，可以保守考虑，m=5.0。

为简化处理，可认为风荷载响应与运动响应对应的频率相等(v1=v2)，公式可简化为

(3)

简化公式是一种非常保守的计算方法，如有必要，可通过计算两过程的平均上跨零周期得到更准确的疲劳损伤。

4 计算结果

4.1 管节点

管节点由运动产生的疲劳和风激疲劳以及二者组合疲劳损伤结果如表3所示,结果显示管节点的疲劳寿命均大于30 a的使用寿命。

表3 管节点疲劳损伤计算结果

4.2 过渡锥位置对接焊缝

过渡锥位置处因运动产生的疲劳和风激疲劳以及二者组合疲劳损伤结果如表4所示。结果显示，管节点的疲劳寿命均大于30 a的使用寿命。

表4 过渡锥疲劳损伤计算结果

5 结 论

以南海某FPSO上的火炬臂设计为例，总结出一套FPSO火炬臂疲劳分析方法，该方法可综合考虑船体运动与风荷载作用的组合疲劳损伤，为后续工程设计提供参考。

(1) 对于倾斜式火炬臂，根据DNV-RP-C203规范的插值方法，基于有限元软件计算拐点位置的应力集中因数，并最终根据组合疲劳损伤计算方法，计算该位置的疲劳损伤。

(2) 文中的简化公式与规范公式相比较为保守，如有必要可通过计算两过程的平均上跨零周期得到更准确的组合疲劳损伤。