FPSO超长倾斜式火炬臂吊装方案设计研究

李记忠，张海荣，杜国强，李雪松，宋青武

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

火炬系统的主要作用是燃烧和排放可燃气体，火炬臂结构作为火炬系统的支撑结构是固定式平台和浮式平台（FPSO）的重要组成部分。国内固定式平台火炬臂通常为倾斜式，与甲板水平面夹角为45°或60°。一般是在场地预制后，通过两台履带吊合作完成火炬臂的起吊，然后通过分别控制两台履带吊吊钩的升降将火炬臂的倾斜角度调整到设计角度，从而完成和上部组块的总装。以往FPSO上的火炬臂一般都不超过50 m，且为直立式，在场地预制完成后，在船坞和FPSO进行总装，通过龙门吊完成火炬臂的翻身和吊装就位。对于超长倾斜式火炬臂，因受龙门吊高度的限制，火炬臂无法在船坞内总装。本文提出了一种基于浮吊和履带吊联合作业的吊装方案，同时对吊装工况下的火炬臂主结构以及吊点进行了强度校核，验证了结构方案的可行性，解决了超长倾斜式火炬臂和FPSO船体的总装问题，对于后续同类项目具有借鉴意义。

1 浮吊和履带吊联合作业方案

以某FPSO超长倾斜式火炬臂为例，长度为85 m，就位后火炬与 船体甲板呈60°，火炬臂结构的吊装设计方案如图1所示。浮吊船舶为双把杆起重作业船，每个把杆上有两个钩头，在作业过程中，该船舶钩头上的吊绳需始终保持竖直，为此需要配合使用撑杆满足此要求。吊装扶正的最终角度为65°，略大于火炬臂实际就位后角度，这样可以使火炬臂底部前后两排插尖导向先后和船体支撑结构对接，便于火炬臂的安装就位。

图1 火炬臂

火炬臂的上水平面共有6个吊点，靠近上部的4个吊点和撑杆相连，撑杆通过吊绳再和浮吊相连。下部2个吊点供履带吊使用，吊点采用耳轴形式，耳轴里设置十字筋板，耳轴外侧设置盖板防止吊绳脱落，和耳轴相连的弦杆内部设置内加强环以满足节点冲剪强度，如图2所示。

图2 典型吊点结构示意

火炬臂起吊时，需要履带吊和浮吊共同作业，使火炬臂平稳从场地支撑位置抬起，如图3所示；随后浮吊吊钩继续抬升，履带吊吊钩高度保持不变并进行小范围移动以配合完成火炬臂空中扶正，直至达到最终扶正角度，如图4所示，此时火炬臂的重量全部转移至浮吊，履带吊退出吊装作业；最后移动浮吊将火炬臂运至FPSO指定位置，下放火炬臂完成和船体支撑结构的对接，如图5所示。

图3 火炬臂起吊示意

图4 火炬臂扶正示意

图5 火炬臂和FPSO船体总装示意

2 吊装工况下火炬臂主结构强度分析

2.1 计算参数选取及计算模型

火炬臂的荷载主要包括：结构自重、管道和火炬头荷载。火炬臂主结构在SACS模型中通过杆单元模拟，附属构件包括走道、斜梯和栏杆以及管道重量等以荷载形式加载到模型中，火炬臂的质量见表1。

表1 火炬臂质量

API RP 2A-WSD规范规定[1-2]，在遮蔽海域，对于吊点结构以及与吊点相连的杆件，应采用最小1.5倍的动荷载系数进行结构校核，对于其他杆件应采用最小1.15倍的动荷载系数。

采用SACS软件进行建模计算，对杆件端部约束释放，采用仅承受拉力的GAP单元模拟吊绳，吊钩处为固接约束。在火炬臂根部以及撑杆位置设置水平向的弹簧约束。分别模拟火炬臂起吊扶正角度为 30°、45°、60°、65°时的 4 种不同工况，起吊模型和扶正角度为45°时的模型如图6、图7所示。

图6 火炬臂起吊SACS模型

图7 火炬臂扶正45°SACS模型

2.2 计算结果

根据SACS吊装分析结果，在1.5动荷载系数时，各扶正工况下的杆件最大应力比见表2，从计算结果可知，杆件应力比均小于1，杆件强度满足要求。

表2 各扶正工况下杆件强度校核结果

各扶正工况下的最大吊绳力如表3所示。

表3 各扶正工况下最大吊绳力计算结果

从计算结果可知，起吊工况，履带吊对应的（VI02-S101，VJ02-S101） 吊绳力最大，该吊绳力可作为履带吊选型的基础数据，在火炬臂扶正过程中履带吊的吊绳力逐渐减小，当扶正至65°时，所有火炬臂吊装重量转移至浮吊，履带吊退出工作，履带吊对应的吊绳力为0。顶部两个吊点对应的（VI09-S010，VJ09-S012）吊绳力随着扶正角度的增大而增大，扶正角度为45°时，达到最大，当扶正角度继续增大至65°时，吊绳力减小。中间两个吊点对应的（VI03-S002，VJ03-S003）吊绳力起吊时因吊绳处于松弛状态所以吊绳力为0，当达到45°时开始受力，吊绳力随着扶正角度的增大而继续增大，扶正角度为65°时达到最大。在所有工况中VJ03-S003对应的吊绳力最大，为2 271 kN，以此吊点为代表，对吊点结构强度进行有限元分析。

3 吊点强度有限元分析

3.1 计算参数选取及计算模型

采用ANSYS软件对吊点进行建模及强度校核。吊点的有限元模型包括火炬臂的耳轴式吊点、主弦杆和撑杆，主弦杆和撑杆的模型长度大于2倍的直径，远端均为固接约束。有限元模型如图8所示。

图8 吊点有限元模型

采用SHELL93单元，该单元为8节点有限元单元，和4节点单元相比，其计算精度更高。耳轴及其和立柱相连位置为重点关注位置，该位置采用致密网格，采用1倍板厚来划分网格；在其余位置采用稀疏网格，采用2倍板厚来划分网格，以提高计算效率。

根据吊绳力计算结果，取2 271 kN作为吊点设计荷载，吊绳角度取对应工况的吊绳角度。假设吊绳力按余弦分布作用在吊绳和耳轴接触的圆环接触面上，且接触面上各节点的受力平行于吊绳作用方向[3-5]，见图9。材料的弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，屈服强度为355 MPa，许用应力按0.9倍的屈服强度计取，即取320 MPa。

图9 吊绳力荷载模拟

3.2 吊点强度分析结果

计算得到的吊点耳轴和十字筋板应力分布云图如图10、图11所示。

图10 耳轴应力云图/MPa

从图10、图11可以看出，最大Von Mises应力位于耳吊绳和耳轴的十字筋板的相交处，为吊绳产生的局部压应力，应力值为315 MPa，小于许用应力（320 MPa），吊点结构强度满足要求，其他应力值较大的位置还有耳轴管和吊绳接触的位置，需要在设计时予以重点考虑。

图11 十字筋板应力云图/MPa

4 结束语

对于FPSO超长倾斜式火炬臂，由于龙门吊的吊高限制，不能由龙门吊完成火炬臂和船体的坞内总装，本文提出了一种浮吊和履带吊联合作业完成火炬臂总装的方案。基于SACS和ANSYS软件，总结了一套火炬臂主结构及吊点的设计流程和计算方法，以某超长倾斜式火炬臂为例，计算了吊装工况下的结构强度，验证了浮吊和履带吊联合吊装作业方案的可行性。