海洋平臺(tái)火炬塔筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

趙世發(fā), 竇培林, 李 秀, 李永正, 濮榮春, 包國(guó)治

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.華潤(rùn)燃?xì)?上海)有限公司，上海 201900；3.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

在石油開采過程中，隨著原油的開采和純油的加工提煉，各種含烴廢氣隨之產(chǎn)生。對(duì)于海上石油廢氣的處理，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)和井口采油樹平臺(tái)等采油平臺(tái)是進(jìn)行氣體的放空燃燒。主要的氣體處理結(jié)構(gòu)物為火炬塔、火炬臂和火炬燃燒放空架等，統(tǒng)稱為火炬結(jié)構(gòu)物[1]。由于火炬在燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量較大，產(chǎn)生的火焰等明亮產(chǎn)物輻射范圍較廣，因此存在火炬燃燒的安全問題。在海洋平臺(tái)上工藝處理的工作量逐漸加大，處理廢氣的火炬結(jié)構(gòu)物的跨距逐漸增加，對(duì)于火炬塔或火炬塔筒體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、質(zhì)量、總重等各個(gè)指標(biāo)均具有一定的提升要求，而這些大型結(jié)構(gòu)物在海上主要受到風(fēng)載荷的影響，在風(fēng)載荷作用下，有可能會(huì)造成較大的變形位移，在嚴(yán)重情況下會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，造成工程損失[2-5]。火炬塔分為塔類處理裝置和圓筒類處理裝置，對(duì)于火炬塔筒體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，可應(yīng)用理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[6-8]。在進(jìn)行分析時(shí)，均采用等效載荷作為施加載荷[9]。形成的有限元模型一般采用四面體與六面體單元網(wǎng)格[10]。秦強(qiáng)等[2]對(duì)FPSO火炬塔根部裂紋進(jìn)行分析，制定適合的返修工藝。邱鶴[11]對(duì)液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)火炬塔進(jìn)行不均勻沉降研究，并對(duì)不均勻沉降下的火炬塔安全強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)果在強(qiáng)度范圍內(nèi)。對(duì)火炬塔的研究大部分是關(guān)于方形桁架火炬塔的分析和強(qiáng)度校核，圓筒形火炬塔筒體研究較少，而后者在石油廢氣處理中使用較多。

針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目，采用Ansys軟件的靜力分析模塊對(duì)不同風(fēng)力工況條件下圓筒形火炬塔筒體的受力狀況進(jìn)行有限元仿真，并對(duì)單個(gè)火炬塔筒體和多個(gè)火炬塔筒體之間采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式的受力情況進(jìn)行對(duì)比，分析圓筒形火炬塔架的設(shè)計(jì)可行性。

1 火炬塔筒體結(jié)構(gòu)

圓筒形火炬塔筒體根據(jù)需要處理的廢氣和各種燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)為不同的尺寸，火炬塔筒體主要結(jié)構(gòu)為外部鋼管火炬塔筒體、縱向肋條和橫向肋條、環(huán)梁方鋼管和柱腳等大型部件。根據(jù)燃?xì)夤芫€布置的不同復(fù)雜程度和實(shí)際需求，選擇安裝單個(gè)火炬塔筒體和多個(gè)火炬塔筒體?；鹁嫠搀w呈圓筒形，每個(gè)筒體下部安裝4個(gè)柱腳作為支撐結(jié)構(gòu)件，對(duì)于單個(gè)或多個(gè)火炬塔筒體的布置，可選擇增加或不增加下部的百葉窗通風(fēng)口和擋風(fēng)零部件。對(duì)于單個(gè)火炬塔筒體，在火炬塔筒體下部安裝廢氣輸送管線支撐箱，根據(jù)不同的工程環(huán)境，支撐箱的大小和體積可進(jìn)行調(diào)節(jié)。在海洋平臺(tái)面積固定的情況下，在3個(gè)火炬塔筒體選擇適宜安裝位置后再增設(shè)上部連接橋，完成多個(gè)火炬塔筒體同時(shí)工作的工況，達(dá)到高效燃燒廢氣的目的。在每個(gè)圓筒形火炬塔筒體外部增加7根橫肋條和8根縱肋條，根據(jù)工況需求進(jìn)行等距離排布?；鹁嫠搀w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火炬塔筒體結(jié)構(gòu)示例

項(xiàng)目采用的火炬塔筒體為圓筒形，總高為8 200 mm，底部寬為7 573 mm，直徑約2 400 mm，總重約10 t，筒體由縱橫交錯(cuò)分布的加強(qiáng)筋加強(qiáng)。3個(gè)火炬塔呈三角形排布，上部增加連接橋，起到增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。該火炬塔的材料為304鋼、HT200灰鑄鐵和硅酸鋁材料。根據(jù)文獻(xiàn)[12]提供的設(shè)計(jì)思路，硅酸鋁的選擇具有兩方面的益處：①在處理隔溫隔熱過程中可達(dá)到較好效果，可減少在廢氣處理時(shí)燃燒對(duì)海洋平臺(tái)產(chǎn)生的熱效應(yīng)，并避免熱輻射對(duì)海洋平臺(tái)建筑物產(chǎn)生的破壞影響；②硅酸鋁的密度相比于一般的鋼質(zhì)材料較小，具有一定的可用性與優(yōu)越性。HT200灰鑄鐵性能良好，其抗剪模量和張力強(qiáng)度達(dá)到較高的強(qiáng)度極限，在極端風(fēng)力情況下依然保持良好的力學(xué)性能?；鹁嫠搀w材料參數(shù)如表1所示。

表1 火炬塔筒體材料參數(shù)

由于火炬塔筒體在工作時(shí)不僅受到外界風(fēng)載荷的作用，而且受到內(nèi)部與外部之間的溫差帶來的熱應(yīng)力作用，因此在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)對(duì)火炬塔筒體內(nèi)部硅酸鋁進(jìn)行屈服強(qiáng)度折減，其他材料受到熱應(yīng)力的影響不大，可按正常屈服強(qiáng)度值計(jì)算校核。

2 火炬塔筒體建模

2.1 火炬塔筒體安裝工況

火炬塔筒體在安裝時(shí)分為水平狀態(tài)與豎直狀態(tài)，兩種狀態(tài)的受力點(diǎn)均在吊耳上，吊耳采用的材料為HT200灰鑄鐵，其等效應(yīng)力值小于其屈服強(qiáng)度200.00 MPa，可滿足安裝要求。在水平狀態(tài)時(shí)，火炬塔筒體受到重力作用，在中部產(chǎn)生向下位移，具有一定的撓度，經(jīng)校核，火炬塔筒體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合要求。在豎直狀態(tài)時(shí)，由于重力方向與吊裝受力在同一方向，因此火炬塔筒體不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)破壞。

2.2 火炬塔筒體在位工況

火炬塔筒體的極端工作環(huán)境是海上惡劣風(fēng)環(huán)境，遭受10級(jí)以上的風(fēng)載荷，在各種工況條件下會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力強(qiáng)度破壞等。假設(shè)火炬塔筒體設(shè)置在海洋平臺(tái)上，風(fēng)從不同的方向吹來，通過不同的風(fēng)力級(jí)數(shù)工況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比在不同風(fēng)力情況下不同零部件的不同變形程度和不同應(yīng)力值。根據(jù)風(fēng)力級(jí)數(shù)分布的不同情況，作用于塔架的風(fēng)力大小[13]計(jì)算為

(1)

由式(1)計(jì)算得到，在風(fēng)速為41.5～46.1 m/s的14級(jí)風(fēng)壓強(qiáng)工況條件下產(chǎn)生的風(fēng)壓強(qiáng)為0.001 3 MPa。同理可得，15級(jí)風(fēng)、16級(jí)風(fēng)和17級(jí)風(fēng)的風(fēng)壓強(qiáng)分別為0.001 6 MPa、0.002 0 MPa和0.002 3 MPa。在上述工況的基礎(chǔ)上增加無風(fēng)工況0 MPa的工作環(huán)境，并每隔0.01 MPa的量級(jí)進(jìn)行增加，施加載荷范圍為0～0.05 MPa，觀察火炬塔筒體在多大的壓力下會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，為后續(xù)的火炬塔筒體設(shè)計(jì)提供一定的基礎(chǔ)參考。除風(fēng)力工況變化外，探究不同風(fēng)向的壓力對(duì)火炬塔筒體整體結(jié)構(gòu)和各重要零部件的破壞情況，找出破壞的臨界值?？紤]火炬塔筒體的圓筒形對(duì)稱性，工作工況為風(fēng)壓從-x方向和-y方向施加壓強(qiáng)載荷。目前獲取的最大風(fēng)力資料為17級(jí)風(fēng)，該工況條件下產(chǎn)生的風(fēng)壓強(qiáng)為0.002 3 MPa，考慮海上惡劣的風(fēng)環(huán)境，在17級(jí)風(fēng)壓的基礎(chǔ)上增加一定量級(jí)的壓強(qiáng)模擬風(fēng)環(huán)境，探究火炬塔筒體構(gòu)件可承受的最大載荷，為海上惡劣環(huán)境中的火炬塔筒體設(shè)計(jì)與維護(hù)提供一定的指導(dǎo)基礎(chǔ)。

綜上所述，擬采用如下風(fēng)載荷工況：工況1，風(fēng)載荷為0 MPa；工況2，風(fēng)載荷為0.002 0 MPa；工況3，風(fēng)載荷為0.002 3 MPa；工況4，風(fēng)載荷為0.01 MPa；工況5，風(fēng)載荷為0.02 MPa；工況6，風(fēng)載荷為0.025 0 MPa，工況7，風(fēng)載荷為0.03 MPa；工況8，風(fēng)載荷為0.04 MPa；工況9，風(fēng)載荷為0.05 MPa。

2.3 火炬塔筒體有限元模型

網(wǎng)格劃分是有限元值求解精確與否的關(guān)鍵，網(wǎng)格細(xì)化將節(jié)點(diǎn)之間劃分得更加細(xì)密，捕捉各物理量的梯度值，例如壓力、應(yīng)力、溫度和位移等載荷。通常使用的網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格，少部分簡(jiǎn)單的分析模型使用六面體網(wǎng)格。在項(xiàng)目中將四面體與六面體網(wǎng)格混合使用。對(duì)單個(gè)火炬塔筒體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在整個(gè)結(jié)構(gòu)物中，曲面構(gòu)件采用四面體網(wǎng)格，主要應(yīng)用在圓筒形筒體、廢氣排放鋼管和環(huán)梁方鋼管等構(gòu)件處，六面體網(wǎng)格主要用于箱形底部、柱腳和底部的百葉窗等構(gòu)件處。網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生655 180個(gè)節(jié)點(diǎn)、375 563個(gè)單元，最大單元尺寸為60 mm，最小單元尺寸為10 mm，最小邊線長(zhǎng)度為0.286 21 mm?；鹁嫠搀w有限元模型如圖2所示。

圖2 火炬塔筒體有限元模型

2.4 載荷和約束條件

火炬塔筒體一般置于海洋平臺(tái)上部，受到的力主要為各種工況的風(fēng)載荷、自重載荷和溫度載荷。風(fēng)載荷使用第2.2節(jié)的各種工況載荷。自重載荷通過重力計(jì)算公式G=mg進(jìn)行計(jì)算，m為火炬塔整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。溫度載荷根據(jù)環(huán)境取值-19～50 ℃。模擬實(shí)際工況條件下的火炬塔筒體受力情況，將底部與海洋平臺(tái)作為固定約束，其余部分均默認(rèn)為綁定接觸，在實(shí)際工程中為焊接連接。

3 單個(gè)火炬塔筒體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

通過施加不同方向的風(fēng)載荷，計(jì)算海洋平臺(tái)單個(gè)火炬塔筒體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。觀察柱腳部件、環(huán)梁方鋼管、塔架部件和筒體內(nèi)部硅酸鋁的等效應(yīng)力值、最大應(yīng)力值和應(yīng)力變形位移值，以及在x軸、y軸和z軸之間的位移大小和變化趨勢(shì)。

單個(gè)火炬塔筒體在實(shí)際工況條件-y方向的應(yīng)力值與變形位移值如圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將風(fēng)壓力從-y方向進(jìn)行加載，火炬塔筒體各構(gòu)件的應(yīng)力值隨實(shí)際工況風(fēng)壓力的增大呈現(xiàn)非線性的增大趨勢(shì)。筒體內(nèi)部硅酸鋁等效應(yīng)力值最小，呈現(xiàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢。火炬塔筒體的等效應(yīng)力值、最大等效應(yīng)力值和最大應(yīng)力隨實(shí)際工況風(fēng)壓力的增加逐漸增大，其中，在實(shí)際工況6時(shí)，最大應(yīng)力值和等效應(yīng)力值在200.00 MPa上下波動(dòng)。火炬塔筒體材料的應(yīng)力強(qiáng)度許用值為200.00 MPa，超過工況6的壓力載荷會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力失效，產(chǎn)生工程問題。

圖3 單個(gè)火炬塔筒體在實(shí)際工況條件-y方向的應(yīng)力值與變形位移值

單個(gè)火炬塔筒體在工況6條件下的應(yīng)力云圖如圖4所示。單個(gè)火炬塔筒體下部與管道支撐箱焊接固連，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在管道支撐箱尖角處，風(fēng)壓力從不同角度進(jìn)行加載，使火炬塔底部的管道支撐箱產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。在實(shí)際工程中，主要關(guān)注整個(gè)火炬塔筒體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，單個(gè)火炬塔筒體的最大風(fēng)壓工況設(shè)計(jì)為工況6較為安全。筒體內(nèi)部硅酸鋁等效應(yīng)力值、環(huán)梁方鋼管等效應(yīng)力值和柱腳等效應(yīng)力值隨風(fēng)載荷的增大趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 單個(gè)火炬塔筒體在工況6條件下的應(yīng)力云圖

單個(gè)火炬塔筒體在實(shí)際工況條件-x方向的應(yīng)力值與變形位移值如圖5所示。單個(gè)火炬塔架的變形位移值出現(xiàn)在火炬塔頂部和迎風(fēng)面，整體結(jié)構(gòu)在x、y、z等3個(gè)方向的變形位移值小于4 mm。在風(fēng)壓力小于0.02 MPa時(shí)，整體結(jié)構(gòu)變形位移值呈非線性緩慢增大。在風(fēng)壓力大于0.02 MPa時(shí)，隨著工況風(fēng)壓力的增大，最大應(yīng)力值和最大等效應(yīng)力值迅速非線性增加，同時(shí)其產(chǎn)生的應(yīng)力值已大于200.00 MPa，因此單個(gè)火炬塔筒體在該風(fēng)向下可承受的最大壓力載荷為0.02 MPa。該火炬塔筒體的變形位移值變化較大的是整體變形位移值，在工況6條件下產(chǎn)生的整體變形位移值為6 mm，其余變形位移值為0～5 mm，其中，環(huán)梁方鋼管的變形位移值最小，原因在于底部的管道支撐箱擋住一部分風(fēng)載荷，且外部載荷對(duì)其變形位移值變化影響不大。在風(fēng)壓力為0.05 MPa時(shí)，整體結(jié)構(gòu)變形位移值為12 mm。

圖5 單個(gè)火炬塔筒體在實(shí)際工況條件-x方向的應(yīng)力值與變形位移值

單個(gè)火炬塔筒體和構(gòu)件在工況6條件下的應(yīng)力變形云圖如圖6所示。結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力最大值為174.18 MPa，小于屈服強(qiáng)度235.00 MPa，該點(diǎn)出現(xiàn)在底部的箱體與地面連接處，符合設(shè)計(jì)要求?；鹁嫠搀w本身的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在筒體橫肋條與縱肋條之間的交點(diǎn)處，最大值為166.31 MPa，在材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，可承受工況6條件下的風(fēng)載荷，因此在對(duì)筒體進(jìn)行設(shè)計(jì)和焊接組裝時(shí)，應(yīng)注意橫肋條與縱肋條之間的連接和焊接。柱腳受力較小，在柱腳處產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為68.38 MPa，該點(diǎn)出現(xiàn)在柱腳底部的肋板交界處。環(huán)梁方鋼管產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為93.18 MPa，出現(xiàn)在環(huán)梁方鋼管的上部。由上述分析可知：?jiǎn)蝹€(gè)火炬塔筒體在工況6條件下產(chǎn)生的應(yīng)力值小于200.00 MPa，符合設(shè)計(jì)材料的許用要求。

圖6 單個(gè)火炬塔筒體和構(gòu)件在工況6條件下的應(yīng)力變形云圖

4 3個(gè)火炬塔筒體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于火炬塔筒體布置的軸對(duì)稱性和中心對(duì)稱性，因此僅考慮一個(gè)方向?qū)?個(gè)火炬塔筒體施加載荷，采用的風(fēng)壓工況與單個(gè)火炬塔筒體一致。向3個(gè)連接的火炬塔筒體施加風(fēng)載荷，計(jì)算3個(gè)火炬塔筒體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。觀察柱腳部件、環(huán)梁方鋼管、塔架部件和筒體內(nèi)部硅酸鋁的各種應(yīng)力值和變形位移值。

3個(gè)火炬塔筒體在工況6條件下的應(yīng)力值與變形位移值如圖7所示。3個(gè)火炬塔筒體在風(fēng)壓工況6條件下產(chǎn)生的應(yīng)力值已達(dá)230.00 MPa，超過整體結(jié)構(gòu)可承受的最大許用應(yīng)力值200.00 MPa。相對(duì)于單個(gè)火炬塔筒體而言，3個(gè)火炬塔筒體連接形式受到的迎風(fēng)面積較大，受到的風(fēng)壓總和較大，產(chǎn)生的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大，相應(yīng)的變形位移值較大。在工況6條件下產(chǎn)生的最大變形位移值為11 mm，x方向的變形相對(duì)于y方向的變形較大，受到壓力載荷的影響較大。

圖7 3個(gè)火炬塔筒體在工況6條件下的應(yīng)力值與變形位移值

3個(gè)火炬塔筒體和構(gòu)件在工況6條件下的應(yīng)力變形云圖如圖8所示。3個(gè)火炬塔筒體連接最大應(yīng)力出現(xiàn)在柱腳與火炬塔筒體的焊接處，最大應(yīng)力值為238.00 MPa，已超過火炬塔筒體可承受的載荷值，在工況6條件下已失效。在進(jìn)行3個(gè)火炬塔筒體的設(shè)計(jì)和實(shí)際施工中需要考慮火炬塔筒體與各構(gòu)件之間的焊接連接處強(qiáng)度。其余部分包括環(huán)梁方鋼管和柱腳等構(gòu)件產(chǎn)生的應(yīng)力值均小于200.00 MPa，符合火炬塔筒體的設(shè)計(jì)材料強(qiáng)度許用值。

圖8 3個(gè)火炬塔筒體和構(gòu)件在工況6條件下的應(yīng)力變形云圖

5 結(jié) 論

通過Ansys軟件對(duì)海洋平臺(tái)的火炬塔筒體進(jìn)行實(shí)際算例分析，結(jié)論如下：

(1)單個(gè)火炬塔筒體在工況6條件下產(chǎn)生的應(yīng)力值為174.18 MPa，位于管道支撐箱尖角處，小于材料的許用應(yīng)力值200.00 MPa；產(chǎn)生的最大變形位移值為5.639 6 mm，位于火炬塔筒體頂端圓周處，符合材料強(qiáng)度與設(shè)計(jì)規(guī)范。

(2)3個(gè)火炬塔筒體固連，在工況6條件下產(chǎn)生的應(yīng)力值超過200.00 MPa，位于柱腳與火炬塔筒體交界處；產(chǎn)生的最大位移值為11 mm，位于火炬塔筒體頂端圓周處。

(3)通過有限元分析，在處理海洋平臺(tái)的石油廢氣時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮帶有管架支撐箱的單個(gè)火炬塔筒體作為處理裝置。對(duì)于特殊工況，可選擇3個(gè)火炬塔筒體作為廢氣處理裝置，但需要進(jìn)一步優(yōu)化以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。