风激振动下火炬结构物的优化设计.pdf

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1、石油和化工设备-18-论文广场2016年第19卷风激振动下火炬结构物的优化设计胡性涛，文志飞，赵阔，蓝国阳（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）[摘要]在海上采油平台、FPSO等重要海洋石油装备中，存在大量火炬结构物，因处于风场环境中，产生的风激振动会成为设计控制工况。本文以海洋石油118号FPSO火炬塔的详细设计为例，分析了风激振动对火炬结构物设计的影响，利用ANSYS等软件对结构基频及约束系数的进行了计算和分析，探讨了对其结构设计进行优化的方法，为以后类似结构物的优化设计提供了参考。[关键词]海上平台；火炬结构物；风激振动；基频；约束系数；ANSYS；优化设计海洋石油工程中的井

2、口平台、FPSO等生产对火炬结构物设计的影响，再利用ANSYS等软件设施中，根据工艺设计要求，需要对生产流程中计算分析结果，对风激振动下火炬结构物的优化产生的天然气等气体进行放空排放，放空排放的设计进行探讨。管线及火炬头等要由结构物进行支撑，常见的结1风激振动下火炬结构物的常规设计方法构有火炬塔、火炬臂、排放臂、放空架等，统称1.1结构规划及强度计算为火炬结构物。由于火炬燃烧热辐射范围及排放气体安全方面的要求，火炬结构物往往探出结构根据工艺设计提出的要求，如跨距、高度、主体较多，高度较高，且随着海洋平台工艺处理长度、顶部面积等，对火炬结构物进行结构选型量的加大，火炬结构物的跨距等总体尺寸也

3、在逐及规划。根据受力情况，海洋火炬结构物均为圆步增加，出于对结构空间、重量、强度等方面的形中空钢管组成的桁架。在确定各组成管件的规要求，大量细长杆件运用于此类结构物的设计格后，依据设计草图进中。细长杆件暴露在受风区域中，在风力作用下行强度计算分析，包括会产生涡激振动，即风激振动。结构物在风场的在位、吊装、拖航等作用下如果发生风激振动，可能使结构产生较大工况。海洋石油118号位移及变形，造成局部构件甚至整体结构的严重FPSO火炬塔强度计算破坏。1982年秋，美国华盛顿州刚建起4个月的模型见图1。Tacoma吊桥在风速不到20m/s的大风作用下发生的破坏事故，引起了国际工程界及空气动力学界的极

4、大关注，并由此开展了大量的理论探索和相应的实验研究。如何设计结构物，使其基频脱离风激振动频率危险区，是避免结构物在风场中破坏的有效手段之一。目前，涉及风激振动校核的标准规范较多，校核原理大致相同，海洋工程中广[1]泛使用DNV-RP-C205进行校核。近年多个海洋石油平台及FPSO项目中的火炬结构物，在依靠传统方法进行结构设计时，发现风激振动成为局部区域乃至大量杆件的控制工况的现象，再根据风激图1海洋石油118号FPSO火炬塔强度计算模型振动分析结果对结构进行调整，影响了设计效率及质量，增加了项目成本。本文将以海洋石油118作者简介：胡性涛（1980—），男，湖北荆州人，本科，工程师。主要

5、从事海洋石油工程结构物的设计工作。号FPSO火炬塔的详细设计为案例，分析风激振动第5期胡性涛等风激振动下火炬结构物的优化设计-19-1.2风疲劳/波浪疲劳计算设计寿命。在海洋石油118号FPSO火炬塔的详细设除了强度计算外，由于火炬结构物存在大量计中，根据船体设计方提供的幅值响应算子(RAO)节点，并承受风或波浪冲击的往复力，还需要进进行火炬结构物波浪疲劳的计算。海洋石油118号行相应疲劳损伤的计算，确保其疲劳寿命远大于FPSO部分RAO数据及疲劳计算结果见图2、表1。图2海洋石油号FPSO部分RAO数据表1海洋石油118号FPSO火炬塔疲劳计算部分结果数据石油和化工设备-20-论文广场2

6、016年第19卷从结果数据中可以看出，大部分节点的疲劳当约化速度小于0.8/St时，可以判断杆件不发寿命可以达到INFINITE（无限），不对结构设计生风激振动。而杆件的临界固有频率（基频）要形成控制。根据罗氏公式Roark'sFormulasforStressandStrain[2]1.3杆件风激振动的校核7thEdition，撑杆振动基频FV与两端约束系数C的关系式如下式计算：由于风激振动的结果与杆件规格及长度息息相关，在得到强度计算结果确定各杆件信息后，(2)才可开始对火炬结构物的各个杆件进行风激振动校核。传统的主要校核方法是根据DNV-RP-C205[1][1]杆件的约束系数使用D

7、NV-RP-C205中的经验进行校核，即计算约化速度Vr，公式如下：数值，对两端固接的杆件统一取值22.4。(1)海洋石油118号FPSO火炬塔部分风激振动结果见表2。表2海洋石油118号FPSO火炬塔部分风激振动计算结果从数据结果可以看出，在强度和疲劳达标的式，不仅推翻了之前依据的设计原型，耗费了大情况下，风激振动计算仍有不能通过的杆件。量设计人力，而且导致火炬塔重量相比之前的规1.4局部调整及重新校核划增加20吨。然