FPSO上部结构疲劳设计.pdf

oetroleum Engineering石油工程FPSO）上部结构疲劳设计李彦国中国石化工程建设有限公司北京1 0 0 1 0 1摘要由于海上浮式平台FPSO上部结构模块及其附属设备吊装梁抗疲劳设计较复杂，所以基于FPSO运动惯性荷载或反应、疲劳设计系数、名义应力、热点应力、应力集中系数、S-N曲线等基本概念，对FPSO上部结构抗疲劳设计进行分析，主要包括简化疲劳分析和详细疲劳分析。根据分析结果，提出提高疲劳寿命的方法与措施，包括进行构件及节点疲劳验算、对构件及节点进行补强、对构件连接焊缝进行打磨处理等，旨在为类似结构抗疲劳设计提供参考。关键词浮式平台吊车梁抗疲劳设计疲劳计算中图分类号TE682文献标识码B文章编号1 6 7 2-9 3 2 3(2 0 2 3)0 6-0 1 3 0-0 5海上浮式生产储卸系统(FPSO)在位服役寿命通常在2 5 3 0 年。因常年工作于海上，经受海洋风浪的作用，其上部结构模块需为工艺生产设备及管道提供支承，且为检修方便常设检修吊车梁。以下将对某工程中的吊车梁及整体模块结构的抗疲劳设计加以阐述。结构在使用期内当应力变化的循环次数等于或大于5万次 时，或当各个工况下最大疲劳应力幅均小于极限应力幅时,可不进行结构的疲劳验算。另外,对非焊接的构件和连接，其应力循环中不出现拉应力的部位，以及抗剪摩擦型连接可不进行疲劳验算，但后者开孔处主体连接板应进行疲劳验算。1吊车梁疲劳计算对于FPSO上设备吊装梁一般可根据钢结构设计标准(GB50017-2017)(简称钢标)采用常幅疲劳验算进行设计，并采用基于名义应力的容许应力计算法。疲劳验算应同时进行正应力幅与剪应力幅校核，以下仅以正应力幅为例论述。1301石油化工建设2 0 2 3.0 6首先计算出吊车梁应力循环中最大的应力幅，并按式(1)验算是否通过。但对采用非焊接吊车梁构件进行验算时，应采用折算应力幅（=max-0.7min）,这是因为此类构件疲劳寿命不仅与应力幅有关，也与名义最大应力有关，需采用系数0.7 对此加以考虑。air 2x10式中：a奉载效应的等效系数，0.5；r板厚修正系数，以2 5 mm 为基准进行修正；折算应力幅。采用式(1)时应注意标准是以吊车使用寿命N=2106为基准得出的，当有不同的实际工程统计应力循环次数或推算时，需进行折算。当然也可按实际循环次数进行核算，如当同一跨内有两台或以上桥式吊车，且吊车的额定吊重及实际统计使用频次相差较大，这时取用最大的应力幅或统一的应力循环次数有时会验算无法通过，或通过增大截面的方式满足要求显得不经济时，应按式(2)的要求进行变幅疲劳的验算,相当于常幅疲劳2 0 0 万次的等效应力幅(1)oetroleum Engineering石油工程表达。ZFz1/zY2+2E n(o)+(o l s x 0)z n,(o,)2106式中,ni、i、lsx1o和等均见钢标相关说明。此时，根据吊车梁的制作工艺选取相应的S-N曲线，根据两个不同应力幅按曲线可得到其分别对应的允许应力循环次数，其疲劳可根据Miner损伤定律按式(3)验算。Zn/N+Zn2/N21钢标所采用的两条S-N曲线在N=510处交汇,将式(3)加以变换即可得到式(2)。2简化疲劳分析FPSO上部结构构件经受的疲劳载荷，除起重臂等高柔结构外，通常可不计风载的作用。结构自身及设备、管道等的重量均为静载，不产生应力幅值。当所考虑结构处于同一变形模块内时，浮体变形位移载荷一般也不需考虑，则疲劳载荷仅余浮体运动。不同于吊车梁的常幅或变幅疲劳设计,FPSO上部模块组成构件的抗疲劳设计较为复杂。但仍可根据其在结构中的重要性及受荷特点划分等级，采用简化疲劳分析方法进行疲劳验算，此方法是基于不确定性或具有统计属性的载荷并对关键性节点的热点应力进行分析。在进行这种方法的深入讨论前，需先简单介绍几个疲劳设计中的重要参数及其概念，即FPSO运动惯性荷载或反应(MR)、疲劳设计系数(FDF)、名义应力（nominal)、热点应力(hot spot)、应力集中系数(SCF)和S-N曲线。2.1惯性荷载由波浪诱导引发的FPSO浮体运动荷载，当FPSO采用单点系泊系统时，浮体运动中的横荡、纵荡及首摇一般不考虑。因此通常会提供其加速度作用基点坐标(FPSO摇心),满载工况与压舱工况下分属于工作环境、极端环境时的横摇、纵摇(周期及最大摇角)及垂向加速度。上部模块自身运动惯性力简化计算时在两种环境下均取满载工况与压舱工况的较大值。根据上部结构所在位置及基本运动参数计算模块自身运动惯性力，即水平横向、纵向及竖向惯性力，相应计算原理如图1 所示。FyFz:垂向力FxFx：横摇力(2)Fy:纵据力图1 模块自身运动惯性力计算原理对于一般浮体来说，考虑浮体在竖向升沉运动与水平向沿船体纵横向4个方向叠加，有时还需叠加水平向上(3)与纵横向夹角45 时的4个方向，共1 6 个基本应力工况，详见表1。在此基础上正反两个基本工况两两合成可得到共计8 个基本应力幅值。表1 基本工况列表序号船体运动1横摇+升沉（4向荷载）2纵摇+升沉（4向荷载）3对角+升沉（8 向荷载）注：1.Heave(HZ)：当纵、横摇分别与升沉组合时，此时升沉加速度应为竖向加速度与摇动加速度在竖向分量的合成加速度；当纵、横摇水平向各45 分量与升沉组合时，此时升沉加速度仅为竖向加速度；2.疲劳验算时，仅考虑船体运动惯性力的工况组合所产生的应力幅。2.2疲劳设计系数以FDF=3.0为例，表示模块构件及节点的设计疲劳寿命不小于其设计使用寿命的3 倍（即安全系数为3）。当模块存在海上运输时，还应叠加2 年的疲劳寿命。设计时需注意FDF与构件所处环境（如空气中或海水)、在结构体系中的重要，以性及是否为管构件等相关。疲劳计算时应按相应的规范取用,如本工程主体管结构计算以API20143规范为基准，非管结构计算以DNV-RP-C2034规范为基准,均按FDF=3.0的安全系数采用。2.3应力集中系数采用材料力学基本公式计算所得构件强度只适用于等工程截面的情况，当构件有变截面、沟槽、孔口，特别是在杆件连接处几何突变时，将产生局部高应力，远大于由基本公式算得的应力值。这种现象称为应力集中，应力集油化 建设 2 3 .8 1 3 1XFPSO摇心工况列表(+/-)Roll(RX)+(+/-)Heave(HZ)(+/-)Pitch(PY)+(+/-Heave(HZ)(+/-1/V2)Roll(RX)+(+/-1/V2)Pitch(PY)+(+/-)Translational(HZ)Poetroleum Engineering石油工程中系数即用来表示这种应力增高程度。当上部结构中采用管节点时，此时应力集中系数均可根据所连接杆件的几何布置采用理论公式计算得到。而当采用非管型构件时，应力集中系数需采用有限元法求取其理论值。即对关键且对疲劳敏感的节点采用ANSYS等有线元软件建模，根据节点受力施加相应方向的荷载，在此基础上求取应力集中点的名义应力和热点应力，据此得出计算部位对应于相应荷载的(SCF)，详见式(4)。hot spol-S C F o norial2.4S-N曲线S-N曲线表征的是某一构件或连接在不同应力范围所对应的疲劳寿命统计特征值，其中S代表应力幅值,N用循环次数代表疲劳寿命。S-N曲线通常由两条斜直线段组成，高应力幅与低应力幅具有不同的损伤效应，表现在S-N曲线上即为具有不同斜率,及z+2的两条斜直线段；且终止于极限应力幅，所谓极限应力幅指低应力幅在高周循环时存在一个不会造成疲劳损伤的最大应力幅值，目前均取N=110次对应的最大应力幅作为疲劳极限应力幅值。国内工程吊车梁设计时通常选用钢标所给曲线Z1或Z2管节点通常选用API2014所给曲线，而对于非管连接则以DNV-RP-C203规范为基准。本工程在设计中采用SCF及S-N曲线。2.5服从Weibull分布的最大允许应力幅值FPSO浮体运动由海上波浪产生，由于在浮体设计寿命期间波浪的作用力是不确定的，表现在力的大小及发生频率具有一定的随机性。因此在疲劳设计时,浮体应力是由一系列变幅变频波浪作用力组成，无法根据既有常幅S-N曲线确定结构的疲劳损伤寿命。此时通常假定浮体应力范围的长期分布为二参数Weibull 分布，据此进行相应疲劳强度的简化疲劳分析。Weibull分布需要确定的两个参数分别是形状参数（r)及比例参数（）。Weibull分布中的形状参数需根据结构自身类型、位置、动力特性及所处海洋环境等因素确定。一般对船舶结构进行疲劳可靠性分析时,范围在0.7 1.3 5 ,常近似取r-1.0,此时Weibull分布即为指数型分布；对海洋平台如导管架等无显著动力放大效应的平台，范围在0.5 0.75,可取 r=0.7。1321石油化工建设2 0 2 3.0 6形状参数确定以后，即可根据公式(5)算出比例参数。SR(5)(nN.)VT式中：NR参照年限的循环次数，1 1 0；SR一考虑年限的最大应力幅值。由此单工况下结构的累积损伤度(D）采用DNV-RP-C203/ABS20102中提供的简化疲劳分析方法进行，按式(6)计算。D=Nr=r(+1,)+N=r (+1,2 (6)AY(4)通过设定构件的损伤值D=1.0，经比例参数与最大应力幅值的迭代可算出单工况下的最大允许应力幅值。如本工程结构杆件采用H型钢，主次梁连接节点核算时取FDF=3.0,SCF=1.0,S-N采用DNV-RP-C203中FIGURE 2-7“S-N Curves for Non-Tubular DetailsIn Air”中曲线“E”,对应曲线参数见TABEL2-1。由此可得连接处最大允许应力幅值=183.50N/mm。2.6疲劳总累积损伤计算当上述8 个基本合成工况下计算出的最大应力幅值超过充许值时，因单一工况不可能在FPSO服役期间有1 0 0%的出现概率，且不同方向的运动会对相应方向的结构产生不利影响，此时需对各合成工况进行组合，再进一步进行各工况的总累积损伤校核。一般来说，各工况作用频率按模块设计寿命及浮体运动特性综合确定，简化设计中每组工况出现的可能性均可假定为1 2.5%。如当FPSO建造地与服役地相距较远，海上拖航时间较长时，在此期间如需考虑疲劳验算,应根据其拖航时间、航行海域及船体运动特性综合考虑按以上假定概率进行。但本工程距离相对较近,且相对于其在位服役期间的恶劣工况来说，可不进行拖航疲劳验算。对于本工程来说,因FPSO采用单点系泊系统,不同于普通船只，大部分时间是在做纵摇运动，只有当浮体在船首转向首浪(Head)的过程中会做横摇运动。因此分析时认为，在服期内FPSO有8 5%的概率做纵摇，而各有7.5%的概率在偏向于船首的另两个方向运动，如表2 所示。本工程规定FPSO上模块结构工作正常环境重现期1年，极端环境重现期1 0 0 年。预估FPSO在服役期间船体满载与压舱工况出现的概率一致，由此时间分配系数及各工况的疲劳累积损伤系数分别按表3、表4取用。CYoetroleum Engineering石油工程表2 FPSO运动概率分布构的统计分析上，并不准确。而采用波散图在统计概率的方向分布比例/%18(Head)852257.57.5135合计表3 时间分配系数满载工况压舱工况0.50.5表4疲劳累积损伤系数环境工况满载工况1正常环境压舱工况2满载工况3极端环境压舱工况4注：正常环境满载工况1 1 8 0 方向上的累积损伤系数为:0.9 7 0.5 0.8 5=0.41 2 2 5。由此，模块结构在设计寿命期间内的累积损伤度按式(7)计算。D=Z D;=1 简化疲劳计算通常较为保守，可用作整体结构的快速校核，对于损伤超过允许范围的杆件与节点还需进一步进行详细疲劳分析。3详细疲劳分析详细疲劳的总累积损伤计算过程与上述简化疲劳的过程总体是一致的，因此仅就两者的不同点进行重点论述。简化疲劳分析时采用的是FPSO浮体的最大惯性力，并假定浮体应力范围的长期分布为二参数的Weibull分布，而详细疲劳分析基于波浪散布图(WSD)及船体运动响应参数(RAO)。Weibull分布在荷载取值上只是基于对之前类似结PeriodHEAVET(s)180.000180.0062.831851.64490.148452.359881.40590.186944.879891.24239.269911.12690.282834.906581.04290.344431.415930.97990.418928.559930.92990.5094意义上来说则是精确的,因其是FPSO所在作业区域内一定时间内(如1 年)统计的不同高度一周期的波浪出现概率分布，是浮体真正实际经受的荷载。100RAO参数是浮体对不同方向上波浪荷载的响应幅度，即由波浪激励到浮体运动的传递函数，是考虑不同方正常环境极端环境0.970.03角度/。疲劳累积损伤系数180(Head)0.41225135/2250.036375180(Head)0.41225135/2250.036375180(Head)0.01275135/2250.001125180(Head)0.01275135/2250.001125(i=4)(7)表5 本工程所采用的RAOSURGESWAY180.000180.00180.0000.000252.69250.000241.206690.2310.000228.24020.000216.20270.000206.65480.000199.83250.000195.3455向上的不同浪高在不同周期(或圆频率)作用下船体结构对应的应力幅值，,从而计算得到的结构应力幅值也是精确的。具体设计中详细疲劳的计算过程较为复杂，需处理的数据量也很大，因此只能利用专用计算软件进行，本工程采用Bentley公司的SACS进行设计。3.1波浪散布图波浪散布图（WSD)是重要的环境输人荷载之一。采用时需注意其统计的时间周期，以防扩展为设计寿命周期时出现错误，而且需注意波散图会以不同的方式提供。3.2船体运动响应参数本工程所采用的船体运动响应参数(RAO)示例如表5所示。4提高疲劳寿命的方法与措施(1）需验算疲劳的钢材、焊条、螺栓等的质量等级、韧性、温度等均应符合钢标及所执行规范的要求。(2）疲劳验算的是构件及节点的损伤度，但仍是以其应力值为基准。当验算无法通过时，首先应考虑结构布置体系能否调整，如波浪人射方向的结构体系能否加强，采用强支撑或改进梁柱连接节点型式等以求降低构件应力。其次就是对构件及节点的补强,如局部板件加厚、管构件相交处主管外表面设补强板、管内设置加强圈等措施。(3）对构件连接焊缝的打磨处理也能提高其抗疲劳性能，即将焊缝多余的凸面处理掉，焊缝与主体金属间应平滑过度并将焊缝表面整体打磨平整，以消除缺陷。此方法如处理的好可将疲劳寿命提高将近2 倍，但实际操作中ROLLPITCH180.0180.0000.9940.00920.9910.01210.9870.01580.9810.02050.9740.02620.9630.03280.9490.0392YAW180.0180.000.001359.15940.001359.50220.001359.60890.002359.60380.003359.52650.004359.37980.005359.1358180.0180.000180.000.097269.72590.120269.64990.146269.56550.174269.46970.206269.35910.241269.23050.281269.08110.00090.72140.00091.20350.00091.90440.00092.90190.00094.31540.00096.34860.00099.3876石油化工建设2 0 2 3.0 6(下转1 7 1 页)1133西北大学学报（自然科学版)，19 9 9，(0 5)：3 9 7-40 2.oetroleum Engineering石油工程在药剂注入点后端设置硫化氢检测点，检测现场硫化氢菌剂BHS-03,可有效杀灭流程中 SRB,大大降低了流程含量，并据此调整药剂注入量，确定药剂的最佳加注量。中SRB数量，有效控制了流程中次生硫化氢的产生。药剂试应用期间，记录硫化氢数据，硫化氢抑制剂加注前(2）通过3 个月的持续跟踪监测、化验，杀菌剂换型后外输天然气硫化氢含量变化趋势见图3。由图可以看配合硫化氢抑制剂的加注，油田外输天然气硫化氢含量稳出，硫化氢抑制剂作用迅速，药剂加注点至海管人口检测定控制在10 10 以内,治理效果达到预期目标。点间距离较短，天然气停留时间较短，但药剂加注后，该检(3）该油田外输气硫化氢含量过高的难题的成功治测点硫化氢含量陡降，说明硫化氢抑制剂作用迅速，可迅理，有效改善了平台外输天然气的品质。在保证外输气品速与天然气中硫化氢反应,去除其中的硫化氢。硫化氢抑质合格的同时，降低了硫化氢造成的管线设备的腐蚀及对制剂加注量为40 0 L/d，即可使海管入口硫化氢降至现场生产操作人员的危害，为油田的安全生产提供了重要1010以下，较治理前显著降低，不仅保障了天然气品保障。同时相关措施方法也为其他油田开展硫化氢综合质，同时也可大幅减轻因硫化氢导致的海管腐蚀，达到了治理提供了参考经验。预期的治理目标。参考文献251王潇，代齐加，殷川.渤海某油田中心平台生产流程硫化氢治理20与效果评价 J.天津化工,2 0 2 2,3 6(0 2)：3 8-41.52张小里,刘海洪，陈开勋，等.硫酸盐还原菌生长规律的研究 J.未加注400L/d505/15/35/5 5/755/95/115/135/155/175/19 5/215/23日期图3 硫化氢抑制剂加注前后外输天然气硫化氢含量变化趋势4结论(1）换型杀菌剂BHS-08E的效果显著优于原有杀350L/d5/253芦新辉海上石油生产设施硫化氢治理与防护 J化工管理，2022,(31):120122.4高亚罡，柳愿.常规液压钳钳牙咬痕对套管腐蚀破坏的研究 J.云南化工，2 0 18,45(0 1)：3 2-3 3.(收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 4)(上接 13 3 页)应注意其质量控制与焊缝检测，同时在投用前加强焊缝表面保护，防止锈蚀。(4）A P I 2 0 14推荐的还有气锤敲击焊缝焊角或焊后热处理等方法,用以消除焊接过程中产生的残余应力。但在实际操作中前者对工艺要求较高，后者现场一般不具备相应条件，工程中采用的较少，相关经验也不多。5结语目前国内对于海上FPSO类结构也有较为完善的规范体系，但因此类结构会有入级的问题,在设计中应遵循业主方及船级社的相关要求，对于规范、设计方法及计算软件的选取均应事前约定。另外，结构的抗疲劳验算是较为复杂的工程设计，涉及的概念、参数及环境荷载较多且特殊，设计时应从基本方法及分析人手，由简人繁，从最基本的判断开始，逐步深入，力求以最高效的手段达到最满意的设计结果。参考文献1钢结构设计标准：GB50017-2017S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 17.2 Guide for the fatigue assessment of Offshore structuresApril 2003 version(Updated November 2010)S.ABS,2010.3 Planning,designing,and constructing fixed platform-working stress design API Recommend Practice2A-WSD,22 Edition 2014S.API,2014.4 Fatigue design of offshore steel structures October 2012:DNV-RP-C203S.Det Norske Veritas.5胡毓仁.船舶与海洋工程结构疲劳可靠性分析 M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社(收稿日期：2 0 2 3-0 4-11)石油化工建设2 0 2 3.0 661171offshore