海上平台超长火炬臂结构设计及风激振动分析

伊才颖 宋晓秋 王晓蕾 尹汉军 梅华东

（海洋石油工程股份有限公司设计公司）

海上平台超长火炬臂结构设计及风激振动分析

伊才颖 宋晓秋 王晓蕾 尹汉军 梅华东

（海洋石油工程股份有限公司设计公司）

随着海洋油气资源开发的发展，海洋平台工艺处理量越来越大，需要设置的释放火炬臂尺度也更大，超出了常规尺度范围。火炬臂长度增加必然导致结构重量增加和杆件尺寸发生变化，进而带来新的设计问题，如风激振动、风谱疲劳等。文中以南海某大型海上平台90 m超长火炬臂结构设计为例，探讨超长火炬臂结构形式的特点并进行了合理化的结构设计，对结构强度和疲劳损伤进行了评估，可为今后类似的结构设计提供参考。

海上平台 超长火炬臂 结构设计 风谱疲劳 风激振动

海洋平台火炬臂属于上部组块的附属结构，主要由钢制圆管组成，是平台火炬系统组成部分之一，主要为火炬系统的其它组成部分提供支撑，一般属于细长结构。常规火炬臂一般为50 m左右，其根部与组块结构通过挂钩和焊接连接。随着我国海洋油气资源开发的发展，海洋平台工艺处理量逐渐增加，为避免火炬臂顶端的火炬头燃烧气体时产生的热量过量辐射到平台甲板，要求火炬臂要有足够的长度，否则影响平台的安全。火炬臂长度的增加给结构设计带来了一些新问题。其一，超长火炬臂若采用常规结构形式，杆件的无支撑长度变得较长，风的涡激振动分析难以满足，杆件容易发生强度破坏；其二，按照常规结构形式进行设计，会使结构整体柔性偏大，在环境载荷作用下会产生较大变形，不满足设计规范要求。因此，需要改变火炬臂整体和局部构造形式，增强结构刚度，提高杆件强度，以满足设计规范的要求。此外，常规火炬臂结构校核只针对强度问题，一般不涉及疲劳问题，但对于超长火炬臂，风激振动以及颤振产生的节点疲劳损伤需要进行评估，因此带来了新的结构设计问题。本文以南海某平台90 m超长火炬臂设计为例，探讨了超长火炬臂结构设计，以及风激振动和风谱疲劳分析等关键技术问题。制，火炬臂设计有重量控制要求，火炬臂自身重量过大会增大主支撑弦杆尺寸，进而又会进一步加大自身重量，从而形成恶性循环。因此，在火炬臂设计之初应做好规划，对主弦杆尺寸进行选型和优化。

在进行火炬臂结构设计规划时，应增加火炬臂的桁架截面高度。从整体受力来看（图1），增加截面高度可以增大火炬臂的整体受弯模量，减小上、下弦杆的拉力和压力，进而优化弦杆尺寸。对于超长火炬臂结构设计，增加截面高度的减重效果十分明显。在本文所述超长火炬臂结构设计中，由于下弦面增加了4 m水平段，火炬臂截面高度有一定增加，上、下弦杆尺寸都降低了一个量级，结构重量由优化前的近500 t降低至400 t以下，并取消了20 t

1 超长火炬臂结构设计

1．1 超长火炬臂结构设计规划和布置

由于受平台功能、海上安装条件等诸多因素限左右的火炬臂支撑架，重量优化非常明显。

图1 火炬臂传力示意图

常规火炬臂结构形式比较简单，层与层之间跨距小，水平框架内通常无杆件相互支撑，纵向框架内通常由一根杆件相互连接（图2）。

图2 常规火炬臂斜撑布置示意图

与常规火炬臂相比，超长火炬臂由于长度增加，框架尺寸增大，使得火炬臂层间跨距较大，杆件长度较长，若采取常规框架形式，由于杆件长度增长，一是较多杆件在风荷载作用下容易产生涡激振动，二是结构整体柔性偏大，在环境载荷作用下会产生较大变形，不满足设计规范要求。

为了解决上述问题，在结构设计时，一方面增加了主要杆件的管径与壁厚，另一方面在水平框架内增设斜撑形成菱形框架，并将纵向框架内单斜撑布置改为“人”字形布置（图3）。通过调整布置，增强了结构的刚度和强度，可有效避免杆件的风激振动。

图3 超长火炬臂斜撑布置示意图

1．2 局部节点处理

与常规火炬臂相比，超长火炬臂由于框架形式较为复杂容易出现结构弦杆与撑杆主次不是十分分明的问题，这使得节点处容易产生搭接管节点。工程上一般要求节点为简单管节点形式，以避免焊缝搭接给建造带来的不便，以及管节点处严重的应力集中，因此需要对局部产生搭接的管节点位置进行处理。处理方式是通过水平向外平移撑杆，使两个撑杆在弦杆的焊接间隙值满足一定要求。可以使用3D软件建立火炬臂模型来进行调整，依据规范按照简单管节点满足最小50 mm间隙值对撑杆进行统一偏移，再根据偏移结果对模型主要节点进行修改，这样可以保证结构节点传力简洁，建造方便，也可以有效地改善节点的疲劳特性。

1．3 计算模型

在完成了火炬臂结构规划和布置以后，为了校核超长火炬臂的结构强度和疲劳寿命，需要建立结构计算模型。图4所示为南海某平台超长火炬臂的详细设计模型，该火炬臂长度为90 m，上下支撑腿高差12 m，根部左右弦宽17 m，主结构重370 t。火炬臂在位计算和安装计算分析表明，该超长火炬臂结构满足安装和生产各种工况的要求。

图4 90 m超长火炬臂结构模型

2 超长火炬臂风激振动及风谱疲劳分析

在进行超长火炬臂结构设计中，除考虑常规设计中的在位分析、施工分析和局部强度分析外，还需重点考虑风引起的涡激振动、风谱疲劳等问题。在超长火炬臂结构设计过程中，由于火炬臂长度较长，风激振动、风谱疲劳往往是控制性的，直接影响设计结果。

2．1 风的涡激振动分析

风的涡激振动，是指风通过细长杆件时由于涡泄形成不稳定流动模式引起杆件周期激振［1］。在临界风速范围内，涡泄频率可能与构件的固有频率或其频率倍数接近，导致谐波或次谐波共振，从而发生强度破坏。

超长火炬臂结构设计过程中风激振动对主弦杆及斜撑设计往往是控制性的，是需要特别关注的问题。在设计校核过程中，需要在满足杆件组合应力符合规范要求的基础上，降低杆件无支撑长度，并调整构件的尺寸与斜撑布置形式，使计算结果满足规范要求。

2．1．1 计算原理

风激振动分析依据DNV规范进行计算和判定，需要计算以下设计参数［2］：

（1）自振频率fn

式（1）中：fn为杆件自振频率，Hz；L为杆件长度，m；E为杨氏模量，2．1×1011N／m2；I为钢管面积惯性矩，m4；Me为单位长度的有效质量，kg／m；An为常数，与端部约束有关，根据端部固定情况取值（表1）。

表1 常数A n的取值［2］

（2）衰减风速Vr

式（2）中：V为垂直于构件轴线的瞬时风速，m／s；D为构件直径，m；其余同前。

（3）稳性参数Ks

该参数与阻尼成正比，与总激励涡泄力成反比，稳性参数定义为

式（3）中：ρ为周围介质的质量密度，空气取1．23 kg／m3；δ为阻尼对数衰减，δ＝2πξ（ξ为临界阻尼比，空气中一般取0．001 5）；其余同前。

在上述3个计算参数中，衰减风速Vr是评估风的涡激振动的重要指标，当4．0＜Vr＜8．0时可能发生横向激励并伴有剧烈的响声，当Vr＞8．0时杆件柔性较大容易产生较大变形［1］；因此本文校核涡激振动时将杆件的Vr控制在4．0以下。稳定参数Ks可用来衡量各个圆形杆件承受总激励涡泄力的大小，Ks越大表明杆件所受的总激励涡泄力越小［1］。

2．1．2 计算结果

根据上述计算方法，按照百年一遇的环境条件对前述南海某平台90 m超长火炬臂进行风的涡激振动分析，最大风速取为77．08 m／s，附属结构计算一般采用极端条件下3 s阵风风速，主要计算结果见表2。计算结果表明，通过改变框架形式和杆件尺寸，降低撑杆无支撑长度，加大构件直径，可以使杆件的涡激振动分析满足规范要求，从而达到有效避免杆件出现涡激振动的目的。

2．2 风谱疲劳计算分析

与常规火炬臂设计不同，超长火炬臂需要进行疲劳损伤评估。超长火炬臂作为一种高耸结构物，长期承受风荷载引起的循环应力作用，容易在节点部位造成疲劳损伤，即使在风荷载不大的情况下，结构也可能因为疲劳损伤达到极限而产生局部或整体的破坏［3］。因此，在常规强度分析基础上，需要重点考虑疲劳问题，对超长型火炬在风荷载作用下的风谱疲劳进行评估［4］。

2．2．1 分析方法

风对结构的作用可以看作是平均风的准静力作用和脉动风的动力作用相叠加。颤振是由脉动风引起的随机振动响应，它发生的频率很大，会使结构发生疲劳破坏。

南海某平台90 m超长火炬臂风谱疲劳分析的计算过程如下：

（1）模态分析 利用结构有限元软件建立火炬臂的分析模型，通过自振分析提取火炬臂结构频率和振型，在此基础上生成脉动风力谱到结构应力响应的传递函数。

（2）选取风谱 选用了平台所在海域16个方向的风速与风向的联合概率分布。平均风速服从WEIBULL分布［5］，其概率密度函数为

调整参数k和v0值，使通过公式模拟的曲线与根据实际值绘制的曲线尽量吻合（图5），从而确定公式中的形状参数和尺度参数，并作为软件输入值完成平均风的概率密度函数的确定。

（3）计算传递函数 利用SACS软件计算：模块自动计算出脉动风功率谱，并根据脉动风功率谱、平均风速变化函数与脉动风空间相关性函数计算出风力谱密度函数；计算从风力谱到应力响应的传递函数，从而得到应力响应谱；根据管节点的热点应力与名义应力的关系，求解模态最大相应的热点应力谱。

表2 南海某平台90 m超长火炬臂风激振动分析结果

图5 平台风速累积概率观测结果和WEIBULL分布拟合结果

（4）疲劳损伤计算 根据热点应力谱就可以计算出各离散应力幅值范围应力单独作用产生的疲劳损伤，累加起来便可得到火炬臂在服役期内某一个方向特定风速下的疲劳损伤。基于某一方向上平均风速的概率密度函数服从WEIBULL分布可以得到各风向的概率，由此可计算结构在服役期内累积疲劳损伤值，最终得到火炬臂的疲劳寿命。

2．2．2 计算结果

利用上述计算分析方法，根据结构设计标准，按照30年设计寿命、安全系数为5．0对南海某平台90 m超长火炬臂进行校核，表3给出了所校核火炬臂主要节点的损伤值和允许工作年限，结果表明，所有节点满足疲劳寿命要求。从允许工作年限来看，疲劳寿命远大于设计寿命。

表3 南海某平台90 m超长火炬臂主要节点疲劳损伤分析结果

3 结论

（1）由于长度增长、重量增加，超长火炬臂结构设计中需要对其结构形式和主要杆件尺寸进行规划和论证，以获得较合理的结构布局；

（2）超长火炬臂的斜撑布置和管节点搭接问题需要特殊处理，以满足建造要求，同时改善节点疲劳性能；

（3）超长火炬臂由于结构形式细长，对其进行风谱疲劳评估是必要的，其节点疲劳损伤需要重点考虑，以满足设计要求。

［1］ 孙建锐．基于Ansys的船用甲板起重机结构风振响应研究［J］．起重运输机械，2012（5）：15－18．

［2］ DNV．DNV－RP－C205 Environmental conditions and environmental loads［S］．2010：86－92．

［3］ 欧进萍，叶骏．结构风振的概率疲劳累积损伤［J］．振动工程学报，1993，6（2）：164－169．

［4］ 龚顺风，何勇，金伟良．海洋平台结构随机动力响应谱疲劳寿命可靠性分析［J］．浙江大学学报：工学版，2007，41（1）：12－17．

［5］ 孙意卿．海洋工程环境条件及其载荷［M］．上海：上海交通大学出版社，1980．

（编辑：崔护社 夏立军）

The structural design and wind－induced vibration analysis for ultralong flare boom on offshore platform

Yi Caiying Song Xiaoqiu Wang Xiaolei Yin Hanjun Mei Huadong
（Design Company of Offshore Oil Engineering Co．Ltd．，Tianjin，300451）

The oil and gas processing amount on platform becomes greater along with the development of offshore oil exploitation，so that it is necessary to use the bigger flare boom exceeding the normal size．The weight and member cross－section of flare boom increases when flare boom length extends，which will lead to the new design issues，such as wind－induced vibration and wind spectrum fatigue issues．Based on one 90 meters ultralong flare boom structural design of a huge offshore platform in South China Sea，the structural type was studied and optimized，and the strength and fatigue was assessed in this paper，which can provide a reference for similar structural design in the coming days．

offshore platform；ultralong flare boom；structural design；wind spectrum fatigue；wind－induced vibration

伊才颖，男，高级工程师，现任海洋石油工程股份有限公司设计公司副总经理，主要从事海洋工程结构设计与管理工作。E－mail：ycy＠mail．cooec．com．cn。

2012－05－18 改回日期：2012－06－27