深海超大型fpso火炬塔及船體基線設計

深海超大型fpso火炬塔及船體基線設計

0伴生氣及應急泄放氣體海上氣田的火炬系統(tǒng)主要由管道、分散式氣田和火炬組成?；鹁嫦到y(tǒng)用于燃燒油氣田多余的伴生氣或應急泄放氣體。超大型FPSO（浮式生產(chǎn)儲油裝置）是深海油田開發(fā)的重要工程設施，F(xiàn)PSO通常設有塔身高度超過100m的火炬塔本文以一艘深海超大型FPSO矩形火炬塔為例，結(jié)合其所屬公司的企業(yè)標準，分析火炬塔設計優(yōu)化中總體布置、火炬分液罐工藝、火炬頭維修吊裝、火炬塔及船體基座結(jié)構(gòu)的設計技術要點。1全球火力塔技術的設計1.1fpsoe分液包模塊的應用火炬塔在FPSO上的布置位置應遠離生活區(qū)和直升機起降區(qū)，通常布置在FPSO船首或船尾。按照公司的企業(yè)標準要求，高壓和低壓放空總管之間不允許有永久性連接。在前期研究中，F(xiàn)PSOE按資源國政府減少油氣田溫室氣體排放法規(guī)中不允許火炬連續(xù)燃燒的規(guī)定，采用了閉式火炬系統(tǒng)和烴密封氣回收系統(tǒng)，以回收FPSO貨油艙揮發(fā)出的烴類蒸氣，或通過再次回注生產(chǎn)系統(tǒng)來回收烴類產(chǎn)品。前期研究中，F(xiàn)PSOE參考母型船F(xiàn)PSOA，火炬塔的主腿柱布置為三角形（見圖1），座落于FPSO船尾主甲板右舷。基本設計后期，由于要在FPSO船尾左舷增加一座預留上部模塊，故將原布置在此處的高壓、低壓火炬分液罐改為分液包模塊，并將該模塊布置在火炬塔架之下。在分液包模塊工藝甲板下設2.5m高的安全通道，并將火炬塔架主腿柱的布置改為矩形（見圖2、圖3）。按公司的企業(yè)標準要求，火炬和冷放空的分液罐設計應遵循APIRP521規(guī)范，但要求霧滴粒徑為150μm，分液罐內(nèi)液體停留的時間為20min；此霧滴粒徑小于規(guī)范推薦的300μm～600μm，這將導致分液罐的尺寸大、質(zhì)量重1.2未燃氣體擴散分析FPSO的設計須進行可燃氣體泄漏、火災和爆炸事故等風險評估分析?；鹁嫠O計須進行火炬未燃氣體擴散、火炬燃燒熱輻射和噪音分析。火炬塔的高度應根據(jù)允許的火炬熱輻射強度和噪音等確定FPSOE應用PHAST(ProcessHazardAnalysisSoftwareTool）軟件進行火炬未燃氣體擴散和火炬燃燒熱輻射分析（見表2），結(jié)果為：火炬燃燒時起重機處的溫度超過了許用作業(yè)溫度（45℃），故不允許在火炬燃燒時操作起重機（見表3）；在靠近火炬塔的10座上部模塊頂層甲板上的安全通道和重要設備、閥門上方等區(qū)域加裝了厚度為1.5mm的不銹鋼隔熱頂棚；隔熱頂棚在火炬緊急燃燒時，對模塊上的甲醇儲存罐和小劑量水合物阻聚劑緩沖罐可產(chǎn)生約48%的隔熱效果?；鹁嫠敳堪惭b了不銹鋼隔熱板和地板格柵，火炬塔身從頂部至其以下47m高度的范圍內(nèi)采用了熱噴鋁涂層。火炬熱輻射和可燃氣體爆炸分析為火炬塔結(jié)構(gòu)設計提供了基礎數(shù)據(jù)（見表4），各處火炬結(jié)構(gòu)件數(shù)據(jù)可通過溫度修正鋼材的楊氏模量和屈服應力獲得1.3吊裝安全風險分析在海上對火炬頭進行維修吊裝是一項高風險作業(yè)，是火炬塔設計須考慮的重要因素。火炬頭可采用直升機吊裝或在火炬塔頂安裝吊架和輔助牽引絞纜設備進行吊裝。直升機吊裝火炬頭時，需要作業(yè)人員在火炬塔頂輔助飛行員定位，該作業(yè)難度大、風險高，須進行吊裝安全風險分析。公司企業(yè)標準不允許用直升機吊裝FPSO的火炬頭，要求FPSO的火炬塔須設一個垂直立面，并在此立面下設火炬頭維修吊裝卸貨區(qū)?；鹁骖^應豎直安裝在法蘭座上。應在火炬塔身上設檢修平臺及梯道，各層梯道休息平臺間的高程差不應超過9m?；鹁嫠斊脚_四周應設凈寬度不小于0.7m的作業(yè)空間?；鹁骖^吊架系統(tǒng)設計應確定合理的吊裝作業(yè)許用環(huán)境條件，以控制吊架系統(tǒng)各部件的尺寸和質(zhì)量，從而利于各部件的運輸與組裝。在基本設計中，火炬塔E參考火炬塔A，考慮安裝可伸縮式吊架。該吊架安裝在塔頂平臺下方，只在吊裝火炬頭作業(yè)時伸出塔頂；在詳細設計中，公司為降低成本、加快工程進度，在塔頂平臺上臨時安裝吊架（見圖5），在卸貨區(qū)臨時安裝輔助牽引絞車和滑輪（見圖6）。1.4fpso浮態(tài)火炬塔在FPSO上的姿態(tài)是影響安全與環(huán)保的重要因素。按照公司企業(yè)標準要求，F(xiàn)PSO操作工況的船體浮態(tài)應始終保持向火炬塔所在方向縱傾0.5%～1.5%，橫傾角不超過±0.5°；在FPSO解脫和極端環(huán)境工況下的船體浮態(tài)應向火炬塔所在方向縱傾1.5%，以防止火炬系統(tǒng)中排放的物流因船體運動而回流。2海上試驗工況分析FPSO火炬塔結(jié)構(gòu)應進行整體和局部振動、操作、極端環(huán)境、FPSO破損、裝船、吊裝、FPSO拖航、疲勞、抗可燃氣體爆炸和火災與結(jié)構(gòu)冗余等分析，還應對火炬系統(tǒng)的放空總管、分液罐及其基座進行海上試壓工況分析。火炬塔的結(jié)構(gòu)設計應滿足APIRP2AWSD、AISCASD、DNVRPC205和OTH92379等規(guī)范要求。2.1火炬塔結(jié)構(gòu)的疲勞分析火炬塔結(jié)構(gòu)承受的荷載包括自重荷載、活荷載、風荷載、船體變形荷載、運動慣性荷載、火炬燃噴沖擊荷載和氣體爆炸荷載等?；鹁嫠Y(jié)構(gòu)的整體振動分析應保證火炬塔在船體運動和風的作用下不產(chǎn)生整體動態(tài)響應，并確定風荷載動力放大系數(shù)；局部振動分析應保證塔上的鋼管不產(chǎn)生風激振動?；鹁嫠Y(jié)構(gòu)的疲勞分析應計入船體基座、分液包模塊和火炬塔架結(jié)構(gòu)之間界面處的建造與安裝誤差。為確?；鹁嫠榉趴湛偣芴峁┛煽康闹?，控制放空總管變形及應力，應合理控制火炬塔拖航工況的結(jié)構(gòu)剛度。火炬塔結(jié)構(gòu)在役和拖航分析主要參數(shù)見表5?；鹁嫠﨓詳細設計中發(fā)現(xiàn)12根鋼管可產(chǎn)生風激振動，通過增加局部支撐桿件、減小鋼管的無支撐長度或改變鋼管的端部約束條件等方式予以解決。FPSOE火炬塔下分液包模塊的操作質(zhì)量為1781t，分液罐海上試壓工況是分液罐基座下主體結(jié)構(gòu)（見表6）設計的控制性工況，主體結(jié)構(gòu)的許用相對撓度為1/500。詳細設計初期，考慮在火炬塔E的船體基座及以上30m高度范圍內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)上采用被動防火保護（PFP）涂層，后根據(jù)火災與結(jié)構(gòu)冗余分析結(jié)果優(yōu)化，僅在分液罐的鞍座和支墩、重要管道及支架上局部采用了PFP涂層，確保主體結(jié)構(gòu)和重要管道在火災發(fā)生后30min內(nèi)不垮塌（見圖7）。2.2火炬塔分段運輸火炬塔E的主體塔架在西非分3個分段建造，再海運至韓國的FPSO總裝船廠。火炬塔分段原計劃用自行式模塊運輸車滾裝裝船，由自航甲板駁船運輸，后因無法確定甲板駁船資源，為保證工程進度，改租了一艘2萬噸級重吊貨船，用該船自帶的2臺450t級起重機吊裝裝船，由船方按IMOCSS規(guī)范完成火炬塔分段的運輸分析和裝船固定（見圖8）。2.3火炬塔架的吊裝火炬塔通常在建造完工后整體吊裝翻身。火炬塔上應設有通往吊點的通道或臨時操作平臺，以便作業(yè)人員在高空安裝吊裝索具或切除吊裝支架。火炬塔E塔架整體吊裝質(zhì)量為1100t，采用8000t級起重船的2個主吊鉤完成塔架的整體吊裝翻身。在火炬塔架下部主腿柱外側(cè)設2個吊裝耳軸，塔架中部外側(cè)設2個吊裝支架，在每個支架端部設吊裝耳軸（見圖9）；為便于作業(yè)人員在距離海面100m以上的高空切割、拆除吊裝支架，在支架外側(cè)還設有吊裝配重結(jié)構(gòu)，在16個高空切割作業(yè)點都設有臨時操作平臺（見圖10）。按公司企業(yè)標準要求，火炬塔E的塔架吊裝分析考慮了重心偏離理論計算位置的敏感性，塔架水平狀態(tài)吊裝分析考慮重心在長度和寬度方向均偏離理論計算位置±5%。對火炬塔的塔架和分液包模塊的底端結(jié)構(gòu)進行安裝碰撞分析，通過吊裝分析，計算起重船吊裝摘鉤前塔架主腿底部的最小焊縫高度。3火塔樁設計3.1配合板及基礎結(jié)構(gòu)的確定火炬塔與船體基座之間的界面是FPSO海洋工程影響范圍（OffshoreArea）內(nèi)的關鍵界面之一。按公司企業(yè)標準要求，如火炬塔腿柱直接座落在船體甲板上，其腿柱應穿過甲板并延伸至甲板下的第一道桁材。船體基座結(jié)構(gòu)處應有永久檢查入口。船體基座結(jié)構(gòu)應考慮火炬塔安裝時的碰撞荷載。船體基座拖航工況和操作工況的結(jié)構(gòu)許用應力相同。FPSO主甲板上、下的船體基座及與之相關的局部加強艙壁、桁材、骨材和加厚板等結(jié)構(gòu)均屬于海洋工程影響范圍。同時，由火炬塔荷載在船體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的名義應力（VonMises）超過30MPa的范圍也屬于海洋工程的影響范圍。3.2主船2民族基層中基基結(jié)構(gòu)的改進火炬塔船體基座結(jié)構(gòu)應進行在役、拖航、疲勞、抗氣體爆炸和火炬塔安裝碰撞等分析。船體基座結(jié)構(gòu)設計應考慮強度、穩(wěn)定性、腐蝕余量、疲勞和建造、檢驗等要求。公司企業(yè)標準要求，火炬塔船體基座結(jié)構(gòu)的疲勞年限安全系數(shù)為2.0,FPSO主甲板和火炬塔船體基座結(jié)構(gòu)的設計抗氣體爆炸壓強分別為100kPa和80kPa?；鹁嫠﨓船體基座結(jié)構(gòu)分析滿足BVNR445、NR467和DNVRPC201規(guī)范要求。FPSO拖航工況是火炬塔船體基座結(jié)構(gòu)設計的控制性工況。船體基座結(jié)構(gòu)有限元分析時應將主船體上海洋工程影響范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)開孔一同計入?；鹁嫠﨓的船體基座結(jié)構(gòu)分析模型如圖11所示，拖航工況最大VonMises應力結(jié)果如圖12所示?；鹁嫠c船體基座結(jié)構(gòu)界面處的荷載計入重心偏離理論計算位置的敏感性，考慮了5%的冗余。隨著火炬塔E的總體布置和荷載變化，船體基座結(jié)構(gòu)頂部界面的荷載也將增大，詳細設計如按公司企業(yè)標準，拖航工況的結(jié)構(gòu)許用應力無法比操作工況增加1/3，則基座外部肘板的最小板厚將增至75mm；如板厚超過60mm，鋼板材質(zhì)要求為FH36級，鋼板的采購、焊接和檢驗難度則會增大，從而影響工程進度，故公司原則同意提高拖航工況的結(jié)構(gòu)許用應力（見表7），并要求鋼板材質(zhì)為EH36級，板厚不得超過60mm。為此，詳細設計修改中加大了基座外部肘板的高度尺寸，增加了火炬塔主腿內(nèi)部肘板和加強環(huán)，將所有基座結(jié)構(gòu)件鋼板厚度控制在60mm以內(nèi)（見表8）?；鹁嫠w基座的縱向、橫向肘板軟趾端附近是FPSO主甲板上的結(jié)構(gòu)高應力區(qū)和疲勞敏感區(qū)，應進行焊縫打磨。根據(jù)FPSOE結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，確定對距離火炬塔船體基座橫向、縱向肘板軟趾端部400mm長度范圍內(nèi)的焊縫進行打磨。3.3fpso下的下覆蓋物FPSOE遠洋拖航工期為85天，公司對FPSO拖航監(jiān)測及火炬塔船體基座結(jié)構(gòu)檢驗提出的要求如下：1）根據(jù)企業(yè)標準要求，安裝現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測并推算拖航中火炬塔上的運動加速度；2）對比根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算所得的火炬塔船體基座最大界面荷載和詳細設計荷載，如實際最大界面荷載超過詳細設計荷載的75%，則在拖航后對該基座肘板軟趾端附近焊縫打磨處再次進行超聲波檢驗，檢修焊縫損傷；3）拖航后，對FPSO主甲板下的船體基座焊縫設計預測高應力區(qū)再次進行超聲波檢驗，檢修焊縫損傷。根據(jù)FPSOE遠洋拖航現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果推算，火炬塔重心處的縱向、橫向和垂向的最大運動加速度分別為詳細設計取值的1.5%、5.6%和20.2%。4火炬塔和大型船舶基座超大型FPSO應按資源國政府油氣田開發(fā)法規(guī)確定合理的火炬系統(tǒng)工藝和公司健康、安全、環(huán)保理念，根據(jù)FPSO作業(yè)環(huán)境條件、火炬熱輻