230 000 m3LNG FPSO艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

張玉奎 張 偉

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

230 000 m3LNG FPSO艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

張玉奎 張 偉

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

針對230 000 m3浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置（LNG FPSO）貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用法國船級社（BV）開發(fā)的VeriSTARHull軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析。該LNG FPSO應(yīng)用于我國南海氣田開發(fā)，需要通過單點(diǎn)系泊系統(tǒng)長期定位于作業(yè)海域，要求能夠抵御各種惡劣的海況并保證設(shè)施的安全和持續(xù)作業(yè)能力。因此，對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化是整個浮式生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的基本要求和關(guān)鍵所在。文中結(jié)合BV相關(guān)規(guī)范要求建模、加載并分析計算結(jié)果，給出結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的高應(yīng)力區(qū)域并提出優(yōu)化建議。

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置；艙段結(jié)構(gòu)；VeriSTARHull軟件；有限元法

引 言

我國南海海域的天然氣資源儲量巨大，但傳統(tǒng)平臺開采具有投資大、周期長和對氣田儲量要求規(guī)模高等一些局限性。LNG FPSO相對靈活，具有開采、處理和液化天然氣的功能，并可儲存和裝卸LNG，有望成為未來主要的天然氣資源開發(fā)方式。

本計算使用基于南海海況的三維水動力預(yù)報參數(shù)作為輸入（具體預(yù)報方法和過程從略）。結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要滿足南海海域“百年一遇”海況的要求，因此有必要合理布置模塊支墩位置并設(shè)計加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以確保整個系統(tǒng)安全和正常生產(chǎn)作業(yè)。

本文主要參照BV NR445的要求，利用VeriSTARHull軟件對LNG FPSO在作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)屈服和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行計算，給出主要的分析方法和流程，對結(jié)構(gòu)中的高應(yīng)力區(qū)域加以優(yōu)化，從而滿足規(guī)范的要求。

1 計算模型簡介

LNG FPSO采用GTT No96薄膜型貨物維護(hù)系統(tǒng)，為雙排艙設(shè)計，由首至尾布置4組共8個 LNG貨艙，具有高型深、大船寬的特點(diǎn)。擁有完整雙底、雙殼、雙甲板和橫向、縱向隔離艙壁。LNG FPSO基本參數(shù)見表1，總布置圖參見圖1。其上部有12個工藝模塊，總質(zhì)量達(dá)到35 000 t，本次計算共涉及8個模塊，見表2。

表1 基本參數(shù)　m

圖1 總布置圖

表2 三艙段范圍內(nèi)工藝模塊質(zhì)量與重心

采用全寬的三艙段計算模型，包含2號、3號和4號貨艙區(qū)所有主要結(jié)構(gòu)，范圍至端部的橫向隔離艙及艙壁。VeriSTARHull整合了Femap作為前后處理軟件，除了可以直接建模外也可以利用豐富的接口導(dǎo)入其他通用軟件的模型，本計算利用MSC/Patran進(jìn)行前處理。

使用殼單元模擬板結(jié)構(gòu)（甲板、船殼、總艙壁、橫艙壁）和主要支撐構(gòu)件（強(qiáng)框架、水平桁、垂直桁），用梁單元模擬縱骨、主要支撐構(gòu)件面板和加強(qiáng)筋，以骨材間距為單元尺寸，采用建造厚度建模。具體應(yīng)遵循以下規(guī)則：

（1）主要支撐構(gòu)件腹板高度方向至少分為3個單元；

（2）縱向構(gòu)件按肋距劃分，據(jù)此在強(qiáng)框架之間分為3個或4個單元；

（3）高應(yīng)力區(qū)單元長寬比不超過3；

（4）不考慮骨材穿越孔，人孔通過扣除適宜單元進(jìn)行模擬。

三艙段計算有限元模型參見圖2。

圖2 三艙段計算有限元模型

2 計算載況及工況

計算載荷包含靜水載荷、波浪載荷、液艙壓力和慣性載荷。其中靜水剪力、彎矩來自裝載手冊，波浪剪力、彎矩和船體加速度均來自三維水動力直接計算。BV NR445 第D篇第1章第7節(jié)5.5.1 中列出了艙段計算需要考慮的載況，鑒于實(shí)際裝載沒有左右不對稱載況，因此確定計算載況為表3所示6種。

對于每一種載況，均需要計算“a”、 “b”、 “c”、“d”4種相互獨(dú)立的工況，“a”和“b”對應(yīng)船體正浮狀態(tài)，“c”和“d”對應(yīng)船體傾斜狀態(tài)。每種工況組合不同的吃水，波浪彎矩、波浪剪力、船體加速度等參數(shù)，以模擬實(shí)際運(yùn)營過程中各種不利的受力情況，各載荷具體取值可參見BV NR445第D篇第1章第5節(jié)4.2.1。

表3 計算載況

其中，波浪載荷和慣性載荷通過定義“水動力環(huán)境”來實(shí)現(xiàn)，并整合以下內(nèi)容：波浪彎矩、波浪剪力、相對波面升高、船體運(yùn)動的加速度和幅值。結(jié)合構(gòu)件類型和艙室的定義實(shí)現(xiàn)各種載荷的施加以及腐蝕的扣除，并實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件類型屈服因子和屈曲因子的歸一化。

3 計算結(jié)果分析

3.1 屈服因子和屈曲因子

屈服因子和屈曲因子計算結(jié)果參見下頁表4（許用值都是1）。由該表可以看出，縱向的板結(jié)構(gòu)中縱艙壁、內(nèi)殼、內(nèi)甲板、以及內(nèi)底的應(yīng)力水平整體不高，而上甲板、外殼作為強(qiáng)力構(gòu)件應(yīng)力水平更高一些。主要支撐構(gòu)件強(qiáng)框架、水平桁、甲板縱桁、底縱桁和垂直桁容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮，特別是這些構(gòu)件的端部和不同類型主要支撐構(gòu)件的相鄰區(qū)域。屈曲強(qiáng)度方面內(nèi)甲板、內(nèi)底、甲板縱桁和底縱桁裕度較大，其他位置相對緊張。

表4的結(jié)果是在對典型應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析基礎(chǔ)上得出的，因此有些構(gòu)件的整體屈服因子雖然接近或達(dá)到了許用值，但設(shè)計還是可以滿足規(guī)范要求的。

3.2 模塊質(zhì)量的影響

LNG FPSO除了作業(yè)海況惡劣、特殊的系泊系統(tǒng)以及設(shè)計壽命內(nèi)不進(jìn)塢檢修等方面與LNG運(yùn)輸船不同，其作業(yè)功能很大程度上要取決于上部模塊支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為了計入模塊質(zhì)量的影響，首先在VeriSTARHull的菜單中輸入模塊的質(zhì)量和重心數(shù)據(jù)（輸入界面參見圖3）；然后通過質(zhì)量點(diǎn)單元模擬模塊質(zhì)量，再用MPC單元把質(zhì)量點(diǎn)單元與支墩的相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。同時，軟件也支持輸入支墩處的作用力模擬模塊的影響，可以把力直接加載在支墩上。

為了消除船體梁變形的不利影響，模塊支墩采用固定支墩與滑動支墩組合型式。對于固定支墩和滑動支墩，質(zhì)量點(diǎn)關(guān)聯(lián)的自由度有所不同。模塊連接效果參見圖4。

表4 屈服因子和屈曲因子計算結(jié)果匯總

圖3 模塊質(zhì)量輸入界面

圖4 不同類型支墩和模塊質(zhì)量的關(guān)聯(lián)

由于設(shè)計初期可能缺少詳細(xì)的模塊質(zhì)量資料，因此這里對是否加載模塊質(zhì)量作了對比計算，圖5 — 圖8分別給出典型強(qiáng)框架、典型橫艙壁、上甲板和甲板縱桁的計算結(jié)果（左側(cè)圖均為不加載模塊質(zhì)量的結(jié)果）。

圖5 典型強(qiáng)框架屈服因子

圖6 典型橫艙壁屈服因子

圖7 上甲板屈服因子

圖8 甲板縱桁屈服因子

可以看出，結(jié)果差異非常小，且主要體現(xiàn)在模塊支墩基座附近的局部船體結(jié)構(gòu)。其中對強(qiáng)框架和橫艙壁的影響僅限于最上面一道水平桁以上部分，對上甲板的厚度取值幾乎沒有影響，縱桁在支墩作用處出現(xiàn)小范圍應(yīng)力升高。

綜上所述，在缺少詳細(xì)的模塊質(zhì)量資料的前提下，可以先不考慮，不會對后續(xù)設(shè)計造成大的影響。同時，也可以預(yù)先對支墩處的相應(yīng)結(jié)構(gòu)適當(dāng)加強(qiáng)以減少后期修改量。

3.3 關(guān)鍵區(qū)域匯總

3.3.1 強(qiáng)框架上的高應(yīng)力區(qū)域

如圖9所示，給出的高應(yīng)力區(qū)域的剪力水平普遍較高，屈曲問題主要出現(xiàn)在舷側(cè)隔板上部區(qū)域，同時也是剪力水平最高的部位；因此對相關(guān)區(qū)域增加了板厚。強(qiáng)框架屈服因子參見圖10。

圖9 強(qiáng)框架高應(yīng)力區(qū)域

3.3.2 水密/隔離橫艙壁上的關(guān)鍵區(qū)域

如圖11所示，這里主要是橫艙壁中間區(qū)域的屈曲問題，可以通過增加板厚或增設(shè)防屈筋解決。增設(shè)防屈筋增加質(zhì)量較小，而增加板厚還有減小晃蕩應(yīng)力的好處，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活決定采用哪種方法或者兩種方法結(jié)合使用。這里采用的是增加板厚的方法，橫艙壁屈曲因子見圖12。

圖10 強(qiáng)框架屈服因子

圖11 水密/隔離橫艙壁上的關(guān)鍵區(qū)域

圖12 水密/隔離橫艙壁上屈曲因子

3.3.3 水密/隔離橫艙壁間水平桁上的高應(yīng)力區(qū)域

如圖13所示，對于高剪力區(qū)域，可以增加板厚或者局部選用高強(qiáng)度鋼；水平桁中部的屈曲問題考慮到開孔的需求，防屈筋難以布置，因此采用增加板厚的方法。水平桁屈曲因子見圖14。

圖13 水密/隔離橫艙壁間水平桁高應(yīng)力區(qū)域

圖14 水平桁屈曲因子

3.3.4 垂直桁上的高應(yīng)力區(qū)域

垂直桁高應(yīng)力區(qū)域如圖15所示，圖16給出了垂直桁的屈服因子。每個半寬范圍內(nèi)的橫艙壁布置有三根垂直桁，其中邊上兩根相連的甲板縱桁和底縱桁為非連續(xù)構(gòu)件，只在橫艙壁處前后各延伸一個強(qiáng)框，應(yīng)力集中相對較??；中間一道垂直桁兩端連接的縱桁都是縱向連續(xù)構(gòu)件，上端應(yīng)力集中較小，而下端應(yīng)力相對較集中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

對高應(yīng)力區(qū)域均采用加厚板的形式進(jìn)行加強(qiáng)，對垂直桁中部的屈曲問題也是考慮到開孔的需求，采用增加板厚的方法予以解決。

垂直桁和水密/隔離橫艙壁間水平桁的結(jié)果有個相似點(diǎn)，就是中部應(yīng)力小，屈曲是決定因素；端部應(yīng)力集中較大，屈服是決定因素。

圖15 垂直桁高應(yīng)力區(qū)域

圖16 垂直桁屈服因子

3.3.5 細(xì)網(wǎng)格分析

為了分析結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)應(yīng)力分布，BV規(guī)范規(guī)定了一些需要進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析的位置。通過對部分高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格分析發(fā)現(xiàn)，如果應(yīng)力不滿足衡準(zhǔn)要求，即便是粗網(wǎng)格單元本身形狀很不好，在細(xì)網(wǎng)格分析中也很難滿足，通常需要加強(qiáng)。由于布置的要求，結(jié)構(gòu)形式一般難以改變。強(qiáng)框架和水平桁通過局部嵌入厚板可以順利解決，如果板厚取值過大，則需選用高強(qiáng)鋼。圖17 — 圖19給出部分基于細(xì)網(wǎng)格計算的局部板厚。

圖17 強(qiáng)框架折角及開孔加強(qiáng)

圖18 水平桁舷側(cè)開孔及角隅部分加強(qiáng)

圖19 垂直桁端部區(qū)域加強(qiáng)

4 結(jié) 論

通過以上計算分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）上部模塊質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的影響范圍和程度都很小，設(shè)計初期缺少資料的情況下可不考慮模塊質(zhì)量。

（2）屈服方面，需重點(diǎn)關(guān)注主要支撐構(gòu)件的端部和不同類型主要支撐構(gòu)件相鄰區(qū)域，這些區(qū)域往往剪應(yīng)力較大，主要減小應(yīng)力的方法是增加板厚或選用高強(qiáng)鋼。從應(yīng)力結(jié)果看，水平桁上的應(yīng)力集中情況整體舷側(cè)比船舯更為嚴(yán)重；強(qiáng)框架上垂向肋板應(yīng)力也是舷側(cè)高于船舯；對垂直桁，下端部與底連續(xù)縱桁的相鄰區(qū)域應(yīng)力水平最高。

（3）屈曲方面，需重點(diǎn)關(guān)注橫艙壁，可以通過增加板厚或者增設(shè)防屈筋加以解決。

本計算針對3號貨艙，計算結(jié)果可直接應(yīng)用到2號貨艙。1號和4號貨艙由于彎矩水平下降較多，故可以采用此法重新計算，同時1號貨艙前艙壁區(qū)域由于存在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)而剪力水平較大，尚需單獨(dú)考慮。

［1］BV.BV NR445，Rules for the Classification of Offshore Units，Part D［S］.2014.

［2］中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計實(shí)用手冊（結(jié)構(gòu)分冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

［3］王璞.FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展［J］.船舶，2014（2）：1-8.

［4］劉元丹，蘇金波，王華.FLNG系統(tǒng)卸載方式概述［J］.廣東造船，2014（4）：55-57.

［5］童波，金強(qiáng).基于南海環(huán)境條件的半潛式鉆井平臺設(shè)計環(huán)境參數(shù)分析［J］.船舶，2011（2）：8-14.

Strength analysis of compartment structure for 230 000 m3LNG FPSO

ZHANG Yu-kui ZHANG Wei
（Marine Design & Research Institute of China，Shanghai 200011，China）

This paper carries out the strength analysis of the cargo hold structure of a 230 000 m3LNG FPSO by using VeriSTAR Hull software that has been developed by BV.A single point mooring system is used for this LNG FPSO，which was designed to explore the gas field of South China Sea，to position in the service area for a long period of time with the ability of withstanding various terrible sea conditions and ensuring the equipment safety and the continuous operation.Consequently，it is essential and critical for the function implementation of the whole FPSO to analyze and optimize the ship hull structure.It performs the modelling and loading，and analyzes the calculation results following the relevant requirements of BV rules.The high stress regions that should be paid attention to in the structural design are finally pointed out，which can provide advices for optimization.

LNG FPSO； compartment structure； VeriSTAR Hull software； finite element method（FEM）

U661.43

A

1001-9855（2016）05-0048-09

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目——浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置（LNG FPSO）總體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究（2013K24268）。

2016-04-26；

2016-06-06

張玉奎（1983-），男，工程師，碩士，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。張 偉（1986-），男，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.048