FLNG 上部模塊支墩設(shè)計探討

劉 欣 李 江

惠生（南通）重工有限公司 江蘇南通 226000

1 模塊與甲板支墩連接形式

1.1 固定焊接形式

模塊支腿通過焊接固定在甲板支墩上，見圖1（a）。設(shè)計理念源自普通鋼架結(jié)構(gòu)，與結(jié)構(gòu)設(shè)計中的固支連接相似。固定焊接形式的最大優(yōu)點(diǎn)是建造安裝方便、成本較低，最大缺點(diǎn)是船體的彎曲變形不能被釋放，變形會通過支腿對模塊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，同時連接處焊縫容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

1.2 鉸支焊接形式

模塊支腿通過插入板與船體主甲板直接焊接，見圖1（b）。插入板通常沿船寬方向布置，支腿和船體主甲板之間能夠產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，支腿在船長方向是鉸接，能夠釋放船體彎曲的縱向變形對模塊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，但船體的彎曲變形依然會對支腿插入板與船體甲板間的連接焊縫疲勞產(chǎn)生較大影響。鉸支焊接具有安裝建造方便、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 彈性鉸支形式

模塊通過垂向彈性墊支撐在支墩上，四周設(shè)置側(cè)面限位擋塊，豎直方向設(shè)置止升爪，見圖1（c）。彈性鉸支形式限制了模塊基座各個方向的線位移，通過彈性墊釋放彎矩和角位移，與結(jié)構(gòu)設(shè)計中的鉸支連接相似。彈性鉸支形式最大的優(yōu)點(diǎn)是模塊支墩處結(jié)構(gòu)梁允許轉(zhuǎn)動，可以釋放船體彎曲變形對模塊結(jié)構(gòu)的不利影響，模塊對支墩的彎矩的作用，減少支墩焊縫疲勞裂紋的產(chǎn)生。彈性鉸支形式的缺點(diǎn)是建造安裝復(fù)雜、成本較高。

1.4 彈性滑動形式

彈性滑動形式與彈性鉸支形式相似，但只在船寬方向的兩個側(cè)面設(shè)置限位擋塊而取消了船長方向的限位擋塊，見圖1（d）。船長方向模塊可以在支墩上自由滑動，與結(jié)構(gòu)設(shè)計中的滑動鉸支連接相似。彈性滑動形式的最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過模塊基座的滑動釋放船體彎曲沿船長方向的變形對模塊的影響，減少支墩疲勞裂紋產(chǎn)生。缺點(diǎn)是建造安裝復(fù)雜、成本較高。

圖1 模塊與甲板支墩連接形式

2 模塊支墩設(shè)計

2.1 模塊支墩設(shè)計基本原則

（1）船體彎曲變形和疲勞的影響程度。當(dāng)船體的彎曲變形對模塊影響較小時（如服役海況良好，船體的尺度較小或模塊在船長方向的尺寸較小），可以采用固支焊接的支墩，并設(shè)置多個支腿（通常多于4 個）支撐。當(dāng)船體的彎曲變形對模塊影響較大時（如服役海況惡劣，船體的尺度較大且模塊在船長方向的尺寸較大），需要通過模塊與支墩間的連接來釋放船體彎曲變形對模塊的不利影響，通常采用鉸支焊接、彈性鉸支或彈性滑動的支墩。

①鉸支焊接形式一般采用多個支腿支撐模塊，但這種連接形式對支墩疲勞的改善有限。

②隨著浮式裝置和模塊尺寸、重量的大型化，支墩連接處的疲勞處理成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中越來越重要的部分。通常設(shè)置4 個支墩，采用彈性鉸支和彈性滑動組合形式，一端的兩個支墩采用彈性鉸支連接形式，另一端的兩個支墩采用彈性滑動的連接形式。FLNG 上部模塊支墩設(shè)計位置見圖2。這種4 支墩的組合形式能夠完全釋放船體彎曲變形對模塊結(jié)構(gòu)的不利影響，極大改善疲勞性能。

圖2 FLNG上部模塊支墩設(shè)計位置

（2）在布置模塊支墩位置時，支墩處荷載較大，為了保證支墩受力能夠安全有效地傳遞給船體，盡量將支墩設(shè)置在船體甲板縱桁、橫向強(qiáng)框架或縱橫艙壁交匯處，以便充分利用這些船體甲板強(qiáng)力構(gòu)件，避免更多的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以降低結(jié)構(gòu)鋼材量。

（3）在模塊支墩設(shè)計的初始階段，應(yīng)充分考慮構(gòu)件的各種強(qiáng)度成分。如選用船體縱向構(gòu)件時，既需要考慮船體總縱強(qiáng)度、又需要考慮局部強(qiáng)度。

（4）模塊甲板支墩、支墩與甲板連接結(jié)構(gòu)以及支墩下部加強(qiáng)區(qū)域均屬于應(yīng)力較高和疲勞敏感部位，高應(yīng)力區(qū)域可以考慮采用高強(qiáng)度鋼，并對肘板趾端等部位進(jìn)行合理優(yōu)化來改善疲勞性能。

（5）模塊支墩下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的開孔應(yīng)盡量避開高應(yīng)力區(qū)域，如果不能避開應(yīng)做開孔補(bǔ)強(qiáng)。

2.2 模塊支墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析校核

在按2.1 基本原則進(jìn)行模塊支墩形式選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還需要采用FEM 有限元方法對支墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算分析進(jìn)行校核，驗(yàn)證設(shè)計是否合理有效。強(qiáng)度分析內(nèi)容包括屈服、屈曲（穩(wěn)定性）和疲勞。船級社相關(guān)規(guī)范對有限元模型的范圍選取、建立以及載荷的選取均有明確要求。

（1）船體彎曲變形會對模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計及支反力產(chǎn)生影響，船體應(yīng)將模塊支墩位置處的變形提供給模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計使用，將這些變形與相關(guān)荷載進(jìn)行組合后對模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和支反力計算。

（2）模塊設(shè)計方在進(jìn)行模塊結(jié)構(gòu)分析和支反力計算時需要考慮船體運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力。

（3）模塊支墩支反力的計算和支墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核時，需要考慮FLNG 服役期間的所有設(shè)計工況，包括正常操作、極端、拖航工況和意外工況等，這些工況的定義可以參考船級社相關(guān)規(guī)范。

（4）在進(jìn)行模塊支墩下方的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析校核時，需要考慮承受模塊支墩傳遞的局部荷載，還需要考慮船體梁荷載。因此，在有限元建模時，支墩附近一定范圍內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)需要同時建入模型并施加相應(yīng)工況下船體梁的荷載。另外，對需要校核疲勞的部位應(yīng)注意按船級社規(guī)范要求采用細(xì)化網(wǎng)格有限元模型。

（5）FLNG 上部模塊的重量較重，導(dǎo)致船體通常處于中垂彎曲狀態(tài)，支墩結(jié)構(gòu)大多處于較高的壓應(yīng)力狀態(tài)，需要特別注意校核結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度（穩(wěn)定性）。

（6）模塊支墩的屈服、屈曲和疲勞校核需要依據(jù)不同超越概率海況下的支反力。屈服和屈曲強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)極限承載力的校核，應(yīng)按規(guī)范要求采用百年一遇海況的支反力。而疲勞強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)累計失效的校核，應(yīng)采用一年一遇海況的支反力。

3 模塊支墩實(shí)例

3.1 支墩形式和位置選取

FLNG 船體的總長×型寬×型深為350m×60m×35m，船中部管廊的兩側(cè)布置上部工藝模塊。模塊尺度較大，為30m×20m，且重量在3000～4000t。服役海況和拖航海況均比較惡劣、波浪荷載較大，因此船體彎曲變形較大，垂向變形達(dá)600mm；船體運(yùn)動較大，船寬方向加速度達(dá)0.45g（g 為重力加速度）。

船體彎曲變形較大、模塊長度較長，如采用固定形式的支墩，船體變形將會被施加給模塊結(jié)構(gòu)，帶來不利影響，船體中拱和中垂?fàn)顟B(tài)的周期變化也會對支墩的疲勞帶來很大影響。另一方面，由于船體運(yùn)動響應(yīng)較大，模塊重量較大，導(dǎo)致模塊支反力較大，會對支墩的疲勞帶來很大影響。因此，采用4 個支墩，形式為彈性鉸支和彈性滑動，通過支墩最大限度地釋放船體彎曲變形和運(yùn)動帶來的不利影響。

支墩位置確定需要結(jié)合甲板結(jié)構(gòu)的布置，與船體專業(yè)協(xié)調(diào)后布置在縱橫艙壁交匯處或甲板縱桁與橫向強(qiáng)框架交匯處。模塊長度較長，可以通過支墩位置使模塊端部適當(dāng)尺度懸挑。

3.2 支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計

在支墩形式和位置確定后，船體將船體彎曲變形和運(yùn)動數(shù)據(jù)提供給模塊設(shè)計，模塊設(shè)計可以進(jìn)行模塊結(jié)構(gòu)的計算并提供支反力和支墩處的模塊結(jié)構(gòu)形式給船體。模塊支反力數(shù)據(jù)對支墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度分析非常重要，設(shè)計時需要特別注意不同海況的組合。支墩形式和位置、支反力、模塊支墩處結(jié)構(gòu)形式確定后，可以進(jìn)行支墩結(jié)構(gòu)的設(shè)計，首先確定支墩的結(jié)構(gòu)形式，該項(xiàng)目支墩受力較大，因而采用箱型支墩。確定支墩結(jié)構(gòu)形式后可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕治鲇嬎阋源笾麓_定尺寸，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范確定結(jié)構(gòu)材料。

3.3 支墩強(qiáng)度分析

進(jìn)行支墩強(qiáng)度有限元分析時，有限元模型范圍在船長方向應(yīng)延伸至支墩兩邊以外2～3 個強(qiáng)框架位置，支墩結(jié)構(gòu)采用相對細(xì)化網(wǎng)格，肘板趾端等疲勞敏感部位采用2t×2t（t 為板厚）網(wǎng)格。在對有限元模型施加荷載時，需要注意對船體的縱向構(gòu)件施加船體梁總縱彎曲荷載。根據(jù)分析結(jié)果分別校核屈服、屈曲和疲勞強(qiáng)度。支墩強(qiáng)度分析見圖3。

圖3 支墩強(qiáng)度分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，對結(jié)構(gòu)形式的合理性進(jìn)行評估和優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文對各種支墩形式的特點(diǎn)及其適用性、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，介紹了設(shè)計的基本原則和理念，并結(jié)合具體的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對設(shè)計中的重點(diǎn)問題做了描述。根據(jù)工藝流程布置和服役海況、波浪荷載不同，模塊支墩的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目情況選擇合理、可靠、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計。