FSRU動(dòng)力模塊及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

向小斌

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

浮式儲(chǔ)存再氣化裝置（Floating Storage and Re-gasification Unit，F(xiàn)SRU）是集液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)、再氣化外輸?shù)榷喾N功能于一體的特種裝備。在LNG再氣化過(guò)程中，需要龐大的電力消耗，因此在FSRU上往往會(huì)配置一個(gè)動(dòng)力模塊為L(zhǎng)NG 的再氣化提供能源支持。

FSRU 無(wú)論?？看a頭在FSRU 模式下還是作為液化天然氣船（Liquefied Natural Gas Carrier，LNGC）在航行模式下，由于船會(huì)隨著不同的海況，產(chǎn)生變形及應(yīng)力響應(yīng)，其上配置的模塊在船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)構(gòu)的安全是船舶海上航行的基石，在設(shè)計(jì)初期就要對(duì)結(jié)構(gòu)在可能的各種狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度分析，從而保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及安全。

本文以某LNG 船改裝為FSRU 加裝的動(dòng)力模塊為研究對(duì)象，根據(jù)其運(yùn)營(yíng)，運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)歷的極限狀態(tài)進(jìn)行模塊，模塊支撐件及主船體結(jié)構(gòu)有限元直接計(jì)算，得到合理可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 動(dòng)力模塊及FSRU 基本情況

本動(dòng)力模塊長(zhǎng)18 m、寬24 m、總高31 m，共分6 層。根據(jù)使用需要每層高度略有不同，最下層為發(fā)電機(jī)間，第2 層為發(fā)電機(jī)控制及為發(fā)電機(jī)正常工作的配置區(qū)域，第3 層為高、低壓電力配置及變電區(qū)域，第4 層及以上為鍋爐、焚燒爐等輔助設(shè)施配置區(qū)域。模塊采用普通碳鋼建造，模塊支撐構(gòu)件部分高應(yīng)力區(qū)部分采用高強(qiáng)度鋼。

模塊重量重心及FSRU 主尺度見(jiàn)表1 和表2。

表1 模塊各部分質(zhì)心

表2 FSRU 主尺度

2 動(dòng)力模塊有限元模型

本文采用Sesam Genie 進(jìn)行有限元建模，分析工具為Sestra，后處理工具為Xtract。在結(jié)構(gòu)線彈性范圍內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

模型包含了動(dòng)力模塊，模塊支撐結(jié)構(gòu)及主船體結(jié)構(gòu)，具體范圍如下：垂向從船舶基線到模塊頂端，橫向范圍為船舶左舷到右舷，縱向范圍為艉封板到18 號(hào)肋位。

模型坐標(biāo)系選取如下：x軸正向沿船體縱向指向艏部，y軸正向沿船寬方向指向左舷，z軸正向垂直于基線指向上方。

有限元整體模型見(jiàn)圖1，模型完全按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸等比例建模，模型中主要設(shè)備采用質(zhì)量單元進(jìn)行模擬，其余結(jié)構(gòu)采用板或梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，見(jiàn)圖2～圖4。

圖1 整體有限元模型示意圖

圖2 動(dòng)力模塊發(fā)電機(jī)質(zhì)量模擬示意圖

圖3 動(dòng)力模塊電氣主要設(shè)備模擬示意圖

圖4 動(dòng)力模塊輪機(jī)主要設(shè)備模擬示意圖

3 分析輸入條件

根據(jù)本船入籍要求，對(duì)于在碼頭系泊工作模式采用英國(guó)勞氏船級(jí)社（Lloyd's Register of Shipping，LR）相關(guān)規(guī)范[1]進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估；對(duì)于運(yùn)輸模式則采用LR 對(duì)LNG 運(yùn)輸船的相關(guān)要求進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。

計(jì)算主要考慮的載荷為永久性載荷（Permanent Load，PL），功能性載荷（Functional Load，F(xiàn)L），可變載荷（Live load，LL），碼頭系泊加速度（Site Inertial Load，SIL），航行加速度（Transit Inertial Load，TIL），風(fēng)載荷（Wind Load，WL），船體梁變形（Hull Deformation，HD），碰撞載荷（Accidental Load，AL），上浪載荷（Green sea load，GL）等。

3.1 永久性載荷及功能性載荷

永久性載荷主要為結(jié)構(gòu)、電纜、舾裝件、設(shè)備等的自重，見(jiàn)表1；功能性載荷主要為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷。由于模塊處于設(shè)計(jì)階段，質(zhì)量未完全確定，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮裕度如下：

1）焊接材料及油漆系數(shù)取0.03。

2）質(zhì)心移動(dòng)系數(shù)取0.05。

3）質(zhì)量裕度系數(shù)取10%。

根據(jù)設(shè)備資料，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷可忽略不計(jì)。在實(shí)際分析中，對(duì)于主要設(shè)備取10%設(shè)備自重作為其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行考慮。

用于模塊整體強(qiáng)度計(jì)算的模塊總質(zhì)量及重心位置見(jiàn)圖5，模塊整體質(zhì)量約為1 500 t。

圖5 模塊質(zhì)心模擬

3.2 可變載荷

可變載荷主要為人員行走時(shí)的載荷，參照LR規(guī)范[1]的相關(guān)要求，實(shí)取5 kN/m2，在有限元模型中以面載荷的形式加載于甲板非設(shè)備區(qū)域。

3.3 加速度載荷

在FSRU 模式時(shí)根據(jù)工作海域海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行加速度直接計(jì)算，得到FSRU 狀態(tài)下的加速度。在LNG 運(yùn)輸船模式時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]推薦公式進(jìn)行加速度計(jì)算，F(xiàn)SRU 模式及LNGC 模式下加速度值見(jiàn)表3。

表3 模塊運(yùn)動(dòng)加速度

3.4 風(fēng)載荷

根據(jù)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，在FSRU 模式下，工作海域的風(fēng)速取28.2 m/s，作為L(zhǎng)NG 船全球航行時(shí)風(fēng)速取36.0 m/s。風(fēng)壓載荷參照LR 規(guī)范[1]進(jìn)行計(jì)算：

式中：Cs為形狀系數(shù)，取1；Ch為高度系數(shù)，按照高度分布取1.0～1.3；Vref為計(jì)算點(diǎn)處風(fēng)速。

在有限元模型中，風(fēng)載荷以面壓力的形式施加在模型外表面。

3.5 船體梁變形

由于動(dòng)力模塊在艉部，下部線型非常尖瘦，靜水彎矩及波浪彎矩均可以忽略，艉部結(jié)構(gòu)可視為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)自重作用下主要變形形式為梁變形。

3.6 船體碰撞載荷

根據(jù)國(guó)際海事組織（International Marine Organization，IMO）[3]的相關(guān)要求，碰撞載荷取艏向0.50g（g為重力加速度，取9.81 m/s2），艉向0.25g。

3.7 上浪載荷

在FSRU 模式下，由于工作海域浪高較小，無(wú)法打到甲板上，因此未考慮上浪載荷。

在LNG 運(yùn)輸船模式下，上浪載荷根據(jù)LR 相關(guān)規(guī)范[1]進(jìn)行計(jì)算。在艉部區(qū)域，距基線21.5 m 處，上浪載荷約50 kN/m2。并考慮上浪載荷沿垂向線性分布，上浪最大高度約26 m。

4 組合計(jì)算工況

將第3 節(jié)所述各項(xiàng)載荷，即永久性載荷、功能性載荷、可變載荷、碼頭系泊加速度、航行加速度、風(fēng)載荷、船體梁變形、碰撞載荷、上浪載荷等按照船舶在FSRU模式和LNGC模式這兩種模式下進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力組合。模塊計(jì)算組合工況見(jiàn)表4。

表4 模塊計(jì)算組合工況

考慮模塊在FSRU 模式時(shí)在碼頭系泊狀態(tài)下計(jì)算工況，由于該工況環(huán)境載荷較小，選取主要運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行工況組合，按照逆時(shí)針?lè)较蛎?0°設(shè)為一個(gè)工況，見(jiàn)工況LC-b01～LC-b04。

考慮模塊在LNGC 模式時(shí)全球航行狀態(tài)下計(jì)算工況，由于該工況環(huán)境載荷較為惡劣，為細(xì)致評(píng)估結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)，在主要運(yùn)動(dòng)方向基礎(chǔ)上再增加4個(gè)中間運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行工況組合，按照逆時(shí)針?lè)较蛎?5°設(shè)為一個(gè)工況，見(jiàn)工況LC-b11～LC-b18；

考慮模塊在FSRU 模式時(shí)在碼頭系泊狀態(tài)下艏艉方向遭遇碰撞時(shí)的計(jì)算工況。見(jiàn)工況LC-c025g和LC-c050g。

5 結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

本模塊及主船體主體結(jié)構(gòu)采用屈服應(yīng)力為235 MPa 的普通碳鋼。模塊與船體連接結(jié)構(gòu)部分包含2 種材料，一種為屈服應(yīng)力235 MPa 的普通碳鋼，另一種材料為屈服應(yīng)力355 MPa 的高強(qiáng)度鋼，根據(jù)LR 相關(guān)規(guī)范[1]，結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力安全系數(shù)取1.89，梁結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力安全系數(shù)取1.25，結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力安全系數(shù)取1.11，許用應(yīng)力見(jiàn)表5。

表5 結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力 單位：MPa

6 分析結(jié)果

采用Sesam Genie 有限元分析軟件，計(jì)算得到模塊在不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。普通鋼結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖6 和圖7。對(duì)于普通鋼結(jié)構(gòu)，最大組合應(yīng)力發(fā)生在主船體橫向框架支柱肘板處；對(duì)于高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，最大組合應(yīng)力發(fā)生在模塊與主船體連接肘板處，此處應(yīng)力集中較為明顯，設(shè)計(jì)及分析時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。普通鋼結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)各工況最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表6 和表7，在各種環(huán)境載荷條件下，結(jié)構(gòu)各工況最大響應(yīng)滿足表5 所列許用應(yīng)力的要求。

圖6 普通鋼結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖7 高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力云圖（單位：Pa）

表6 普通鋼結(jié)構(gòu)各工況最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)計(jì) 單位：MPa

表7 高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)各工況最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)計(jì) 單位：MPa

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)FSRU 動(dòng)力模塊及其支撐結(jié)構(gòu)的直接計(jì)算分析，得到了所有結(jié)構(gòu)在工作、航行狀態(tài)下極限海況的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，針對(duì)結(jié)構(gòu)的不足采取了加強(qiáng)及優(yōu)化措施，保障了模塊在實(shí)際使用中的完整性和安全性。

傳統(tǒng)計(jì)算模式得到的約束處支反力過(guò)大，本計(jì)算對(duì)模塊、模塊支撐件和船體結(jié)構(gòu)一體建模，既可對(duì)分項(xiàng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，又達(dá)到了整體強(qiáng)度評(píng)估的要求，還能有效節(jié)省加強(qiáng)材料。

在整個(gè)模塊的建模過(guò)程中，采用質(zhì)量單元模擬主要設(shè)備的方法，既滿足了分析的要求，又達(dá)到了設(shè)備受力自動(dòng)分配到支撐結(jié)構(gòu)的效果，顯著減少了人工分解受力帶來(lái)的巨大工作量，有效保證了受力分配的可靠性。