FPSO軟管絞車支撐下加強結構疲勞強度分析

石科良 黃渙青 鐘星海 祝文倩 朱繼欣

摘 要：基于美國船級社規范的要求，本文介紹了FPSO軟管絞車支撐結構疲勞強度計算方法。以某FPSO為例，考慮其自身受到的慣性加速度，采用熱點應力分析法，通過細化熱點區域網格計算熱點應力，再根據S-N曲線對不同熱點進行疲勞壽命評估，并根據疲勞計算結果對應力集中區域的結構設計提出一些建議。

關鍵詞：FPSO；軟管絞車；疲勞強度；熱點應力

中圖分類號：U663.7 文獻標識碼：A

Abstract： Based on the ABS rules requirements， this paper introduces a fatigue strength calculation method for the integration of the FPSO hose reel support structure. By the hot spot stress analysis means a FPSO is evaluated taking into account its inertia acceleration. Firstly， very fine mesh is modeled to calculate the hot spot stress， then different S-N curves are selected to evaluate the fatigue life of each hot spot. Finally， some suggestions are put forward for structure design near stress concentration area according to the fatigue calculation results.

Key words： FPSO； Hose reel； Fatigue Strength； Hot Spot Stress

1 引言

FPSO是集海上油氣生產、儲油、卸油、生活、動力于一體的海洋工程結構物。它具有抗風浪能力強、適應水深范圍廣、儲/卸油能力強以及轉移靈活方便、重復使用等優點[1]，已成為當今海上油氣田開發核心設備。

相比于鋪設很長的海底管道裝置，通過穿梭油輪對原油進行運輸，可以節約運營成本，并方便轉移至工作海域。其作業原理為通過位于首樓甲板或尾樓甲板的軟管絞車將輸油軟管與串聯穿梭油輪上的受油軟管法蘭相連，然后進行輸油作業[2]。

由于軟管絞車自身重量大，其支撐結構在輸油過程中，主船體運動加速度對其影響較大。作為FPSO卸油系統中的關鍵設備，需要對軟管絞車支撐結構及其下加強的結構進行疲勞強度校核，滿足設計壽命的要求。

2 軟管絞車支撐結構疲勞強度計算

FPSO軟管絞車支撐結構連接疲勞強度分析根據美國船級社《Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structure（2003）》[3]（以下簡稱《指南》）提供的簡化分析方法，利用Weibull概率分布函數表示結構的應力分布范圍，通過有限元軟件求得結構的名義應力或熱點應力，計算相應的疲勞累計損傷，以此判斷結構疲勞強度是否滿足規范要求。

2.1 設計輸入載荷

設計輸入載荷僅考慮交變載荷的影響，如船體運動所產生的加速度；不考慮由軟管絞車自身重力或軟管拉力所引起的靜態載荷。

2.2 名義應力分析法

若結構形式分類符合《指南》中規定的S-N曲線，則可以采用名義應力分析法，對結構關鍵節點進行分析；也可以通過有限元直接計算求得，此時模型應采用凈尺寸，扣除相應的腐蝕余量。

網格大小無需過度細化：對于板單元，校核單元表面的與裂紋擴展方向垂直的45o范圍內的最大主應力；對于梁單元，選取校核梁單元面板或自由邊處與裂紋擴展方向垂直的45o范圍內最大主應力[4]。通過《指南》選取的S-N曲線，通常已包含對評估區域的應力集中系數（SCF）的影響。

名義應力分析法，通常可以快速判斷出某個節點強度是否滿足規范要求。但由于實際結構幾何形狀的復雜性，往往很難明確對每個焊縫進行分類，因此對于《指南》中沒有規定的焊縫形式（如焊趾等），此時疲勞強度宜采用熱點應力法進行分析，從而保證分析精度[5]。

2.3 熱點應力分析法

熱點應力可以通過名義應力和應力集中系數求得，也可以采用直接計算法求得。若評估區域的應力是通過已求得的名義應力乘以SCF，此時已經考慮由于構件幾何形狀的突變而導致的應力集中系數對節點的影響，將選取不包含應力集中影響的S-N曲線。初次確定構件形式的應力集中系數（SCF），通過細化評估區域的網格或經驗公式求得。

采用直接計算法計算熱點應力需對原有限元模型進行細化，網格大小約為t x t，熱點處應避免三角形單元，細化區域的骨材用板單元模擬。從細化網格區域向外方向應逐步過渡，并保證一定的過渡范圍。

2.4 S-N曲線的選取及應用

軟管絞車支撐結構及連接主體暴露在空氣中，選取非管狀節點ABS-（A）曲線，該曲線一共有八種類型，分別是B，C，D，E，F，F2，G和W。當采用名義應力分析法時，根據不同的節點形狀，將其進行歸類至某一曲線，通過應力范圍即可確定相應的循環次數，從而得到節點的設計壽命；當采用熱點應力分析法插值得到的熱點應力時，《指南》推薦選用”E”曲線對疲勞節點進行評估。

對于由于焊縫形狀和切口引起的應力集中影響，已經包含在所選取的S-N曲線中。

構件節點的疲勞性能和構件的板厚有關，當板厚超過某一厚度時，構件的疲勞性能隨著板厚的增加而下降。主要由于焊趾的幾何形狀受到相連板沿著板厚的應力梯度變化的影響，因此引入”修正系數”：當構件厚度不大于22 mm時，不需要進行應力修正；當構件厚度超過tR=22 mm時，修正系數為：

2.5 熱點應力計算

在讀取熱點應力時，應讀取板單元的表面應力。采用《指南》中推薦的外推方法，即讀取距離為距焊縫趾端0.5 t和1.5 t處的最大主應力σt/2和σ3t/2進行兩點線性外推。最大主應力方向與焊趾正向夾角應在±45o范圍，若超過該角度范圍則應直接使用垂直焊趾方向的熱點正應力作為計算疲勞應力，則熱點應力σh為：

當對板材的自由邊進行分析時，可以在其邊緣建立面積極小的扁鋼，具體梁單元的尺寸大小可以取扁鋼寬度和該板材厚度相同，扁鋼厚度極小，對計算結果影響可以忽略不計。該板材自由邊的熱點應力，通過讀取梁單元的合成應力得到。

2.6 疲勞評估衡準

當疲勞累計損傷值D≤1.0/FDF時，則可認為結構形式安全。FDF為疲勞設計因子，將疲勞評估過程和結果中的不確定因素，營運過程中檢驗和維修的難度等綜合考慮，《指南》對位于不同位置的結構形式給出了參考標準。

3 計算實例

以某FPSO首樓甲板的軟管絞車支撐結構為例，該支撐結構的主要參數為：長7 100 mm、寬9 400 mm、高2 176 mm，軟管絞車及下加強的三維模型如圖1所示。

在正常操作工況（DOC）下，軟管絞車自重約為137t，軟管沿著船首的切線方向輸油，拉力為25 t；在環境載荷工況（DEC）下，軟管被絞車收起，里面裝滿水，軟管絞車總質量約182 t。利用MSC.Patran/Nastran軟件建立有限元模型，根據《指南》對其疲勞強度進行分析。

3.1 疲勞熱點選取

軟管絞車支撐結構及下加強結構的疲勞熱點主要有兩種形式：第一種為支撐結構與首樓甲板的焊縫連接處；第二種為加強處連接肘板的自由邊。

選取的評估熱點，如表1所示；選取的疲勞熱點示意圖，如圖2、 3所示。

3.2 模型概述

疲勞分析計算的模型，采用嵌在首樓甲板及主船體有限元模型中的細化有限元模型直接計算，模型范圍：縱向從FR98至首部最前端；橫向從左舷至右舷；垂向從首部二甲板至軟管絞車支撐結構頂端。

在疲勞熱點分析處，縱骨用板單元進行模擬。網格大小約為t x t，并在網格附近保證足夠數量的該網格大小，向周邊區域逐步過渡至粗網格；粗網格大小約為1/2縱骨間距。

模型采用國際單位建模（m，kg，s），鋼材材料彈性模量E=2.06x1011Pa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 850 kg/m3。對于軟管絞車下加強及首樓甲板，扣除1.5 mm腐蝕余量。軟管絞車設備自重用質量點模擬，質量大小為137 t。具體的模型如圖4至圖5所示。

3.3 邊界條件、載荷及工況

邊界條件應遠離計算評估區域，在位于模型FR98處和首部二層甲板處采用全約束，具體施加如圖6所示。

設計輸入載荷為正常操作工況（DOC）作為計算載荷，交變載荷為由船體運動產生的加速度，出于保守考慮，增加10%的設計裕度，具體數值如表2所示。

工況組合考慮加速度沿各個方向變化的組合情況，具體如表3所示。

3.4 節點疲勞強度評估

首部軟管絞車下加強設計周期為25年，設計循環次數NT為1x108，韋伯形狀參量γ取1，周期循環次數NR為4x106。其中，熱點2和熱點4需要通過附近網格利用拉格朗日插值方法得到，其余熱點則可以直接通過讀取附近板單元或自由邊上的梁單元獲得。

計算結果及計算過程如表4所示，部分計算應力結果如圖7和圖8所示。

通過計算分析，該FPSO軟管絞車支撐結構和首樓甲板下加強結構疲勞強度滿足規范要求。

4 結論

（1） 雖然本文主要探討了軟管絞車支撐結構的疲勞連接強度，但由于板梁焊接結構的相似性，對于其他設備的支撐結構疲勞強度評估同樣適用；

（2） 構件疲勞強度主要和結構形式、構件厚度及其對交變載荷的響應有關，與材料的屈服強度無關，因此增加板厚是提高疲勞強度的方法之一。若結構材料采用高強度鋼時，要特別注意疲勞強度是否滿足要求；

（3） 通過對不同肘板相連節點進行分析，發現肘板形狀對疲勞影響較大：設置軟趾的肘板產生的應力集中系數比未設置的肘板要小，因此可以采用設置軟趾或采用弧形肘板方法提高連接節點壽命。

參考文獻

[1] 胡安康. FPSO浮式生產儲油裝置工程研究[M].哈爾濱工程大學出版 社，2012.

[2] 張君彥. FPSO軟管絞車液壓系統恒功率特性研究[D]. 大連海事大學， 2012.

[3] ABS，Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures [S].2003.

[4] 中國船級社. 船體結構疲勞強度指南[S]. 2007.

[5] 周張義，李芾，黃運華. 基于熱點應力的焊縫疲勞強度評定研究[J]. 內燃機車，2008.