FPSO甲板舷外設備支撐結構設計與強度疲勞校核

陳曙梅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

1 甲板舷外設備加強結構的定義

浮式生產儲油輪（FPSO）結構，除規范規定的必須劃分為海工區域的結構以外，根據船檢或船東要求，很多甲板設備、舷外設備的加強結構也需歸入海工區域。以法國BV船級社規范為例，海工結構的定義包含但不限于以下結構，見下頁表1。

在FPSO船體甲板上，除布置上部模塊外，還有各類設備。為合理利用甲板面積，部分設備如潛水工作站、廢棄物集裝箱等直接放置在舷外，并設計合適的外掛結構與船體相連。

表1 B V規范對海工區域的定義

以廢棄物平臺為例，本身并沒有列入規范定義范圍，但是船東有相關要求，故仍需按照海工區域的要求開展設計和強度校核。圖1為廢棄物平臺的海工區域劃分，圖中高亮顯示。

圖1 海工區域定義實例示意

2 海工區域結構的屈服校核衡準

定義為海工區域的結構，腐蝕余量的定義不同，其對應的屈服衡準與船體的屈服衡準也不同。海工區域的結構強度通常至少校核兩種狀態，分別為作業狀態和生存狀態。

以BV規范為例，對于海工區域結構，合成應力的標準滿足式（1）要求：

式中：Rf為材料屈服應力，MPa；а為許用應力系數（作業狀態取0.6，生存狀態取0.8）。

對于網格尺寸達到t×t級別的單元（t為鋼板厚度），許用應力標準相應提高，可將在2t×2t范圍內的單元合成應力按面積平均，平均后的合成應力小于 1.3σа。

BV規范對船體區域結構的合成應力標準，則需滿足式（2）要求：

式中：Rf為材料屈服應力，MPa；γR、γm通常取 1.02。

對于網格尺寸小于100 mm×100 mm的單元，許用應力標準同樣可以相應提高，可將100 mm×100 mm 范圍內的單元合成應力按面積平均，平均后的合成應力σVM，根據是否與焊縫相鄰，分別滿足式（3）和式（4）的要求。

單元與焊縫相鄰：

單元不與焊縫相鄰：

BV規范對兩類結構的應力標準詳見表2，其他船級社對FPSO均有類似規定。由該表可看出，海工區域結構的許用標準較船體區域低。生存狀態下，約為91.5 % 的船體結構許用值，對于不與焊縫相鄰的精細網格區域，生存狀態下的許用值僅為船體標準的83.8 %。由此也說明，海工區域結構設計的要求之嚴格。

3 甲板舷外設備加強的受力分析和校核工況

FPSO的甲板舷外設備加強結構多位于船體和海工的界面處，其承受載荷同樣來自兩個區域：一為船體載荷，二為設備功能載荷。

船體載荷成分在下頁表3中列出，這些載荷均應在其加強結構設計中考慮，并在結構校核中施加在校核模型上。

表2 規范對海工區域和船體區域結構的屈服校核衡準對比MPa

表3 海工區域結構設計和校核需考慮的船體載荷

設備功能載荷有兩種考慮方法：一種是由設備商提供支反力，船體方直接加載校核；另一種是提供質量重心和界面連接形式，由船體方考慮設備的質量及加速度， 供強度疲勞校核使用。特殊設備（如部分浸水的排水管），還需要額外考慮莫里森載荷。

以廢棄物平臺為例，該平臺放置5個廢棄物集裝箱，其設備載荷應包含集裝箱落腳位置，質量、重心以及重心處生存狀態和作業狀態下的加速度。

甲板舷外設備加強結構的強度校核，會根據結構位置和受力特點選取主控裝載。表4為實例FPSO考慮的強度校核工況。

表4 實例F P S O考慮的強度校核工況

4 甲板舷外設備加強結構的設計和校核實例

結合對此類結構的設計和校核可發現，甲板舷外設備的加強結構設計的重點是該舷外結構與主甲板連接節點的設計，結構主控載荷為船體載荷。

以某FPSO的廢棄物平臺為例，其初始設計根據設備放置，設計為桁架結構。其優點是省材料、形式簡單，缺點是與船體連接處易產生較大應力集中。初始設計形式見圖2和圖3。

圖2 實例的初始設計——桁架式（俯視圖）

圖3 實例的初始設計——桁架式（空間視圖）

之后，為提高甲板面積利用率，將原來的廢棄物設備完全移出主船體，并將廢棄物平臺改為板加筋結構。由于附近還有其他設備的結構加強，該平臺的設計空間有限，與主船體連接的過渡結構無法擴大，民致連接節點不可避免會產生硬點。為解決該問題，硬點處設計為軟趾。

第二版設計的平臺結構如圖4和圖5所示。

圖4 實例的第二版設計——板架式（俯視圖）

圖5 實例的第二版設計——板架式（空間視圖）

經校核，該結構與連接船體的肘板趾端處應力集中嚴重（見圖4劃圈處），而扣除應力集中點，其他結構均能滿足設計要求。應力集中處的合成應力結果詳見下頁圖6，疲勞校核工況的主應力結果見下頁圖7。

圖7所示的應力集中點，計算其疲勞壽命為31.2年，實例FPSO的設計疲勞壽命則需達到92年，因此該加強結構無法滿足設計要求。

綜合考慮強度和疲勞計算結果，對實例在第二版基礎上，改進設計出第三版，見下頁圖8。

第三版設計在第二版基礎上，進行了兩處改動：

（1）將連接肘板改小，原肘板兩邊長比為7 : 9。改進后和船體連接的邊長不變，將與平臺連接的邊長改小，邊長比改7 : 6。

圖6 實例的第二版設計強度計算結果

圖7 實例的第二版設計疲勞主應力結果

圖8 實例的第三版設計——趾端優化（俯視圖）

（2）將肘板趾端形式優化。第二版采用的趾端軟趾形式見圖9，為該實例FPSO的標準趾端，趾端高度長度比為1 : 1。

圖9 實例的標準趾端設計（俯視圖）

改進后將趾端長度拉長，長高比增加到1.5 : 1。經疲勞損傷計算，將原來趾端圓弧半徑由100 mm增加到400 mm，趾端自由邊處疲勞壽命才達到實際FPSO的要求。改進后的趾端形式見圖10。

圖10 實例修改后的趾端設計（云線圈出處）

最終計算得到的強度和疲勞結果分別如圖11、表5和表6所示。

表5列出了各裝載工況在生存狀態下的合成應力結果?？芍?，按BV規范要求，平均應力滿足海工區域的細網格應力衡準。

表6列出了節點疲勞結果?？芍钗ｋU處的疲勞壽命為103年，滿足設計要求。

圖11 實例第三版設計的局部最大合成應力

表5 實例F P S O廢棄物平臺的屈服強度校核結果（生存狀態）

表6 實例第三版設計的節點疲勞結果

5 甲板舷外設備加強結構的疲勞校核和設計改進

從實例不難發現，此類設備加強的重點是與船體連接處的節點，節點的最終形式由疲勞校核確定。校核實例的疲勞節點根據強度計算結果選取。不僅要校核主船體連接處，也要校核趾端本身，比如焊接節點的腹板與面板連接處，非焊接節點的趾端圓弧自由邊處。

疲勞校核方法很多，具體方法不再贅述。實例FPSO采用確定性方法，考慮拖航狀態、在位狀態和作業期間的裝卸貨周期，分別計算高周疲勞和低周疲勞，得到FPSO生命周期內疲勞累積總損傷。累積損傷必須滿足規范對海工區域的要求。

本文以實例FPSO的廢棄物平臺為例，總結了以下6條海工區域結構疲勞壽命的改善方法：

（1）改變趾端的高度與長度比

具體見圖9和圖10，對改善趾端處船體結構的應力集中非常有效。

（2）改善趾端的圓弧

具體見圖9和圖10，圓弧半徑增大，顯著提高趾端自由邊的疲勞壽命。

（3）改善腹板與面板連接處的面板傾角

如圖4和圖8，通過改變肘板兩臂長，改善了面板傾角，明顯降低趾端應力水平。

（4）采用合理的焊接方式

將高應力區焊接節點的焊接方式，從角焊縫改為全焊透，有助于提高疲勞壽命。

（5）避免結構突變，將棱角盡量打磨出圓弧

如圖9和圖10，趾端的焊接留根，和與面板的焊接留根，均有R15的磨圓。給合該節點的計算結果，磨圓處理的結構對比未處理的結構，應力集中情況明顯改善。

（6）提高局部區域板厚

即采用降低名義應力的方法，減少累計損傷。應注意設計過程中，盡量以增加主船體的局部區域板厚為主，舷外設備加強結構盡可能不強于局部船體結構，以確保FPSO主體結構安全。

以上方法在結構設計中可根據設備加強特點，靈活使用。

6 甲板舷外設備加強結構的設計原則

通過對大量類似結構的研究，結合實際的設計和校核經驗，FPSO甲板舷外設備加強結構的設計原則可總結如下：

（1）盡可能利用船體強構件，重要的受力點和支撐點應放在強力結構處；

（2）盡量減少總縱強度參與度；

（3）充分考慮其他設備的布置，合理利用空間；

（4）關鍵節點形式由疲勞校核確定；

（5）盡量將最危險最易破壞點避開主船體結構。

FPSO甲板的每一處設備加強結構均有各自的特點和其獨有的校核方法。本文僅選擇校核相對簡單的廢棄物平臺為例，對類似的海工區域結構從設計、強度校核和疲勞校核做粗略介紹。該類結構的主控載荷為船體梁載荷，結構靠近船舯，主控載荷為垂向彎矩；結構靠近首部，主控載荷為加速度。該結論可在其他類似結構設計中應用。

需按海工區域標準設計的結構，大都受力復雜，設計界面也是關鍵問題。實際設計中，應根據最基本的設計、計算方法推民變通，并結合本文的結論，具體問題具體分析。