考慮腐蝕損傷的FPSO船體結構強度LC演變特性

劉慧菊， 張 崎*， 王鵬飛， 周 雷

(1.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

船體由于受到海水、海洋生物及內部所載貨物、壓載海水等因素的影響，不可避免地存在腐蝕損傷。相關統計資料表明：船舶的失效有相當數量是由腐蝕損傷引起的[1]。浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)需要長期服役且在整個服役期間不進塢檢修[2]。

近年來，許多國內外學者對考慮腐蝕損傷的FPSO船體結構強度進行研究。PAIK等[3]在分析海水壓載艙內大量的實測腐蝕數據后，整理出適用于船體海水壓載艙、單體油船、雙體油船和FPSO的線性腐蝕模型。徐業峻[4]研究服役多年的FPSO船體結構現狀，對結構強度按照規范進行設計復核，基于計算分析結果對船體結構強度與疲勞強度不足之處進行加強。徐亦斌等[5]以南海奮進號FPSO為對象，使用有限元分析軟件，對其采用的內轉塔進行局部受力分析，了解各載荷對船體結構的影響。唐文勇等[6]以某FPSO為例，計算在不同腐蝕程度下構件的失效概率和船體梁極限強度的時變可靠度。PETILLO[7]根據檢測的厚度和載荷，對腐蝕的FPSO貨艙進行強度評估，并確定屈服、屈曲、斷裂的破壞準則。遲少艷等[8]介紹海洋石油115號浮式生產儲油裝置的船體設計，并對其總縱強度、極限強度和疲勞強度進行重點分析。ZHANG等[9]研究腐蝕損傷對船體加筋板結構極限強度的影響，討論腐蝕體積、腐蝕深度和位置等因素對加筋板極限強度的影響，并提出以腐蝕體積作為參數的極限強度評估公式。何麗絲等[10]基于自主研發的軟件，依照規范對某客滾船艙段的屈曲強度進行直接計算，并對艙段甲板結構的屈曲強度進行評估。

考慮到FPSO長期服役、難以返塢維修、服役于惡劣海況環境的特點，依據中國船級社(CCS)《海上浮式裝置入級規范》[11]，通過計算對生命周期(Life Cycle，LC)各服役年限的某型FPSO船體結構遭受均勻腐蝕損傷的屈服強度和屈曲強度進行評估。

1 模型簡介

1.1 船體結構

該FPSO為服役于南海油田開發工程的重要設施，采用內轉塔單點系泊系統，設計壽命為30 a，主船體主要采用船用低碳鋼(屈服強度為235 MPa)和AH高強度鋼(屈服強度為315 MPa)兩種材料。

1.2 有限元模型簡介

基于ANSYS軟件，依據實船圖紙建立FPSO全船有限元模型，如圖1和圖2所示。使用Shell 63殼單元模擬船體主要構件，如船體外殼、甲板結構、艙壁結構等；使用Beam 188梁單元模擬強構件的面板、加強筋等；使用Mass 21質量單元模擬上部設備的質量。全船有限元模型共有466 361個單元和402 741個節點。

邊界條件按照文獻[11]推薦的方法，對模型施加3點約束以約束模型的剛體位移，艉部左右兩舷所選約束點應對稱于浮體中縱剖面。表1給出各約束點的具體約束情況。

圖1 FPSO全船有限元模型

圖2 局部結構有限元模型

表1 邊界條件說明

1.3 計算載荷

使用全船有限元模型進行載荷計算和強度分析，相較于使用局部模型，全船模型的載荷計算更加真實準確，能夠獲得更為詳細的結構響應。

選取滿載載況，研究FPSO在迎浪狀態下中拱的結構響應。計算載荷主要包含規范要求的靜載荷和動載荷兩部分，靜載荷主要包含貨物壓力、舷外靜水壓力。各貨艙均處于滿載狀態，貨艙內部施加的液體壓力載荷呈線性梯度分布，靜水壓力與船舶吃水呈線性比例關系。船體在航行中所受的動載荷包含舷外波浪壓力及波浪與船體相互作用所引起的慣性載荷，波浪載荷的波長等于船長，取百年一遇的波高13.6 m，波浪周期為12.57 s。船體施加的動載荷分布如圖3所示。

圖3 波浪動載荷示例

1.4 腐蝕模型

1.4.1 腐蝕速率選取

依據文獻[11]劃分船體17種腐蝕環境，總結艙室內典型結構的構件單面年腐蝕速率，如表2所示。

表2 構件單面年腐蝕速率 mm/a

不同平臺結構兩側所處的腐蝕環境不同，按照表2給出的17種在腐蝕環境下的腐蝕速率，兩種腐蝕速率疊加即可獲得該結構的腐蝕速率。

1.4.2 考慮腐蝕損傷的LC有限元模型修正

考慮腐蝕的LC有限元模型修正，即對有限元模型進行LC腐蝕折減，在船體結構初始厚度的基礎上扣除腐蝕量。因此，需要在腐蝕模型中將FPSO船體結構的加強筋、帶板厚度定義為包含腐蝕時間的變量。考慮腐蝕折減的板厚t的變量表達式為

t=t0-(Vi+Vj)T

(1)

式中：t0為板格的原始厚度；T為腐蝕時間，所使用的模型認為由于涂層對船體的保護作用，投入使用前5年船體不發生腐蝕；Vi、Vj分別為船體板格結構兩側的實際腐蝕環境對應表2中的腐蝕速率。通過改變輸入的時間T，模型板厚t可自動改變。

在ANSYS軟件中，殼單元厚度通過實常數體現，使用程序將各實常數與對應變量t關聯，根據腐蝕時間T更改變量數值t，通過重新附屬性，完成有限元模型更新。貨艙區域板厚變量分布如圖4所示。

圖4 貨艙區板厚變量分布

更新有限元模型，生成不同腐蝕年限整船或某艙段的板厚云圖，如圖5所示。由于船舶受到腐蝕損傷影響，板格厚度隨船舶服役年限增加而逐漸減小。

1.5 有限元計算結果

有限元計算考慮在LC內腐蝕損傷對結構強度的影響，依據第1.4節所述的腐蝕模型對各服役年限構件的厚度進行減薄。使用ANSYS軟件更新模型厚度并加載計算，計算不同服役年限的結構響應。提取殼單元中面位置的等效應力，根據規范進行屈服和屈曲計算，以服役30 a、滿載中拱為例，有限元計算結果如圖6所示。

圖5 隨服役年限增加的板厚變化

圖6 服役30 a、滿載中拱的船體結構應力云圖

2 FPSO船體結構強度LC演變特性

強度評估規范及許用屈服利用因子、許用屈曲利用因子的選取參照文獻[11]。

2.1 屈服強度演變特性

使用自主開發的船體結構屈服強度計算軟件進行屈服計算。軟件通過提取ANSYS計算的殼單元中面位置的von Mises應力和材料屈服強度，計算得到單元屈服利用因子λy，表達式為

(2)

式中：σvm為單元中面位置的von Mises應力，MPa；σyd為材料的屈服應力，MPa。

軟件還可將各單元的屈服利用因子通過云圖展示出來，以服役30 a、滿載中拱為例，給出船體結構屈服利用因子計算結果，如圖7所示。

圖7 服役30 a、滿載中拱的船體結構屈服利用因子云圖

根據計算結果可判斷出船體結構的屈服利用因子均小于許用屈服安全因子，服役30 a的屈服強度符合規范要求。同理可計算出在LC內不同服役年限船體結構屈服利用因子，結果如表3所示。

通過計算30 a設計壽命期內各服役年限船體結構的屈服利用因子并繪制變化曲線(見圖8)可知：受腐蝕損傷影響，各構件厚度變薄，應力增大，屈服利用因子逐漸增加。服役30 a的最大屈服利用因子發生在舷側板，達0.390 0，此時結構滿足屈服要求。整理船體結構的屈服利用因子演變趨勢可知：初始服役階段屈服強度利用因子增長接近線性；隨服役時間增加，屈服強度利用因子增長逐漸加快，需要及時關注船體結構安全狀態，增加監測頻率。

2.2 屈曲強度演變特性

使用自主開發的船體結構屈曲強度計算軟件進行屈曲計算。軟件通過提取ANSYS計算得到的各單元應力，使用基于應力的參考應力法，將板單元中心位置的應力變換至所屬板格局部坐標系下的應力分量，進而求解板格在4種失效模式下的極限狀態方程，即

(3)

表3 在LC內船體結構屈服利用因子變化

圖8 在LC內船體結構屈服利用因子變化趨勢

式中：γc1、γc2、γc3、γc4分別為對應上述4種失效模式下的應力倍增因子；σx為施加在板格邊緣上沿x軸方向的應力，N/mm2；σy為施加在板格邊緣上沿y軸方向的應力，N/mm2；σcx為沿與屈曲板格長邊平行方向的極限屈曲應力，N/mm2；σcy為沿與屈曲板格短邊平行方向的極限屈曲應力，N/mm2；S為分項安全因子，在計算程序中取S=1.0；e0、B分別為規范給出的系數；τ為施加在板格邊緣上的剪應力，N/mm2；τc為極限屈曲剪應力，N/mm2；βp為板的長細比參數。

求解式(3)可得出船體結構在不同失效模式下的應力倍增因子，取最小值作為船體結構發生失效的應力倍增因子γc，即

γc=min(γc1,γc2,γc3,γc4)

(4)

最終得到板格的屈曲利用因子ηact，即

(5)

以服役30 a、滿載中拱為例，給出船體結構屈曲利用因子計算結果，如圖9所示。

根據計算結果可判斷船體結構板格的屈曲利用因子均小于許用屈曲安全因子，服役30 a的屈曲強度符合規范要求，即板格的穩定性符合要求。同理可計算出在LC內不同服役年限船體結構的屈曲利用因子，結果如表4所示。

通過計算30 a設計壽命期內各服役年限船體結構的屈曲利用因子并繪制變化曲線(見圖10)可知：受腐蝕損傷影響，各構件厚度變薄，應力增大，此時屈曲利用因子逐漸增加，板格失穩概率升高。服役30 a的最大屈曲利用因子發生在舷側內板和外底板，達0.780 0，此時結構滿足屈曲要求。整理船體結構的屈曲利用因子演變趨勢可知：在初始服役階段屈曲強度利用因子增長接近線性；隨服役時間增加，屈曲強度利用因子增長逐漸加快，需要及時增加監測頻率，保護船體結構安全。

3 結 論

依據規范中的屈服強度和屈曲強度計算方法，對FPSO船體結構強度進行評估，證明在服役時間達到設計壽命時，FPSO船體的屈服強度和屈曲強度滿足要求。對比屈服強度與屈曲強度變化規律可知：船體結構的屈曲利用因子普遍高于屈服利用因子；隨腐蝕發展，船體結構首先發生屈曲破壞，這符合船舶與海洋結構物作為薄壁焊接結構，容易發生失穩破壞的規律；在初始服役階段屈服強度和屈曲強度利用因子增長接近線性；隨服役時間增加，屈服強度和屈曲強度利用因子增長逐漸加快，在服役后期乃至服役超期時，需要及時增加船體結構監測頻率，對腐蝕嚴重區域及時更新維修，保護船體結構安全。

圖9 服役30 a、滿載中拱的船體結構屈曲利用因子云圖

表4 在LC內船體結構屈曲利用因子變化

圖10 在LC內船體結構屈曲利用因子變化趨勢

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