FPSO上部模塊支墩結構疲勞強度分析

2021-09-07 17:31:50王柱

船舶 2021年4期

王柱

（大連中遠海運重工有限公司大連 116113）

引言

隨著海洋油、氣產量占全球總產量的比例逐漸增加，海洋工程項目的建造和改裝市場越來越活躍，而浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）因其自身的優勢而備受海洋工程市場青睞。FPSO具有適用環境范圍廣、甲板面積寬闊、儲油能力強、應用靈活移動方便、可重復使用和生產系統投產快等特點，廣泛應用于深海油氣田資源開發。FPSO為原油的鉆探、生產、加工等設備按功能構成的上部結構（Topside）與生產原油的儲藏和支撐結構，包括用于原油的鉆探、油氣工藝處理、原油的儲藏和其他功能的上部模塊，以及用于支撐上部模塊和儲存已生產原油的船體結構。模塊支墩結構是上部模塊與FPSO船體主甲板之間的連接結構。上部模塊支墩布置在整個FPSO貨油艙段主甲板上，在模塊支墩結構設計中除考慮上部模塊自重、慣性力及風載等載荷的同時，還應注意船體梁整體彎曲變形的影響。在上述載荷作用下，上部模塊及其支撐船體結構之間的相互作用取決于連接它們的支墩結構。因此，對支墩結構的疲勞控制提出了較為嚴格的要求，從最初的設計階段就應考慮支墩結構疲勞強度。在本研究中，針對E-house模塊的支墩結構進行疲勞強度評估，其結構上可能出現的疲勞熱點是否滿足設計要求，是設計者和使用者最為關心的問題之一。

1 模塊支墩結構和計算模型

E-house模塊安裝在FPSO的右舷60 ~ 66號框架之間，詳見圖1。整個模塊和支墩結構的設計質量約1 010 t。模塊底部設計為一個平臺作為支撐基礎，所有工藝設備和管道都安裝在該平臺上。平臺由支撐柱支撐，位于船舶上甲板上方5.5 m處。甲板上支撐肘板用于將支撐柱連接至船舶上甲板，且采用焊接方式剛性連接。這些支撐肘板板厚20 mm，大部分與船舶橫向對齊，充當柔性接頭，將船體對上部模塊結構的彎曲效應降至最低。由于模塊支墩上的肘板結構承擔了船體的大部分彎曲變形和上部的全部荷載，因此這些節點對疲勞最為敏感。

圖1 E-house模塊在FPSO上的布置

FPSO設計疲勞年限為21 a，上部模塊支墩結構疲勞設計，根據規范《DNV-OS-102 Structure Design of Offshore Ships，2015》，結構疲勞按非關鍵、可檢查和修復區域考慮，設計疲勞系數DFF = 2.0。

疲勞評估之前，需對模塊及其支墩結構進行結構強度計算，故使用STAAD Pro軟件對整個E-house模塊進行建模和結構強度分析（詳見圖2），以獲取各工況下最危險的模塊支墩。

圖2 E-house模塊的計算模型

用Femap v10.1軟件對模塊支墩進行建模。有限元建模過程中，為將邊界條件對校核結果的影響降至最低，典型支墩有限元模型建模范圍在船長方向延伸到前后的強肋位（肋位間距為5 120 mm），在船寬方向延伸3個縱桁間距（縱桁間距為910 mm）。支墩結構包括支撐管及其加強肘板，甲板上的支撐肘板及部分船體結構采用板單元進行模擬，單元大小200 mm×200 mm，其中為了得到用于評估支墩結構疲勞性能計算所需的局部熱點應力數據，將支撐管和甲板上支撐肘板的網格單元大小細化為

（20 mm×20 mm），詳見圖3。

圖3 典型支墩的有限元模型

此外，考慮到結構腐蝕對模塊支墩疲勞計算的局部熱點應力的影響，根據規范考慮支墩結構區域的結構腐蝕厚度取

= 1.0 mm，在有限元建模的過程中將其扣除。

2 載荷和計算工況

E-house模塊支墩的疲勞評估主要考慮2個工況：操作工況，設計疲勞壽命21 a；拖航工況（中國-巴西），設計疲勞壽命75 d。

FPSO上部模塊承受的載荷包括：由波浪所產生的船體梁中拱或中垂變形的船體梁載荷，航行過程中的慣性力，以及模塊高度的風壓力。據此考慮的各種工況下找出最危險的模塊支墩，進而展開疲勞強度評估。

2.1 風壓力

對于FPSO上部模塊的疲勞強度評估，取最大重現期為10 a的風載進行計算。風壓的計算依據《API Recommended Practice 2A，2000》的規范展開。在具體工況的設定中，應將風壓力考慮8個主要方向，并且與模塊自身的慣性力方向耦合，表1為FPSO的部分模塊的風速數據。

表1 風速數據

2.2 慣性力

E-house模塊在操作工況和拖航工況時的加速度，根據表2的數據考慮。

表2 慣性力數據g

2.3 船體梁變形

船體梁變形是將FPSO考慮為簡支梁，以簡支梁理論為基礎，且主要是考慮由波浪垂向彎矩引起的船體梁變形。船體梁的簡化模型見圖4。

圖4 船體梁模型

船體梁變形按下述公式計算：

式中：

為船體艏柱與艉柱間的船長，m；

為彎轉半徑，m；按式（2）計算。

式中：

為楊氏彈性模量，2.06×10N/m；

為船體梁的慣性矩（對船舶橫向軸），m；

為船體梁的垂向彎矩，N·m。

在船舶滿載狀態與10超越概率下的波浪進行計算，作用在船體梁上的最大彎矩值在操作工況和拖航工況的最大變形值歸納在表3中。依據《ABS Floating Production Installations，2014》，將波浪垂向彎矩的在船長方向具體分布，見圖5。進而得出E-house模塊所在相關肋位的船體梁變形數據。

表3 最大彎矩數據

圖5 波浪彎矩分布系數圖

3 模塊支墩結構的疲勞強度評估

結合不同結構材料的許用屈服強度和各工況，通過軟件STAAD Pro對E-house模塊的強度校核結果，找出結構強度利用系數最大的模塊支墩結構，編號為2448的模塊支墩結構利用系數最大，利用系數分別為在操作工況0.407和在拖航工況0.42（具體詳圖6和圖7），故選擇編號2448的模塊支墩結構作為典型結構來進行疲勞強度校核。