圓筒型FPSO阻尼板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法研究

周書敏 楊 玥 王 璞

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（Floating Production ，Storage and Offloading， FPSO），作為一種兼有原油處理、儲(chǔ)存和卸油功能的浮式油氣生產(chǎn)設(shè)施，廣泛應(yīng)用于深海油田的生產(chǎn)開發(fā)中。目前工程中應(yīng)用較為廣泛的有船型FPSO與圓筒型FPSO。相比于船型FPSO，圓筒型FPSO具有以下優(yōu)勢(shì)：浮體各向同性，無(wú)風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，可節(jié)省單點(diǎn)系統(tǒng)布置空間與設(shè)備費(fèi)用；甲板面積較大且浮體總縱變形較小，利于上部模塊布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

前期研究表明：圓筒型FPSO運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)于船型FPSO，但由于圓筒型FPSO的水線面面積較大，在波浪中垂蕩性能較差，影響生產(chǎn)作業(yè)的效率與安全性。目前主要采用設(shè)置阻尼板的方法來(lái)改善其運(yùn)動(dòng)性能。阻尼板通常為與柱型筒體相連的懸臂梁式箱型結(jié)構(gòu)。阻尼板的設(shè)置可增加整體排水體積，底部新增的壓載水艙可有效降低整體垂向重心分布，提高整體穩(wěn)性；增加整體的附連水質(zhì)量與黏性阻尼，有效降低垂蕩及橫搖運(yùn)動(dòng)。阻尼板作為懸伸結(jié)構(gòu)，在減小垂蕩運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也承受較大的波浪載荷，因此阻尼板及其與筒體連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核是圓筒型FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖1 圓筒型FPSO示意圖

1 概 述

對(duì)于阻尼板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，通過構(gòu)件規(guī)范計(jì)算確定其初步結(jié)構(gòu)尺寸后，還需根據(jù)阻尼板在實(shí)際環(huán)境中可能遭遇的最大外界載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核。本文以某型圓筒型FPSO的阻尼板結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，從目標(biāo)設(shè)計(jì)載荷的選取，黏性阻尼的加載以及子模型法的應(yīng)用，對(duì)阻尼板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行探討。

本文中圓筒型FPSO主要參數(shù)見表1。

表1 圓筒型FPSO主要參數(shù)m

2 Morison模型

圓筒型FPSO的垂蕩性能主要受兩方面因素影響：結(jié)構(gòu)物垂蕩運(yùn)動(dòng)自身的固有周期和垂蕩運(yùn)動(dòng)過程中的水動(dòng)力阻尼，結(jié)構(gòu)物垂蕩的固有周期不僅由結(jié)構(gòu)物自身的質(zhì)量分布決定，也受到垂蕩運(yùn)動(dòng)中的附加質(zhì)量影響。

結(jié)構(gòu)物垂蕩運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力阻尼主要由波浪輻射阻尼（又稱勢(shì)流阻尼）與黏性阻尼組成。

勢(shì)流阻尼是浮體振蕩在自由水面產(chǎn)生波浪而耗散能量產(chǎn)生的阻尼。黏性阻尼則是因?yàn)楹Ｋ哂叙ば远稹鹘y(tǒng)勢(shì)流理論對(duì)于勢(shì)流阻尼的研究和預(yù)報(bào)已相對(duì)成熟，而黏性阻尼對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的流場(chǎng)作用機(jī)理尚未十分明確。

是否考慮黏性作用的影響，對(duì)于圓筒型FPSO垂蕩響應(yīng)幅值的差異極為明顯。阻尼板作為有效增加圓筒型FPSO運(yùn)動(dòng)阻尼的結(jié)構(gòu)裝置，如何準(zhǔn)確模擬阻尼板的黏性阻尼作用極為關(guān)鍵。本文采用Morison法來(lái)模擬阻尼板的黏性阻尼載荷。

根據(jù)Morison公式：

式中：

C

為慣性力系數(shù)，確定慣性力的大小；

C

=

C

+1，

C

為附加質(zhì)量系數(shù)；

C

為拖曳力系數(shù)，確定拖曳力的大小。

本文采用DNVGL SESAM軟件來(lái)完成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。阻尼板的黏性阻尼模型見圖2。

圖2 黏性阻尼模型

3 目標(biāo)載荷

隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)波法已廣泛應(yīng)用于海洋工程的載荷預(yù)報(bào)。不同于船型FPSO以不同裝載工況下的最大彎矩和剪力的載荷形式作為設(shè)計(jì)校核指標(biāo)，針對(duì)圓筒型FPSO外型的特殊性，圓筒型結(jié)構(gòu)的中心對(duì)稱性使得總縱彎矩與剖面剪力不再是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主控載荷。相對(duì)于環(huán)境載荷而言，構(gòu)件的壓力載荷成為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。

對(duì)于阻尼板結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件的規(guī)范計(jì)算中，計(jì)算壓頭為其決定性因素。因此，以構(gòu)件的最大壓頭作為設(shè)計(jì)波載荷。在以外板構(gòu)件為設(shè)計(jì)校核目標(biāo)時(shí)，選取最大外部水壓，即外板處最大波高作為設(shè)計(jì)波。而對(duì)于阻尼板內(nèi)部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則需考慮其所處液艙內(nèi)的液面載荷作用，故選取液艙內(nèi)的最大液貨加速度作為設(shè)計(jì)波載荷。

在模型計(jì)算分析中，采用Morison單元來(lái)模擬阻尼板的黏性阻尼。根據(jù)Morison公式可知，黏性阻尼與速度相關(guān)。對(duì)于阻尼板的垂蕩運(yùn)動(dòng)而言，其黏性阻尼與其垂向速度相關(guān)，故選取阻尼板外側(cè)處的垂向速度作為設(shè)計(jì)波載荷；另一方面，對(duì)于阻尼板的勢(shì)流阻尼而言，通過阻尼板外側(cè)板高度方向的壓力差可用來(lái)表征勢(shì)流阻尼的作用。

結(jié)合阻尼板所在位置的特殊性，本文從以下4個(gè)方面作為設(shè)計(jì)波的選取原則，參見圖3。

圖3 設(shè)計(jì)波選取原則

4 計(jì)算模型

對(duì)于圓筒型FPSO的各種裝載工況（生存工況滿載/壓載/半滿載，工作工況滿載/壓載/半滿載），在目標(biāo)載荷的作用下，采用總強(qiáng)度模型（即整個(gè)圓筒模型，參見下頁(yè)圖4）進(jìn)行強(qiáng)度分析，找出阻尼板處應(yīng)力水平最高的裝載工況。

圖4 整體模型

對(duì)于本文中的圓筒型FPSO而言，總強(qiáng)度模型中為大尺度網(wǎng)格，無(wú)法表達(dá)阻尼板處的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)以及真實(shí)合理的應(yīng)力分布，因此采用子模型法（約1/4骨材間距）對(duì)阻尼板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化分析。

圓筒型FPSO的阻尼板結(jié)構(gòu)因錨泊系統(tǒng)的布置的存在被分割成3個(gè)部分，且阻尼板內(nèi)部有液艙布置，在子模型的范圍選取時(shí)需綜合考慮阻尼板開口處角隅結(jié)構(gòu)的表達(dá)、液艙內(nèi)艙室液貨壓力的加載、阻尼板自身結(jié)構(gòu)與主筒體結(jié)構(gòu)間的過渡結(jié)構(gòu)，因此阻尼板的局部模型范圍較常規(guī)考慮某一節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)的子模型范圍較大。

圖5 阻尼板處局部模型

5 強(qiáng)度分析與探討

綜合上述各載荷工況及模型處理，對(duì)阻尼板處結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，以Von Mises 應(yīng)力為基礎(chǔ)，根據(jù)DNVGL-OS-C101的規(guī)范要求為應(yīng)力衡準(zhǔn)，各計(jì)算工況下最大應(yīng)力結(jié)果匯總于表2。

表2 阻尼板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力結(jié)果匯總

從計(jì)算結(jié)果可見，各區(qū)域結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力結(jié)果均出現(xiàn)在以阻尼板黏性阻尼與勢(shì)流阻尼為目標(biāo)載荷的載荷工況中。阻尼板相關(guān)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力結(jié)果出現(xiàn)在阻尼板斜板頂端對(duì)應(yīng)的水平桁上，即阻尼板與筒體的連接過渡區(qū)域處。當(dāng)阻尼板自身的結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)，其自身的應(yīng)力水平在規(guī)范許用的范圍之內(nèi)，阻尼板與主筒體的連接過渡結(jié)構(gòu)較為危險(xiǎn)。由此可見，阻尼板與筒體的過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)考慮外部水壓與液貨壓力的載荷工況外，還應(yīng)考慮以阻尼板黏性阻尼與勢(shì)流阻尼為目標(biāo)載荷的工況載荷。

此外，阻尼板斜板上端部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平明顯高于下端部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。在本文所考察的圓筒型FPSO阻尼板結(jié)構(gòu)中，斜板與筒體外板和水平板的過渡角均為45°，參見圖6～10。根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)果，僅從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度出發(fā)，在后續(xù)的阻尼板斜板優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮增大阻尼板與筒體的過渡角，減少阻尼板上方結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)突變引起的應(yīng)力集中程度。

圖6 主筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖7 阻尼板斜板頂端區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖8 阻尼板斜板底端區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖9 阻尼板內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖10 阻尼板斜板頂端水平桁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過Morison法模擬圓筒型FPSO阻尼板處的黏性阻尼載荷。以阻尼板處最大壓力及最大阻尼力作為目標(biāo)設(shè)計(jì)載荷，采用子模型法校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；以總強(qiáng)度分析得到的變形及作為子模型邊界條件，對(duì)阻尼板及其與筒體連接區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。由計(jì)算結(jié)果分析可知：對(duì)于阻尼板及其與筒體連接區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，以阻尼板黏性阻尼與勢(shì)流阻尼為目標(biāo)載荷的載荷工況為其主控工況；在對(duì)阻尼板斜板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可通過調(diào)整斜板過渡角度來(lái)合理分配阻尼板斜板上下端部區(qū)域的應(yīng)力分布，進(jìn)而優(yōu)化阻尼板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

考慮到本文的研究工作有一定的局限性，后續(xù)對(duì)于阻尼板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究可從以下兩方面繼續(xù)深入：

（1）在模擬阻尼板黏性阻尼影響時(shí)，對(duì)于黏性阻尼模型中的附加質(zhì)量力系數(shù)與拖曳力系數(shù)，若有相應(yīng)的試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正更佳；

（2）在設(shè)計(jì)波法中，除本文所列的目標(biāo)載荷外，也可選取其他能造成較大結(jié)構(gòu)響應(yīng)的載荷控制參數(shù)進(jìn)行研究。