FSRU動力模塊及支撐結構強度評估

向小斌

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

浮式儲存再氣化裝置（Floating Storage and Re-gasification Unit，FSRU）是集液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）接收、存儲、轉運、再氣化外輸等多種功能于一體的特種裝備。在LNG再氣化過程中，需要龐大的電力消耗，因此在FSRU上往往會配置一個動力模塊為LNG 的再氣化提供能源支持。

FSRU 無論停靠碼頭在FSRU 模式下還是作為液化天然氣船（Liquefied Natural Gas Carrier，LNGC）在航行模式下，由于船會隨著不同的海況，產生變形及應力響應，其上配置的模塊在船舶運動狀態下也會產生相應的結構響應，結構的安全是船舶海上航行的基石，在設計初期就要對結構在可能的各種狀態進行強度分析，從而保證結構的強度及安全。

本文以某LNG 船改裝為FSRU 加裝的動力模塊為研究對象，根據其運營，運輸過程中經歷的極限狀態進行模塊，模塊支撐件及主船體結構有限元直接計算，得到合理可行的結構設計方案。

1 動力模塊及FSRU 基本情況

本動力模塊長18 m、寬24 m、總高31 m，共分6 層。根據使用需要每層高度略有不同，最下層為發電機間，第2 層為發電機控制及為發電機正常工作的配置區域，第3 層為高、低壓電力配置及變電區域，第4 層及以上為鍋爐、焚燒爐等輔助設施配置區域。模塊采用普通碳鋼建造，模塊支撐構件部分高應力區部分采用高強度鋼。

模塊重量重心及FSRU 主尺度見表1 和表2。

表1 模塊各部分質心

表2 FSRU 主尺度

2 動力模塊有限元模型

本文采用Sesam Genie 進行有限元建模，分析工具為Sestra，后處理工具為Xtract。在結構線彈性范圍內進行強度分析。

模型包含了動力模塊，模塊支撐結構及主船體結構，具體范圍如下：垂向從船舶基線到模塊頂端，橫向范圍為船舶左舷到右舷，縱向范圍為艉封板到18 號肋位。

模型坐標系選取如下：x軸正向沿船體縱向指向艏部，y軸正向沿船寬方向指向左舷，z軸正向垂直于基線指向上方。

有限元整體模型見圖1，模型完全按照結構設計尺寸等比例建模，模型中主要設備采用質量單元進行模擬，其余結構采用板或梁單元進行模擬，見圖2～圖4。

圖1 整體有限元模型示意圖

圖2 動力模塊發電機質量模擬示意圖

圖3 動力模塊電氣主要設備模擬示意圖

圖4 動力模塊輪機主要設備模擬示意圖

3 分析輸入條件

根據本船入籍要求，對于在碼頭系泊工作模式采用英國勞氏船級社（Lloyd's Register of Shipping，LR）相關規范[1]進行強度評估；對于運輸模式則采用LR 對LNG 運輸船的相關要求進行強度評估。

計算主要考慮的載荷為永久性載荷（Permanent Load，PL），功能性載荷（Functional Load，FL），可變載荷（Live load，LL），碼頭系泊加速度（Site Inertial Load，SIL），航行加速度（Transit Inertial Load，TIL），風載荷（Wind Load，WL），船體梁變形（Hull Deformation，HD），碰撞載荷（Accidental Load，AL），上浪載荷（Green sea load，GL）等。

3.1 永久性載荷及功能性載荷

永久性載荷主要為結構、電纜、舾裝件、設備等的自重，見表1；功能性載荷主要為設備運轉時產生的動態載荷。由于模塊處于設計階段，質量未完全確定，在設計時需考慮裕度如下：

1）焊接材料及油漆系數取0.03。

2）質心移動系數取0.05。

3）質量裕度系數取10%。

根據設備資料，設備運轉時的動態載荷可忽略不計。在實際分析中，對于主要設備取10%設備自重作為其運轉時的動態載荷進行考慮。

用于模塊整體強度計算的模塊總質量及重心位置見圖5，模塊整體質量約為1 500 t。

圖5 模塊質心模擬

3.2 可變載荷

可變載荷主要為人員行走時的載荷，參照LR規范[1]的相關要求，實取5 kN/m2，在有限元模型中以面載荷的形式加載于甲板非設備區域。

3.3 加速度載荷

在FSRU 模式時根據工作海域海洋環境數據進行加速度直接計算，得到FSRU 狀態下的加速度。在LNG 運輸船模式時根據相關規范[2]推薦公式進行加速度計算，FSRU 模式及LNGC 模式下加速度值見表3。

表3 模塊運動加速度

3.4 風載荷

根據海洋環境數據，在FSRU 模式下，工作海域的風速取28.2 m/s，作為LNG 船全球航行時風速取36.0 m/s。風壓載荷參照LR 規范[1]進行計算：

式中：Cs為形狀系數，取1；Ch為高度系數，按照高度分布取1.0～1.3；Vref為計算點處風速。

在有限元模型中，風載荷以面壓力的形式施加在模型外表面。

3.5 船體梁變形

由于動力模塊在艉部，下部線型非常尖瘦，靜水彎矩及波浪彎矩均可以忽略，艉部結構可視為懸臂梁結構，在結構自重作用下主要變形形式為梁變形。

3.6 船體碰撞載荷

根據國際海事組織（International Marine Organization，IMO）[3]的相關要求，碰撞載荷取艏向0.50g（g為重力加速度，取9.81 m/s2），艉向0.25g。

3.7 上浪載荷

在FSRU 模式下，由于工作海域浪高較小，無法打到甲板上，因此未考慮上浪載荷。

在LNG 運輸船模式下，上浪載荷根據LR 相關規范[1]進行計算。在艉部區域，距基線21.5 m 處，上浪載荷約50 kN/m2。并考慮上浪載荷沿垂向線性分布，上浪最大高度約26 m。

4 組合計算工況

將第3 節所述各項載荷，即永久性載荷、功能性載荷、可變載荷、碼頭系泊加速度、航行加速度、風載荷、船體梁變形、碰撞載荷、上浪載荷等按照船舶在FSRU模式和LNGC模式這兩種模式下進行結構受力組合。模塊計算組合工況見表4。

表4 模塊計算組合工況

考慮模塊在FSRU 模式時在碼頭系泊狀態下計算工況，由于該工況環境載荷較小，選取主要運動方向進行工況組合，按照逆時針方向每90°設為一個工況，見工況LC-b01～LC-b04。

考慮模塊在LNGC 模式時全球航行狀態下計算工況，由于該工況環境載荷較為惡劣，為細致評估結構受力響應，在主要運動方向基礎上再增加4個中間運動方向進行工況組合，按照逆時針方向每45°設為一個工況，見工況LC-b11～LC-b18；

考慮模塊在FSRU 模式時在碼頭系泊狀態下艏艉方向遭遇碰撞時的計算工況。見工況LC-c025g和LC-c050g。

5 結構許用應力

本模塊及主船體主體結構采用屈服應力為235 MPa 的普通碳鋼。模塊與船體連接結構部分包含2 種材料，一種為屈服應力235 MPa 的普通碳鋼，另一種材料為屈服應力355 MPa 的高強度鋼，根據LR 相關規范[1]，結構剪切應力安全系數取1.89，梁結構軸向應力安全系數取1.25，結構組合應力安全系數取1.11，許用應力見表5。

表5 結構許用應力 單位：MPa

6 分析結果

采用Sesam Genie 有限元分析軟件，計算得到模塊在不同工況下的結構響應。普通鋼結構和高強度鋼結構最大組合應力云圖分別見圖6 和圖7。對于普通鋼結構，最大組合應力發生在主船體橫向框架支柱肘板處；對于高強度鋼結構，最大組合應力發生在模塊與主船體連接肘板處，此處應力集中較為明顯，設計及分析時需要重點關注。普通鋼結構和高強度鋼結構各工況最大結構應力統計分別見表6 和表7，在各種環境載荷條件下，結構各工況最大響應滿足表5 所列許用應力的要求。

圖6 普通鋼結構最大組合應力云圖（單位：Pa）

圖7 高強度鋼結構最大組合應力云圖（單位：Pa）

表6 普通鋼結構各工況最大結構應力統計 單位：MPa

表7 高強度鋼結構各工況最大結構應力統計 單位：MPa

7 結論

本文通過對FSRU 動力模塊及其支撐結構的直接計算分析，得到了所有結構在工作、航行狀態下極限海況的結構響應。通過對計算結果的分析，針對結構的不足采取了加強及優化措施，保障了模塊在實際使用中的完整性和安全性。

傳統計算模式得到的約束處支反力過大，本計算對模塊、模塊支撐件和船體結構一體建模，既可對分項結構進行強度評估，又達到了整體強度評估的要求，還能有效節省加強材料。

在整個模塊的建模過程中，采用質量單元模擬主要設備的方法，既滿足了分析的要求，又達到了設備受力自動分配到支撐結構的效果，顯著減少了人工分解受力帶來的巨大工作量，有效保證了受力分配的可靠性。