FPSO總縱強(qiáng)度計(jì)算方法分析

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

為了保障FPSO在惡劣環(huán)境條件下作業(yè)和生存安全，必須具有足夠的總縱強(qiáng)度。航行船舶通常采用規(guī)范公式計(jì)算，鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范對(duì)于船舶的總縱強(qiáng)度計(jì)算有明確的規(guī)范公式計(jì)算方法，這些方法是以無限航區(qū)(北大西洋20年一遇的波浪條件)和過去成功的船舶設(shè)計(jì)實(shí)踐為基礎(chǔ)制定的，這也是FPSO初始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。海洋工程結(jié)構(gòu)一般采用直接計(jì)算法，即利用流體動(dòng)力分析和詳細(xì)的結(jié)構(gòu)有限元分析。兩種計(jì)算方法在很多情況下結(jié)果差異很大，國際主要船級(jí)社普遍提高了對(duì)FPSO總縱強(qiáng)度的要求[1]。

1 總縱強(qiáng)度的概念

通常把船體視為一變截面空心梁，沿船長方向作用著非均勻分布的重力和浮力以及流體擾動(dòng)力?？偪v強(qiáng)度計(jì)算的主要工作是求解靜水彎矩Ms、波浪彎矩Mw和船體橫截面模數(shù)。

1)總彎矩Mt=Ms+Mw。

2)剖面模數(shù)W。按船體舯剖面圖給出的甲板、船底和舷側(cè)以及縱艙壁板厚、縱向骨材的規(guī)格尺寸計(jì)算剖面模量。

3)許用應(yīng)力[σ]。規(guī)范規(guī)定：普通強(qiáng)度鋼[σ]=175 MPa，F(xiàn)PSO通常采用的高強(qiáng)鋼32[σ]=224 MPa，高強(qiáng)鋼36[σ]=243 MPa。

4)應(yīng)滿足[σ]≥Mt/W條件。

2 靜水彎矩

2.1 主要因素影響

由于重力和浮力分布不均勻而產(chǎn)生靜水荷載、靜水剪力和彎矩。船體依靠水的浮力漂浮在水面上，水是船體梁的彈性基礎(chǔ)。計(jì)算時(shí)，假設(shè)船體靜止在平靜的水面上或波浪上。與具有剛性基礎(chǔ)的普通梁不同，不能用一個(gè)簡單的公式求解其彎矩和剪力，而需要進(jìn)行比較繁瑣的表格積分。影響靜水彎矩的主要因素如下。

1)船體線型。FPSO不航行或很少航行，有些設(shè)計(jì)方將船艏和船艉設(shè)計(jì)得很肥大，忽視線型設(shè)計(jì)。艏、艉尖艙往往作為壓載艙用，當(dāng)貨油艙滿載時(shí), 艏、艉尖艙為空艙，艏、艉段的浮力大于常規(guī)運(yùn)輸油船。

2)重量分布。貨油艙位于船中，滿載時(shí)貨油重量約占全船重量的3/4～4/5；工藝設(shè)施及支撐結(jié)構(gòu)等大部分重量占全船重量的比例較小，通常也位于船中。

2.2 直接計(jì)算方法

設(shè)計(jì)方應(yīng)考慮采用合理的重力-浮力分布，降低靜水彎矩。靜水彎矩計(jì)算步驟如下。

1)建立重力分布曲線。把空船重量(包括船體結(jié)構(gòu)、舾裝和機(jī)電重量等)和載重量按其重心位置和所占區(qū)間、按一定規(guī)則沿船長進(jìn)行分布。

2)建立浮力分布曲線。根據(jù)船體線型，按照重力=浮力、重心和浮心在同一垂線上的平衡理論，求解浮力沿船長的分布。

3)建立載荷分布曲線。載荷等于重力和浮力的差值，載荷沿船長的分布稱為載荷曲線。

4)建立剪力分布曲線。剪力分布曲線等于載荷曲線沿船長的一次積分。

5)建立彎矩分布曲線。彎矩分布曲線等于剪力沿船長的一次積分。

2.3 FPSO減小靜水彎矩的方法

通常，F(xiàn)PSO滿載時(shí)靜水彎矩中垂?fàn)顟B(tài)大于中拱狀態(tài)，中垂彎矩是設(shè)計(jì)的控制條件。這是由于貨油艙位于船的中部，滿載時(shí)，船中重力大，兩端浮力大造成的。可以通過合理設(shè)計(jì)船體線型，調(diào)節(jié)浮力分布，優(yōu)化總布置，改善重力分布來達(dá)到減小靜水彎矩的目的。一方面可以采用折線形縱艙壁，減小船中貨油裝載重量，另一方面艏艉與航行船舶一樣設(shè)計(jì)成流線型，減少艏、艉空艙空間。FPSO艏艉設(shè)計(jì)肥大，不但不利于減小靜水彎矩，而且對(duì)于系泊力的影響也是很大的。

圖1折線形縱艙壁，為某FPSO增大船中部的壓載艙和減小貨油艙的工程實(shí)例。通過調(diào)整船中部貨油艙和壓載艙布置，靜水彎矩從600萬kN·m下降到400萬kN·m，效果相當(dāng)明顯，使船體總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)趨于合理。

圖1 折線形縱艙壁

3 波浪彎矩

3.1 影響波浪彎矩的主要因素

船在不規(guī)則海浪中的總響應(yīng)是各成分波響應(yīng)的總和。海浪中的彎矩和運(yùn)動(dòng)一樣是波高的線性函數(shù)。不規(guī)則波中的動(dòng)力彎矩也是各成分波產(chǎn)生動(dòng)力彎矩的總和。影響波浪彎矩的主要因素如下。

1)船體主尺度、尺度比和船型系數(shù)。常規(guī)運(yùn)輸油船的方形系數(shù)Cb約為0.8，而FPSO的Cb大于0.9，方形系數(shù)增加，則波浪彎矩增大。

2)重量沿船長方向的分布。

3)波譜形式。波譜不同，能量隨著頻率的分布就不同。例如JONSWAP譜，大部分能量集中在一個(gè)狹窄的頻帶內(nèi)，其響應(yīng)不同于其他波譜。

4)波向。通常，迎浪時(shí)垂向波浪彎矩最大。

總的來說，波浪彎矩主要取決于船體水線面形狀、橫剖面形狀、重力矩(即艏、艉段的分布重力對(duì)中剖面的一次矩)、慣性半徑以及波浪參數(shù)。

3.2 波浪彎矩直接計(jì)算方法

規(guī)則波可以用簡單的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，船對(duì)規(guī)則波的響應(yīng)可以用解析法來求解。然而，風(fēng)在海面上形成的波浪是極不規(guī)則的，不能用一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)公式來表達(dá)。也就是說，不能用解析法求解船在不規(guī)則波中的響應(yīng)。

譜分析法就是把不規(guī)則波分解為許許多多波高不同、周期不同的規(guī)則波(成分波), 分別求解船對(duì)每個(gè)(構(gòu)成不規(guī)則波的)成分波的響應(yīng)，然后將這些響應(yīng)線性疊加, 得出對(duì)不規(guī)則波的總響應(yīng)[2]。從波譜(遭遇譜)到波浪彎矩響應(yīng)譜的計(jì)算過程見圖2。

圖2 不規(guī)則海浪中波浪彎矩預(yù)報(bào)

船在不規(guī)則波浪中的彎矩與船在不規(guī)則波浪中的運(yùn)動(dòng)一樣，也是波高的線性函數(shù)。求彎矩與求解運(yùn)動(dòng)的做法大體相同。首先，建立FPSO船體的計(jì)算機(jī)模型。然后，進(jìn)行下列步驟。

1)選擇適合作業(yè)海區(qū)的波譜并將其轉(zhuǎn)換成遭遇譜Sζ(ωe)。

2)求出頻率響應(yīng)函數(shù)Mw/ζa=2MwρgL2B, 即單位波幅的規(guī)則波產(chǎn)生的彎矩。而響應(yīng)幅算子RAO是頻率響應(yīng)函數(shù)的平方，即RAO= (Mw/ζa)2。

3)計(jì)算彎矩響應(yīng)譜密度SR(ωe)=RAO(ωeζ)×Sζ(ωe)。

4)通過辛普生積分求出彎矩響應(yīng)譜曲線下的面積mo。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)理論求出波浪彎矩的1/3、1/10、1/100和1/1 000最大值。除了通過計(jì)算求解RAO外，也可以通過水池模型試驗(yàn)求出RAO，然后將其與波譜聯(lián)系起來，求出波浪彎矩。

3.3 波浪彎矩計(jì)算實(shí)例

通常，F(xiàn)PSO承受的波浪至少按100年重現(xiàn)期考慮，而常規(guī)運(yùn)輸油船承受的波浪為北大西洋20年一遇重現(xiàn)期。波浪彎矩的計(jì)算是復(fù)雜的，目前還沒有在FPSO上優(yōu)化相關(guān)參數(shù)減小波浪彎矩的工程案例。表1給出了4艘FPSO的靜水彎矩和波浪彎矩的規(guī)范值、計(jì)算值和實(shí)際取值。

表1 4艘FPSO的靜水彎矩和波浪彎矩

表中的規(guī)范值為按規(guī)范給定的公式計(jì)算得出的值。

計(jì)算值：靜水彎矩系按實(shí)際浮力減去重力得出的荷載分布，沿船長兩次積分。

波浪彎矩系按FPSO所在油田海況(波浪條件)通過水動(dòng)力計(jì)算得出的。

實(shí)際取值：即校核總縱強(qiáng)度時(shí)選用的值。

從上述計(jì)算分析結(jié)果，產(chǎn)生下述想法。

1)南海的FPSO，波浪彎矩在總彎矩中起主導(dǎo)和控制作用，應(yīng)設(shè)法降低波浪彎矩。

2)渤海的FPSO，靜水彎矩起主導(dǎo)和控制作用，因此降低靜水彎矩對(duì)降低總彎矩作用較大。

4 船體橫截面模數(shù)

船體為加筋板架形成的箱型結(jié)構(gòu)，它的作用是形成巨大的封閉空間，同時(shí)形成承受各種載荷的箱型梁。箱型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般板梁結(jié)構(gòu)和普通型鋼結(jié)構(gòu)。在求解截面慣性矩I和模數(shù)W時(shí)，將其簡化為等效梁，按材料力學(xué)的基本理論求解。甲板和船底最好為縱骨架式，以增加參與船體梁總縱彎曲的構(gòu)件數(shù)量[3]。加大型深對(duì)提高剖面模數(shù)是很有效的。

5 結(jié)論

船舶總縱強(qiáng)度計(jì)算遵循《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。在國際船級(jí)社協(xié)會(huì)成員的規(guī)范中，這些規(guī)定是一致的。但是，F(xiàn)PSO總縱強(qiáng)度計(jì)算校核與常規(guī)運(yùn)輸油輪不同，由于船型、裝載以及所處海域環(huán)境條件的差異，在環(huán)境條件惡劣海域下，按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式確定的靜水彎矩和波浪彎矩，可能遠(yuǎn)低于FPSO船體可能承受的值，實(shí)踐表明，環(huán)境條件惡劣海域直接計(jì)算得出的波浪彎矩約為規(guī)范值的1.4～1.5倍。而在溫和海域，直接計(jì)算得出的波浪彎矩又小于規(guī)范計(jì)算值。

目前，船級(jí)社普遍認(rèn)可在溫和海域，或者海域100年重現(xiàn)期的有效波高小于8.5 m，并滿足主船級(jí)對(duì)船體總縱強(qiáng)度的要求，則不要求直接計(jì)算。其他情況下，則必須進(jìn)行直接計(jì)算。在我國渤海灣有效波高均小于8.5 m，可以不進(jìn)行直接計(jì)算；南海百年重現(xiàn)期有效波高通常超過10 m，必須進(jìn)行直接計(jì)算。

[1] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì).海洋石油工程FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2007.

[2] 楊利敏.超大型FPSO結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度隨機(jī)可靠度計(jì)算[J].中國海洋石油平臺(tái)，2007,(5):14-18.

[3] 中國船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[S].北京:人民交通出版社,2001.

[4] 中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.