FPSO典型節(jié)點(diǎn)疲勞壽命分析

蔣文進(jìn)，李良碧，羅廣恩，朱德欽，衛(wèi) 濤

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

FPSO典型節(jié)點(diǎn)疲勞壽命分析

蔣文進(jìn)，李良碧，羅廣恩，朱德欽，衛(wèi) 濤

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

FPSO在服役期間長(zhǎng)期承受由波浪等引起的不斷變化的交變載荷，為保證其安全工作，有必要對(duì)FPSO進(jìn)行疲勞壽命分析。首先選取FPSO的舭部與船底連接處(典型節(jié)點(diǎn)一)以及肋板與縱艙壁連接的肘板趾端(典型節(jié)點(diǎn)二)作為疲勞校核的典型節(jié)點(diǎn)部位；然后通過(guò)建立典型節(jié)點(diǎn)一和典型節(jié)點(diǎn)二精細(xì)網(wǎng)格有限元模型進(jìn)行局部應(yīng)力分析，由線性插值法得到典型節(jié)點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力；最后基于雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(JTP)中的S-N曲線疲勞分析方法，對(duì)兩處典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命分析，得到疲勞壽命滿足船東50年壽命要求的結(jié)論。

FPSO；典型節(jié)點(diǎn)；疲勞壽命；有限元方法

0 引 言

隨著世界油氣需求增加和邊際油田開采，世界石油公司將大量資金投向海洋石油開發(fā)，深海石油開發(fā)成為關(guān)注的熱點(diǎn)。FPSO由于獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而備受石油公司青睞，開始大規(guī)模運(yùn)用。FPSO在服役期間長(zhǎng)期承受由波浪等引起的不斷變化的交變載荷，因此，疲勞失效成為FPSO結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式[1]，應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

疲勞強(qiáng)度研究方法主要有S-N曲線法和斷裂力學(xué)法。目前S-N曲線方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶的疲勞評(píng)定中，而斷裂力學(xué)方法通常作為分析疲勞問題的輔助方法。S-N曲線法主要包括熱點(diǎn)應(yīng)力的確定和S-N曲線的選擇。由于船體結(jié)構(gòu)中焊接部位眾多，而且往往疲勞損傷就是出現(xiàn)在焊接位置，因此在疲勞評(píng)估方法中常使用熱點(diǎn)應(yīng)力法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正應(yīng)力法。王甲畏等[2]采用熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)FPSO的局部結(jié)構(gòu)建立了有限元模型和熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算。Lotsberg等[3]建立舷側(cè)縱骨模型試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。Bergan等[4]對(duì)縱骨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度研究。雖然目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì) FPSO疲勞問題已進(jìn)行了相關(guān)研究，但由于FPSO疲勞問題的復(fù)雜性以及相關(guān)規(guī)范的缺乏，所以FPSO疲勞強(qiáng)度仍有待于深入研究。

本文基于S-N曲線法以及JTP規(guī)范中疲勞強(qiáng)度計(jì)算理論對(duì)FPSO的典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命分析。

1 疲勞分析方法

1.1 熱點(diǎn)應(yīng)力法

(1)

圖1 焊縫附近的應(yīng)力梯度Fig.1 Stress gradients near the weld seam

1.2 疲勞累積損傷法

對(duì)應(yīng)船舶的設(shè)計(jì)壽命期，累積損傷度DM值應(yīng)小于1。設(shè)計(jì)壽命不少于25年。除非另有規(guī)定，累積損傷計(jì)算由式(2)求得：

(2)

式中：DMi為適用裝載工況下的疲勞累積損傷度；i=1為滿載工況；i=2為正常壓載工況。

假定應(yīng)力長(zhǎng)期分布符合雙參數(shù)Weibull概率分布，各相關(guān)工況的疲勞累積損傷度DMi由式(3)求得：

(3)

疲勞累積損傷度DM可以使用如下關(guān)系轉(zhuǎn)換為疲勞壽命的計(jì)算。在這個(gè)公式中，計(jì)算的疲勞壽命(年)應(yīng)等于或大于船舶的設(shè)計(jì)年限。

疲勞壽命 = 設(shè)計(jì)壽命/DM。

2 FPSO典型節(jié)點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算實(shí)例分析

2.1 FPSO主尺度

本文進(jìn)行疲勞分析對(duì)象為文昌海域某12萬(wàn)噸FPSO[6]，其主尺度為：

總長(zhǎng)：Loa=232.50 m；

水線長(zhǎng)：Lwl=225.00 m；

垂線長(zhǎng)：Lpp=218.25 m；

型寬：B=46.00 m；

型深：D=24.10 m；

設(shè)計(jì)吃水：Td=16.00 m；

結(jié)構(gòu)吃水：Ts=16.30 m；

梁拱：f=0.60 m；

方形系數(shù)：Cb=0.931。

2.2 FPSO艙段模型

本文FPSO的材料為AH32鋼，其屈服強(qiáng)度σs為315 MPa，彈性模量E為2.1×1011Pa。根據(jù)JTP規(guī)范[7]，建立FPSO三艙段有限元模型，如圖2所示。網(wǎng)格劃分時(shí)板單元網(wǎng)格應(yīng)盡可能遵從骨材實(shí)際排列規(guī)則：每?jī)上噜徔v骨之間為1個(gè)單元，縱向單元長(zhǎng)度不大于2個(gè)縱骨間距；橫艙壁上每?jī)上噜彺怪狈鰪?qiáng)材之間為1個(gè)單元；板單元長(zhǎng)寬比不超過(guò)3。

圖2 FPSO三艙段有限元模型Fig.2 Three-cargo-FEM mode of FPSO

圖3 艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)(右舷)Fig.3 The internal structure of compartment(show only starboard side)

2.3 邊界條件

為了減少邊界條件對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力的影響，貨艙有限元模型端部邊界條件按JTP規(guī)范要求施加，具體如表1所示。

表1 模型端部邊界條件

有限元模型端部采用彈簧單元支撐，如圖4所示。

圖4 模型端部的彈簧約束Fig.4 Spring constraint of side of the model

2.4 計(jì)算工況及計(jì)算載荷

FPSO由于其特定的工作環(huán)境和特點(diǎn)，并不能完全按照規(guī)范給出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行載荷計(jì)算，因此有必要對(duì)FPSO進(jìn)行水動(dòng)力分析，以及波浪載荷和運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)。

波浪誘導(dǎo)載荷是船體結(jié)構(gòu)遭遇的環(huán)境載荷的主要部分，對(duì)疲勞強(qiáng)度校核至關(guān)重要，無(wú)論是作用船體梁的彎矩還是舷外水壓力或者液貨的慣性載荷，都與波浪環(huán)境有密切關(guān)系。波浪的隨機(jī)特性因不同的海域而異，對(duì)于某一特定海域的波浪特性可以用波浪散布圖來(lái)描述。

對(duì)于航行船舶，其營(yíng)運(yùn)期間裝載狀態(tài)不停的變化，一般可以認(rèn)為45%的船舶生命期為滿載航行，40%的生命期為壓載航行，其余15%的生命期為停港狀態(tài)或者進(jìn)塢修理狀態(tài)，不會(huì)引起疲勞損傷。但FPSO在服役期內(nèi)不存在停港狀態(tài)，因此其疲勞損傷為滿載和壓載這2種狀態(tài)所產(chǎn)生的疲勞累積損傷之和[6]。本文所選具體工況及其所對(duì)應(yīng)的吃水如表2所示。

表2 兩種吃水工況

首先建立FPSO船體三維濕表面模型，并結(jié)合所在文昌海域的波浪散布圖[6]，選用適當(dāng)?shù)牟ɡ俗V(JONSWAP譜)，根據(jù)FPSO具體裝載狀態(tài)、質(zhì)量分布資料采用SESAM建立與三維濕表面相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量模型，對(duì)FPSO進(jìn)行各工況下的水動(dòng)力分析。文中疲勞損傷按10-5超越概率水平的交變應(yīng)力范圍進(jìn)行計(jì)算，因此需要預(yù)報(bào)相應(yīng)概率水平的波浪載荷，本文在10-5超越概率下，運(yùn)用波浪力計(jì)算程序以及統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)程序，預(yù)報(bào)出波浪誘導(dǎo)載荷和加速度[6]。對(duì)艙段進(jìn)行整體強(qiáng)度有限元計(jì)算時(shí)，所考慮的載荷主要分為局部載荷以及船體梁載荷：局部壓力由海水波動(dòng)壓力、艙內(nèi)液貨和壓載水的慣性引起的動(dòng)壓力組成，可以由長(zhǎng)期預(yù)報(bào)得到的波浪誘導(dǎo)加速度求得；船體梁載荷包括波浪垂向彎矩和水平彎矩。

2.5 典型節(jié)點(diǎn)的選取

在分析結(jié)構(gòu)的疲勞壽命時(shí)，首先要確定結(jié)構(gòu)的疲勞熱點(diǎn)。根據(jù)第2.3節(jié)的邊界條件及第2.4節(jié)計(jì)算載荷和工況對(duì)FPSO艙段進(jìn)行2種工況下的艙段整體強(qiáng)度計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果顯示，在2種裝載工況下，F(xiàn)PSO艙段總體應(yīng)力分布均勻，但也存在一些高應(yīng)力區(qū)域。本文選出2個(gè)應(yīng)力較大的位置：舭部與船底連接處(典型節(jié)點(diǎn)一)，肋板與縱艙壁連接的肘板趾端(典型節(jié)點(diǎn)二)作為疲勞熱點(diǎn)部位，如表3所示。

表3 FPSO疲勞熱點(diǎn)部位

典型節(jié)點(diǎn)一、二的具體位置如圖5和圖6所示。

圖5 典型節(jié)點(diǎn)一位置Fig.5 The position of typical node one

圖6 典型節(jié)點(diǎn)二位置Fig.6 The position of typical node two

2.6 精細(xì)網(wǎng)格有限元模型

根據(jù)JTP規(guī)范，在疲勞熱點(diǎn)部位采用精細(xì)網(wǎng)格有限元模型，疲勞熱點(diǎn)部位網(wǎng)格尺寸采用t×t，此處t為板的最小凈厚度(各構(gòu)件厚度扣除腐蝕余量)。熱點(diǎn)附近的所有支撐構(gòu)件都為4節(jié)點(diǎn)殼單元，盡量避免不規(guī)則形狀的單元出現(xiàn)，精細(xì)網(wǎng)格向一般網(wǎng)格過(guò)渡盡量有足夠的光滑度[7]。熱點(diǎn)處精細(xì)網(wǎng)格有限元模型如圖7和圖8所示。

圖7 舭部與船底連接處(典型節(jié)點(diǎn)一)的精細(xì)網(wǎng)格 有限元模型Fig.7 Fine finite element model of typical node one

圖8 肋板與縱艙壁連接的肘板趾端(典型節(jié)點(diǎn)二) 的精細(xì)網(wǎng)格有限元模型Fig.8 Fine finite element model of typical node two

2.7 疲勞熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

2.7.1 典型節(jié)點(diǎn)一熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

對(duì)艙段進(jìn)行不同裝載工況下的有限元應(yīng)力計(jì)算，在舭部與船底連接處(典型節(jié)點(diǎn)一)選取3個(gè)熱點(diǎn)部位node1-node3(見圖7)，根據(jù)式(1)計(jì)算出各工況下的熱點(diǎn)應(yīng)力，如表4所示。

表4 典型節(jié)點(diǎn)一兩種工況下的熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果(Pa)

2.7.2 典型節(jié)點(diǎn)二熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

對(duì)艙段進(jìn)行不同裝載工況下的有限元應(yīng)力計(jì)算，在肋板與縱艙壁連接的肘板趾端(典型節(jié)點(diǎn)二)同樣選取3個(gè)熱點(diǎn)部位node4-node6(見圖8)，根據(jù)式(1)計(jì)算出各工況下的熱點(diǎn)應(yīng)力，如表5所示。

表5 典型節(jié)點(diǎn)二兩種工況下的熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果(Pa)

2.8S-N曲線的選取

在運(yùn)用S-N曲線法對(duì)該FPSO結(jié)構(gòu)疲勞分析中，參考JTP中的S-N曲線[7]進(jìn)行選取，如圖9所示。

本文所選取的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一、二均為焊接部位，參照J(rèn)TP規(guī)范應(yīng)選擇D級(jí)S-N曲線進(jìn)行疲勞計(jì)算，其中D級(jí)S-N參數(shù)如表6所示。

圖9 S-N曲線Fig.9 S-N curves

S-N曲線等級(jí)mK2Sq/N·mm-2D30152E12534

2.9 疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(2)和式(3)可以計(jì)算各熱點(diǎn)部位節(jié)點(diǎn)的累積損傷DM，進(jìn)而求出疲勞壽命，具體結(jié)果如表7所示。

表7 疲勞累積損傷度以及疲勞壽命

從表7可看出，該FPSO典型節(jié)點(diǎn)中各熱點(diǎn)的疲勞壽命均滿足船東50年的設(shè)計(jì)壽命要求，其中典型節(jié)點(diǎn)一處熱點(diǎn)疲勞壽命較小。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)FPSO艙段強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果選取了舭部與船底連接處(典型節(jié)點(diǎn)一)和肋板與縱艙壁連接的肘板趾端(典型節(jié)點(diǎn)二)進(jìn)行疲勞校核，并基于JTP規(guī)范分別計(jì)算了2個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，得到如下結(jié)論：

1)典型節(jié)點(diǎn)一為舭部與船底連接處，隨著船底結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在過(guò)渡區(qū)域出現(xiàn)了較高的應(yīng)力，也成為了易發(fā)生疲勞破壞部位；當(dāng)船舶受到波浪誘導(dǎo)動(dòng)載荷和由于液壓與壓載水跟隨著船舶運(yùn)動(dòng)而對(duì)船體產(chǎn)生的動(dòng)載荷作用時(shí)，對(duì)于艙內(nèi)大型連續(xù)構(gòu)件端部也會(huì)出現(xiàn)較高的應(yīng)力，因此典型節(jié)點(diǎn)二也是影響FPSO疲勞壽命的關(guān)鍵點(diǎn)，這兩處也是日常檢修和維護(hù)的重點(diǎn)部位。

2)對(duì)于典型節(jié)點(diǎn)一、二，計(jì)算所得的熱點(diǎn)處疲勞壽命較短的分別為85.6年和138.1年，均滿足船東所要求的50年的壽命。

[1] 高震，胡志強(qiáng)，顧永寧，等.浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪船艏結(jié)構(gòu)疲勞分析[J].海洋工程,2003(5)：8-15.

[2] 王甲畏，王德禹.基于熱點(diǎn)應(yīng)力的FPSO焊接結(jié)構(gòu)疲勞問題研究[J].船舶工程,2005,27(1):62-66.

[3] LOTSBERG I,ASKHEIM D O,HAAVI T.Full scale fatigue testing of side longitudinals in FPSOs[M].Proceedings of the Eleventh International Offshore and Polar Engineering Conference,2001.

[4] BERGAN P G,LOTSBERG I.Fatigue capacity of FPSO structures[J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2006,8(1):128-161.

[5] 中國(guó)船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[M].北京:人民交通出版社,2007.

[6] 李樹勝.FPSO船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué),2006.

[7] Common structural rules for double hull oil tankers[S].2006,1.

Fatigue life analysis for typical nodes of FPSO

JIANG Wen-jin，LI Liang-bi，LUO Guang-en，ZHU De-qin，WEI Tao

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)

FPSO long-term bears constantly changing load caused by waves and other during service. In order to guarantee its safe working, fatigue life analysis is necessary for FPSO. Firstly, the connection of bilge and the bottom of FPSO is called typical node one, and the connection of the ribs and the longitudinal bulkhead bracket toe is called typical node two. They are selected as the typical nodes for fatigue check. Through the establishment of the fine grid FEM for local stress analysis, the hot spot stress at typical node is gotten by linear interpolation method; Finally, based on theS-Napproach of JTP rules (Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers), fatigue lives of the two typical nodes are calculated, and the result meets the life requirement of the owner for 50 years.

FPSO;typical node;fatigue life;finite element method

2013-07-17;

2013-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51079065,51109110)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2011508)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973 計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB036100)。

蔣文進(jìn)(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)性能。

U661

A

1672-7649(2014)12-0029-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.006