環(huán)境烈度因子在FPSO船體梁強(qiáng)度評(píng)估中的應(yīng)用

唐 宇，任慧龍，邱偉強(qiáng)，楊 凡，張志康

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

環(huán)境烈度因子在FPSO船體梁強(qiáng)度評(píng)估中的應(yīng)用

唐 宇1，任慧龍1，邱偉強(qiáng)2，楊 凡1，張志康2

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

由于作業(yè)方式不同，用于計(jì)算FPSO與不限定航線條件下船舶設(shè)計(jì)載荷的規(guī)范計(jì)算公式不一樣，如何將現(xiàn)有的關(guān)于普通海船的規(guī)范用于FPSO的設(shè)計(jì)評(píng)估是FPSO研究中的關(guān)鍵問(wèn)題?；诂F(xiàn)有常規(guī)鋼質(zhì)海船規(guī)范，文章采用環(huán)境烈度因子（ESF）對(duì)用于計(jì)算運(yùn)營(yíng)于無(wú)限航區(qū)船舶設(shè)計(jì)載荷的規(guī)范公式進(jìn)行修正，將修正后的公式作為FPSO設(shè)計(jì)載荷的計(jì)算公式。利用所得FPSO載荷計(jì)算公式計(jì)算某30萬(wàn)噸FPSO設(shè)計(jì)載荷，并采用薄壁梁理論對(duì)船體梁強(qiáng)度進(jìn)行校核。將校核結(jié)果與未經(jīng)ESF修正的船體梁校核結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)ESF修正的船體梁校核結(jié)果明顯偏大。同時(shí)，采用薄壁梁理論進(jìn)行船體梁剪切強(qiáng)度評(píng)估，可以避免建立全船有限元模型。

FPSO；環(huán)境烈度因子（ESF）；彎曲強(qiáng)度；剪切強(qiáng)度

1 環(huán)境烈度因子的定義

環(huán)境烈度因子分為α因子和β因子2種。α因子主要用來(lái)修正無(wú)限定航線條件下運(yùn)營(yíng)船舶（即基于規(guī)范）與長(zhǎng)期作業(yè)于指定海域裝置（FPSO）之間的預(yù)期疲勞強(qiáng)度；β因子主要用來(lái)修正用于創(chuàng)建船體梁強(qiáng)度、單獨(dú)構(gòu)件尺寸方程的動(dòng)載荷分量，也用于修正船體強(qiáng)度分析的載荷以及一些輔助性的力如由位于主甲板及其以上的設(shè)備運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力。本文主要討論β因子的運(yùn)用，β因子的定義如下[3]：

式中：LS為在特殊作業(yè)場(chǎng)地海況下的動(dòng)載荷極值，場(chǎng)地自存重現(xiàn)期為100年；LU為基于北大西洋無(wú)限航區(qū)海況條件下的動(dòng)載荷極值，重現(xiàn)期為25年。

根據(jù)ABS船級(jí)社關(guān)于FPSO的規(guī)范，有13個(gè)關(guān)于動(dòng)載荷分量的環(huán)境烈度因子，見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)載荷分量環(huán)境烈度因子Tab. 1 The ESFs of component of dynamic loads

2 環(huán)境烈度因子的確定

環(huán)境烈度因子計(jì)算要點(diǎn)在于LS和LU的確定，采用基于三維線性勢(shì)流理論[6]的波浪載荷直接計(jì)算軟件COMPASS-WALCS-BASIC對(duì)二者進(jìn)行計(jì)算。

2.1 LS的計(jì)算設(shè)置

文章計(jì)算FPSO的作業(yè)海域?yàn)槟虾?，工作水深?03 m，計(jì)算航速為本0 kn，其余參數(shù)設(shè)置參見(jiàn)文獻(xiàn)[7 – 8]。

2.2 LU的計(jì)算設(shè)置

基于北大西洋無(wú)限航區(qū)海況條件下的動(dòng)載荷極值LU，系指計(jì)算相應(yīng)環(huán)境條件下的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值。LU為動(dòng)載荷成分在無(wú)限航區(qū)海況下的極值響應(yīng)，與LS的計(jì)算過(guò)程相似，通過(guò)基于波浪譜和波浪散布圖的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方法[6]得到。

需要注意的是：1）水深。LU是針對(duì)無(wú)限航區(qū)海域，計(jì)算LU時(shí)的計(jì)算水深應(yīng)取為無(wú)限水深；2）海浪譜。對(duì)于LU對(duì)應(yīng)的無(wú)限航區(qū)或開(kāi)放海域，推薦使用雙參數(shù)PM譜，文中采用ISSC推薦的雙參數(shù)PM譜；3）海況散布圖。對(duì)于無(wú)限航區(qū)，采用IACS推薦的NO.34北大西洋波浪散布圖[8]。

2.3 環(huán)境烈度因子計(jì)算

根據(jù)上述方法，可以計(jì)算出各裝載工況下的LS和LU，即可得到不同動(dòng)載荷分量的ESF。各載況下不同動(dòng)載荷分量的環(huán)境烈度因子ESF見(jiàn)表2。為了防止ESF值過(guò)小，不足0.5的按0.5取[8]。

表2 各載況下FPSO環(huán)境烈度因子Tab. 2 The ESFs of FPSO under different loading conditions

3 FPSO船體梁縱向強(qiáng)度校核

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，本文主要對(duì)FPSO的船體梁縱向強(qiáng)度—船體梁彎曲強(qiáng)度與船體梁剪切強(qiáng)度—進(jìn)行評(píng)估，故實(shí)際用到的環(huán)境烈度因子為βVBM和βVSF。

3.1 彎曲強(qiáng)度校核

作用于FPSO的載荷分為垂向靜水彎矩與垂向波浪彎矩2部分，靜水彎矩由裝載手冊(cè)提供，垂向波浪彎矩環(huán)境烈度因子修正后的公式?jīng)Q定，見(jiàn)式（2），單位為kNm。

各載況下中垂和中拱工況的合成載荷如圖1所示。由圖1得到各載況下最大合成彎矩作用剖面位置及作用載荷，見(jiàn)表3。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]規(guī)定，船體梁校核應(yīng)滿足下列要求：

船體梁0.4 L區(qū)域的剖面模數(shù)應(yīng)不小于下式計(jì)算值

式中：Mt為總彎矩，垂向靜水彎矩與垂向波浪彎矩之和，kN·m；fp為名義許用彎曲應(yīng)力，為175 000 kN/m2

同時(shí)，視計(jì)算環(huán)境烈度因子值的大小，垂向波浪彎矩作用下的船體梁最小剖面模數(shù)應(yīng)不小于表4中的值。式中：SMsvr最小船體梁剖面模數(shù)，見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

目標(biāo)FPSO采用高強(qiáng)度鋼的區(qū)域?yàn)榧装澹?，舷?cè)外板甲板邊線向下3.2 m、基線向上3.2 m的舷側(cè)板，縱艙壁從甲板邊線向下4.395 m、基線向上4.95 m的縱艙壁板。高強(qiáng)鋼等級(jí)為H36，屈服極限為，對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)Q = 0.72。

彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知彎曲強(qiáng)度校核滿足要求。

3.2 剪切強(qiáng)度校核

同彎曲強(qiáng)度校核相同，F(xiàn)PSO剪切強(qiáng)度校核作用載荷包含靜水剪力與垂向波浪剪力。靜水剪力由裝載手冊(cè)提供，垂向波浪剪力環(huán)境烈度因子修正后的規(guī)范公式?jīng)Q定，見(jiàn)式（4），單位為kN。

各載況下垂向波浪剪力分別為正、負(fù)工況時(shí)的合成載荷如圖2所示。

圖1 中拱/中垂靜水彎矩與波浪彎矩分布圖Fig. 1 The bonding moment of hogging and sagging

表3 各載況最大合成彎矩作用剖面Tab. 3 The section bearing maximum resultant bending moments

表4 各ESF下的最小船體粱剖面模數(shù)Tab. 4 The minimum hull girder section modulus under different βVBM

表5 彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果Tab. 5 The check results of bending strength

由圖2得到各載況下危險(xiǎn)剖面所在位置及作用載荷。按照文獻(xiàn)[2]規(guī)定，船體梁剪切強(qiáng)度校核應(yīng)滿足下列要求：

計(jì)算所得剪應(yīng)力應(yīng)大于下值

需要注意的是目標(biāo)FPSO具有2道連續(xù)縱艙壁，其橫剖面屬于多腔室閉口薄壁桿件，見(jiàn)圖3，利用薄壁梁理論[4–5]計(jì)算剖面剪應(yīng)力，剪切強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知剪切強(qiáng)度滿足要求。

圖2 中拱/中垂靜水剪力與波浪彎矩分布圖Fig. 2 The shear force of hogging and sagging

圖3 目標(biāo)FPSO三艙段模型圖Fig. 3 The three cargo hold model

3.3 ESF修正與否強(qiáng)度校核對(duì)比

不引入環(huán)境烈度因子修正，直接應(yīng)用文獻(xiàn)[2]中的公式進(jìn)行強(qiáng)度校核的結(jié)果見(jiàn)表7和 表8。

可知在采用ESF修正時(shí)，剪切強(qiáng)度校核復(fù)合要求；彎曲強(qiáng)度雖然滿足文獻(xiàn)[2]中3-2-1/3.7.1（a）要求，但不滿足文獻(xiàn)[2]中3-2-1/3.7.1（b）的規(guī)定，故不滿足要求。

經(jīng)ESF修正與未經(jīng)ESF修正的強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表 9 和 表 10。

可以看出，在彎曲強(qiáng)度校核中未經(jīng)ESF修正時(shí)，計(jì)算所得的規(guī)范要求剖面模數(shù)相對(duì)修正結(jié)果偏大最小10.95%，最大至18.91%；規(guī)范要求的船中最小剖面模數(shù)相對(duì)修正結(jié)果偏大約17.6%。在剪切強(qiáng)度校核時(shí)，未經(jīng)ESF修正的剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相對(duì)修正結(jié)果偏大達(dá)28.91%。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章基于文獻(xiàn)[2 – 3]的相關(guān)規(guī)定，采用未經(jīng)ESF修正和ESF修正后規(guī)范公式計(jì)算某FPSO的設(shè)計(jì)載荷，在此基礎(chǔ)上，利用薄壁梁理論對(duì)其船體梁強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)論如下：

1) 船體梁彎曲強(qiáng)度校核，未經(jīng)ESF修正的計(jì)算結(jié)果相對(duì)修正后計(jì)算所得的規(guī)范要求剖面模數(shù)偏大10.95%～18.91%；規(guī)范要求的最小剖面模數(shù)前者偏大17.6%左右；

2) 船體梁剪切強(qiáng)度校核時(shí)，未經(jīng)ESF修正的計(jì)算結(jié)果相對(duì)修正后的計(jì)算結(jié)果偏大14.28%～28.91%；

3) 相對(duì)有限元計(jì)算，采用薄壁梁理論可以快速、有效計(jì)算船體梁閉型艙室的剪切強(qiáng)度。

采用環(huán)境烈度因子方法可以基于現(xiàn)有規(guī)范公式，快速、有效地確定FPSO的設(shè)計(jì)載荷，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估，簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，是FPSO設(shè)計(jì)評(píng)估的一種有效方法。在評(píng)估船體梁閉型艙室的剪切強(qiáng)度時(shí)，為避免繁重的建模任務(wù)量，可以利用薄壁梁理論對(duì)剪切強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

表6 剪切強(qiáng)度校核結(jié)果Tab. 6 The check results of shearing strength

表7 未經(jīng)ESF修正彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果Tab. 7 The check results of bending strength with no application of ESFs

表8 未經(jīng)ESF修正剪切強(qiáng)度校核結(jié)果Tab. 8 The check results of shearing strength with no application of ESFs

表9 ESF修正與否的彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果比較Tab. 9 The comparison of bending strength between the results corrected by ESFs and that not

表10 ESF修正與否的剪切強(qiáng)度校核結(jié)果比較Tab. 10 The comparison of shearing strength between the results corrected by ESFs and that not

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The application of environmental severity factor on hull girder strength evaluation of FPSO

TANG Yu1, REN Hui-long1, QIU Wei-qiang2, YANG Fan1, ZHANG Zhi-kang2
(1. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The rule formulas which used to calculate the design loads of FPSO and navigating-free ships are different because of the different operating conditions between FPSO and common ships. It is a key point that how to apply current seagoing ships rules to designing and evaluating FPSO. Based on the current seagoing ships rules, the thesis adopted environment severe factors to modify the formulas which intended to calculate design loads of ships operating in unrestricted service conditions. The modified formulas were used to calculate the design loads for FPSO. Then the obtained formulas were utilized to calculate the design loads of a FPSO with 300 000 DWT which followed by a hull girder strength check based on thin-wall theory. The check results of ESF method were compared with those which weren't modified with ESF and the latter was greater than the former obviously. Meanwhile, it was a time-saving method to apply thin-walled theory to evaluating hull girder strength which avoided whole ship finite element model.

FPSO；environmental severity factor (ESF)；bending strength；shear strength

U662.2

A

1672 – 7649(2017)10 – 0034 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.006

0 引 言

FPSO需要在目標(biāo)海域長(zhǎng)期作業(yè)，在服務(wù)期內(nèi)，F(xiàn)PSO（特別是不具備自航功能的FPSO）很有可能遭遇極端的載荷情況。出于安全考慮，目前的規(guī)范都將FPSO的設(shè)計(jì)環(huán)境條件定為100年一遇，因此，如何準(zhǔn)確地確定FPSO的設(shè)計(jì)載荷是FPSO設(shè)計(jì)評(píng)估中的重點(diǎn)。

目前有大量的規(guī)范可以對(duì)在不限定航線的波浪條件下運(yùn)營(yíng)的船舶的設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行計(jì)算，但是由于運(yùn)營(yíng)方式的不同，其計(jì)算載荷不能直接用于FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度評(píng)估。為使基于不限定航線波浪條件下的船舶載荷計(jì)算規(guī)范能用于FPSO的設(shè)計(jì)與評(píng)估，美國(guó)船級(jí)社引入了環(huán)境烈度因子對(duì)用于計(jì)算不限定航線船舶的載荷的規(guī)范公式進(jìn)行了修正[1]。本文基于鋼質(zhì)海船建造和入級(jí)規(guī)范[2]，參照浮式生產(chǎn)裝置建造入級(jí)規(guī)范[3]中的相關(guān)規(guī)定，采用環(huán)境烈度因子對(duì)文獻(xiàn)[2]中的公式進(jìn)行修正，并作為某30萬(wàn)噸FPSO評(píng)估載荷的計(jì)算公式。同時(shí)，為避免復(fù)雜、耗時(shí)的全船有限元模型建立工作，文中采用薄壁梁理論[4–5]對(duì)該FPSO的船體梁剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2017 – 01 – 09；

2017 – 02 – 28

唐宇(1991 – )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物力學(xué)性能。