FPSO甲板舷外設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度疲勞校核

陳曙梅

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

1 甲板舷外設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的定義

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪（FPSO）結(jié)構(gòu)，除規(guī)范規(guī)定的必須劃分為海工區(qū)域的結(jié)構(gòu)以外，根據(jù)船檢或船東要求，很多甲板設(shè)備、舷外設(shè)備的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)也需歸入海工區(qū)域。以法國(guó)BV船級(jí)社規(guī)范為例，海工結(jié)構(gòu)的定義包含但不限于以下結(jié)構(gòu)，見(jiàn)下頁(yè)表1。

在FPSO船體甲板上，除布置上部模塊外，還有各類設(shè)備。為合理利用甲板面積，部分設(shè)備如潛水工作站、廢棄物集裝箱等直接放置在舷外，并設(shè)計(jì)合適的外掛結(jié)構(gòu)與船體相連。

表1 B V規(guī)范對(duì)海工區(qū)域的定義

以廢棄物平臺(tái)為例，本身并沒(méi)有列入規(guī)范定義范圍，但是船東有相關(guān)要求，故仍需按照海工區(qū)域的要求開(kāi)展設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。圖1為廢棄物平臺(tái)的海工區(qū)域劃分，圖中高亮顯示。

圖1 海工區(qū)域定義實(shí)例示意

2 海工區(qū)域結(jié)構(gòu)的屈服校核衡準(zhǔn)

定義為海工區(qū)域的結(jié)構(gòu)，腐蝕余量的定義不同，其對(duì)應(yīng)的屈服衡準(zhǔn)與船體的屈服衡準(zhǔn)也不同。海工區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通常至少校核兩種狀態(tài)，分別為作業(yè)狀態(tài)和生存狀態(tài)。

以BV規(guī)范為例，對(duì)于海工區(qū)域結(jié)構(gòu)，合成應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)滿足式（1）要求：

式中：Rf為材料屈服應(yīng)力，MPa；а為許用應(yīng)力系數(shù)（作業(yè)狀態(tài)取0.6，生存狀態(tài)取0.8）。

對(duì)于網(wǎng)格尺寸達(dá)到t×t級(jí)別的單元（t為鋼板厚度），許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高，可將在2t×2t范圍內(nèi)的單元合成應(yīng)力按面積平均，平均后的合成應(yīng)力小于 1.3σа。

BV規(guī)范對(duì)船體區(qū)域結(jié)構(gòu)的合成應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，則需滿足式（2）要求：

式中：Rf為材料屈服應(yīng)力，MPa；γR、γm通常取 1.02。

對(duì)于網(wǎng)格尺寸小于100 mm×100 mm的單元，許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)同樣可以相應(yīng)提高，可將100 mm×100 mm 范圍內(nèi)的單元合成應(yīng)力按面積平均，平均后的合成應(yīng)力σVM，根據(jù)是否與焊縫相鄰，分別滿足式（3）和式（4）的要求。

單元與焊縫相鄰：

單元不與焊縫相鄰：

BV規(guī)范對(duì)兩類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表2，其他船級(jí)社對(duì)FPSO均有類似規(guī)定。由該表可看出，海工區(qū)域結(jié)構(gòu)的許用標(biāo)準(zhǔn)較船體區(qū)域低。生存狀態(tài)下，約為91.5 % 的船體結(jié)構(gòu)許用值，對(duì)于不與焊縫相鄰的精細(xì)網(wǎng)格區(qū)域，生存狀態(tài)下的許用值僅為船體標(biāo)準(zhǔn)的83.8 %。由此也說(shuō)明，海工區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求之嚴(yán)格。

3 甲板舷外設(shè)備加強(qiáng)的受力分析和校核工況

FPSO的甲板舷外設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)多位于船體和海工的界面處，其承受載荷同樣來(lái)自兩個(gè)區(qū)域：一為船體載荷，二為設(shè)備功能載荷。

船體載荷成分在下頁(yè)表3中列出，這些載荷均應(yīng)在其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮，并在結(jié)構(gòu)校核中施加在校核模型上。

表2 規(guī)范對(duì)海工區(qū)域和船體區(qū)域結(jié)構(gòu)的屈服校核衡準(zhǔn)對(duì)比MPa

表3 海工區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核需考慮的船體載荷

設(shè)備功能載荷有兩種考慮方法：一種是由設(shè)備商提供支反力，船體方直接加載校核；另一種是提供質(zhì)量重心和界面連接形式，由船體方考慮設(shè)備的質(zhì)量及加速度， 供強(qiáng)度疲勞校核使用。特殊設(shè)備（如部分浸水的排水管），還需要額外考慮莫里森載荷。

以廢棄物平臺(tái)為例，該平臺(tái)放置5個(gè)廢棄物集裝箱，其設(shè)備載荷應(yīng)包含集裝箱落腳位置，質(zhì)量、重心以及重心處生存狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)下的加速度。

甲板舷外設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核，會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)位置和受力特點(diǎn)選取主控裝載。表4為實(shí)例FPSO考慮的強(qiáng)度校核工況。

表4 實(shí)例F P S O考慮的強(qiáng)度校核工況

4 甲板舷外設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核實(shí)例

結(jié)合對(duì)此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核可發(fā)現(xiàn)，甲板舷外設(shè)備的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是該舷外結(jié)構(gòu)與主甲板連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)主控載荷為船體載荷。

以某FPSO的廢棄物平臺(tái)為例，其初始設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)備放置，設(shè)計(jì)為桁架結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是省材料、形式簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是與船體連接處易產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。初始設(shè)計(jì)形式見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 實(shí)例的初始設(shè)計(jì)——桁架式（俯視圖）

圖3 實(shí)例的初始設(shè)計(jì)——桁架式（空間視圖）

之后，為提高甲板面積利用率，將原來(lái)的廢棄物設(shè)備完全移出主船體，并將廢棄物平臺(tái)改為板加筋結(jié)構(gòu)。由于附近還有其他設(shè)備的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，該平臺(tái)的設(shè)計(jì)空間有限，與主船體連接的過(guò)渡結(jié)構(gòu)無(wú)法擴(kuò)大，民致連接節(jié)點(diǎn)不可避免會(huì)產(chǎn)生硬點(diǎn)。為解決該問(wèn)題，硬點(diǎn)處設(shè)計(jì)為軟趾。

第二版設(shè)計(jì)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

圖4 實(shí)例的第二版設(shè)計(jì)——板架式（俯視圖）

圖5 實(shí)例的第二版設(shè)計(jì)——板架式（空間視圖）

經(jīng)校核，該結(jié)構(gòu)與連接船體的肘板趾端處應(yīng)力集中嚴(yán)重（見(jiàn)圖4劃圈處），而扣除應(yīng)力集中點(diǎn)，其他結(jié)構(gòu)均能滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)力集中處的合成應(yīng)力結(jié)果詳見(jiàn)下頁(yè)圖6，疲勞校核工況的主應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖7。

圖7所示的應(yīng)力集中點(diǎn)，計(jì)算其疲勞壽命為31.2年，實(shí)例FPSO的設(shè)計(jì)疲勞壽命則需達(dá)到92年，因此該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

綜合考慮強(qiáng)度和疲勞計(jì)算結(jié)果，對(duì)實(shí)例在第二版基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)出第三版，見(jiàn)下頁(yè)圖8。

第三版設(shè)計(jì)在第二版基礎(chǔ)上，進(jìn)行了兩處改動(dòng)：

（1）將連接肘板改小，原肘板兩邊長(zhǎng)比為7 : 9。改進(jìn)后和船體連接的邊長(zhǎng)不變，將與平臺(tái)連接的邊長(zhǎng)改小，邊長(zhǎng)比改7 : 6。

圖6 實(shí)例的第二版設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖7 實(shí)例的第二版設(shè)計(jì)疲勞主應(yīng)力結(jié)果

圖8 實(shí)例的第三版設(shè)計(jì)——趾端優(yōu)化（俯視圖）

（2）將肘板趾端形式優(yōu)化。第二版采用的趾端軟趾形式見(jiàn)圖9，為該實(shí)例FPSO的標(biāo)準(zhǔn)趾端，趾端高度長(zhǎng)度比為1 : 1。

圖9 實(shí)例的標(biāo)準(zhǔn)趾端設(shè)計(jì)（俯視圖）

改進(jìn)后將趾端長(zhǎng)度拉長(zhǎng)，長(zhǎng)高比增加到1.5 : 1。經(jīng)疲勞損傷計(jì)算，將原來(lái)趾端圓弧半徑由100 mm增加到400 mm，趾端自由邊處疲勞壽命才達(dá)到實(shí)際FPSO的要求。改進(jìn)后的趾端形式見(jiàn)圖10。

圖10 實(shí)例修改后的趾端設(shè)計(jì)（云線圈出處）

最終計(jì)算得到的強(qiáng)度和疲勞結(jié)果分別如圖11、表5和表6所示。

表5列出了各裝載工況在生存狀態(tài)下的合成應(yīng)力結(jié)果?？芍?，按BV規(guī)范要求，平均應(yīng)力滿足海工區(qū)域的細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力衡準(zhǔn)。

表6列出了節(jié)點(diǎn)疲勞結(jié)果?？芍?，最危險(xiǎn)處的疲勞壽命為103年，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 實(shí)例第三版設(shè)計(jì)的局部最大合成應(yīng)力

表5 實(shí)例F P S O廢棄物平臺(tái)的屈服強(qiáng)度校核結(jié)果（生存狀態(tài)）

表6 實(shí)例第三版設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)疲勞結(jié)果

5 甲板舷外設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的疲勞校核和設(shè)計(jì)改進(jìn)

從實(shí)例不難發(fā)現(xiàn)，此類設(shè)備加強(qiáng)的重點(diǎn)是與船體連接處的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的最終形式由疲勞校核確定。校核實(shí)例的疲勞節(jié)點(diǎn)根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果選取。不僅要校核主船體連接處，也要校核趾端本身，比如焊接節(jié)點(diǎn)的腹板與面板連接處，非焊接節(jié)點(diǎn)的趾端圓弧自由邊處。

疲勞校核方法很多，具體方法不再贅述。實(shí)例FPSO采用確定性方法，考慮拖航狀態(tài)、在位狀態(tài)和作業(yè)期間的裝卸貨周期，分別計(jì)算高周疲勞和低周疲勞，得到FPSO生命周期內(nèi)疲勞累積總損傷。累積損傷必須滿足規(guī)范對(duì)海工區(qū)域的要求。

本文以實(shí)例FPSO的廢棄物平臺(tái)為例，總結(jié)了以下6條海工區(qū)域結(jié)構(gòu)疲勞壽命的改善方法：

（1）改變趾端的高度與長(zhǎng)度比

具體見(jiàn)圖9和圖10，對(duì)改善趾端處船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中非常有效。

（2）改善趾端的圓弧

具體見(jiàn)圖9和圖10，圓弧半徑增大，顯著提高趾端自由邊的疲勞壽命。

（3）改善腹板與面板連接處的面板傾角

如圖4和圖8，通過(guò)改變肘板兩臂長(zhǎng)，改善了面板傾角，明顯降低趾端應(yīng)力水平。

（4）采用合理的焊接方式

將高應(yīng)力區(qū)焊接節(jié)點(diǎn)的焊接方式，從角焊縫改為全焊透，有助于提高疲勞壽命。

（5）避免結(jié)構(gòu)突變，將棱角盡量打磨出圓弧

如圖9和圖10，趾端的焊接留根，和與面板的焊接留根，均有R15的磨圓。給合該節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，磨圓處理的結(jié)構(gòu)對(duì)比未處理的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中情況明顯改善。

（6）提高局部區(qū)域板厚

即采用降低名義應(yīng)力的方法，減少累計(jì)損傷。應(yīng)注意設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量以增加主船體的局部區(qū)域板厚為主，舷外設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)盡可能不強(qiáng)于局部船體結(jié)構(gòu)，以確保FPSO主體結(jié)構(gòu)安全。

以上方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可根據(jù)設(shè)備加強(qiáng)特點(diǎn)，靈活使用。

6 甲板舷外設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

通過(guò)對(duì)大量類似結(jié)構(gòu)的研究，結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)和校核經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)PSO甲板舷外設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則可總結(jié)如下：

（1）盡可能利用船體強(qiáng)構(gòu)件，重要的受力點(diǎn)和支撐點(diǎn)應(yīng)放在強(qiáng)力結(jié)構(gòu)處；

（2）盡量減少總縱強(qiáng)度參與度；

（3）充分考慮其他設(shè)備的布置，合理利用空間；

（4）關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)形式由疲勞校核確定；

（5）盡量將最危險(xiǎn)最易破壞點(diǎn)避開(kāi)主船體結(jié)構(gòu)。

FPSO甲板的每一處設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)均有各自的特點(diǎn)和其獨(dú)有的校核方法。本文僅選擇校核相對(duì)簡(jiǎn)單的廢棄物平臺(tái)為例，對(duì)類似的海工區(qū)域結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核和疲勞校核做粗略介紹。該類結(jié)構(gòu)的主控載荷為船體梁載荷，結(jié)構(gòu)靠近船舯，主控載荷為垂向彎矩；結(jié)構(gòu)靠近首部，主控載荷為加速度。該結(jié)論可在其他類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

需按海工區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，大都受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)界面也是關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)最基本的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法推民變通，并結(jié)合本文的結(jié)論，具體問(wèn)題具體分析。