300 000 DWT 級FPSO改裝總縱強度分析

黃渙青　石科良　吳猛　朱繼欣　童星

摘? ? 要：本文以某改裝300 000 DWT級FPSO為研究對象，采用全船有限元方法對其總縱強度進行研究。本計算采用SESAM軟件，通過建立全船有限元模型、水動力模型、應(yīng)用三維輻射-繞射理論進行波浪載荷預(yù)報，依照規(guī)范要求確定設(shè)計波。在此基礎(chǔ)上對全船結(jié)構(gòu)在相應(yīng)設(shè)計波載荷作用下的強度和變形進行分析。

關(guān)鍵詞：FPSO;全船有限元方法;設(shè)計波法;總縱強度

中圖分類號：U661.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：? In this paper， the whole ship finite element method is used to analyze the longitudinal strength of a? 300 000 DWT FPSO conversion. The finite element structure model and hydrodynamic model of the whole ship are established by SESAM software. The wave load is predicted according to the 3D radiation-diffraction theory， and the design wave parameters of different loads are determined according to the rules. On this basis， the strength and deformation of the whole ship structure under its design wave load are obtained.

Key words： FPSO;? Whole ship finite element method;? Design wave method;? Longitudinal strength

1? ? ?引言

FPSO作為海上油田開發(fā)工程的核心，集油氣處理、發(fā)熱供熱、人員居住、原油產(chǎn)品儲存與外輸于一體。

將VLCC改裝成FPSO，與VLCC相比，F(xiàn)PSO不同之處在于其主甲板上安裝了大量與原油加工相關(guān)的生產(chǎn)工藝模塊，以及外輸系統(tǒng)與系泊系統(tǒng)等。這些新增的模塊和系統(tǒng)的重量分布，將會對FPSO船體結(jié)構(gòu)總縱強度產(chǎn)生影響。為了保證改裝后的FPSO強度滿足要求，必須提出可行的改裝方案。因此，需要分析經(jīng)改裝后的FPSO總縱強度。

2? ? ?FPSO總縱強度分析

采用有限元方法分析FPSO船體總縱強度，可參照美國船級社FPI規(guī)范[1]（以下簡稱《規(guī)范》）的有關(guān)要求。建立全船有限元模型和質(zhì)量模型，以及三維濕表面模型，通過單位規(guī)則波誘導(dǎo)船體載荷求得傳遞函數(shù);并根據(jù)實際運營海域的波浪散布圖、波浪譜，求出波浪誘導(dǎo)船體的運動、相應(yīng)的波浪載荷長期預(yù)報值;結(jié)合不同裝載工況下（滿載、壓載、隔艙裝載等）對應(yīng)的波浪載荷控制參數(shù)[2]（垂向及水平波浪彎矩、貨艙與上部模塊重心處的加速度及波浪剪力等），確定相應(yīng)的等效設(shè)計波參數(shù)（浪向、波高、頻率和相位）[3]。

隨后，將對應(yīng)的設(shè)計波載荷作用在船體上。此時模型同時存在兩類載荷平衡，即自身重力與靜水浮力的平衡、船體動壓力與慣性力之間的平衡;對模型施加三節(jié)點邊界條件以消除剛體位移，計算各工況下對應(yīng)的應(yīng)力，校核其屈服及屈曲強度等[4][5]。

3? ? 實例分析

以某改裝300 000 DWT級FPSO為例，進行總縱強度分析。該FPSO主尺度如下：

3.1? ?模型建立

3.1.1 全船模型

運用SESAM GeniE對FPSO進行全船有限元建模，具體范圍為：縱向從尾封板至首柱;橫向從左舷至右舷;垂向從船底基線至主甲板，包括首部首樓及舷墻區(qū)域。

具體建模要求可參考《規(guī)范》5A-3-4-5的要求：網(wǎng)格大小約1個縱骨間距;主要板材和桁材腹板用殼單元模擬;扶強材和桁材面板用梁單元模擬。具體有限元模型，如圖1所示。

值得注意的是，F(xiàn)PSO由VLCC經(jīng)過改裝而成，在主甲板上新增的各個模塊對主甲板的強度造成了極大的影響。為了保證FPSO主甲板能夠承受各個模塊的重量，本FPSO改裝方案在主甲板新增了多個加強構(gòu)件，主要包括新增甲板縱桁、加大原縱骨和強橫梁的尺寸等。具體加強模型如圖2。

3.1.2? 質(zhì)量模型

為了確保分析準確性，質(zhì)量模型必須能夠反映實際的沿船長方向上的質(zhì)量分布情況，且最終的重心位置和重量分布應(yīng)和《穩(wěn)性計算書》的計算工況一致。具體可通過調(diào)整不同貨艙段的密度以及在模塊位置、大型設(shè)備位置處設(shè)置質(zhì)量點等形式來實現(xiàn)，使重量分布接近實際情況。主船體（空船）重量重心如表1所示，包含模塊的質(zhì)量模型如圖3所示。

3.1.3邊界約束條件

通過在船體的首端頂部節(jié)點、首端底部節(jié)點、尾端底部節(jié)點施加線位移約束，以達到消除剛體位移的目的。邊界條件，如表2所列。

3.2? ?水動力載荷計算

3.2.1水動力計算模型

由于SESAM WADAM模塊以三維繞射和輻射理論作為波浪載荷計算的基礎(chǔ)，首先建立用于水動力計算的面元模型，將船體外殼在HydroD模塊中劃分為有限元網(wǎng)格。水動力模型，如圖4所示。

參考《規(guī)范》的要求，需要計算出作用在船體的典型波長（周期）的規(guī)則波。波浪周期的范圍取4～40s、步長間隔取1 s，總共選取37個頻率的規(guī)則波。

考慮浪向角對船體運動及誘導(dǎo)載荷的影響，選取12個浪向角、間隔為30o。

3.2.2 載荷傳遞函數(shù)（RAO）

應(yīng)用SESAM WADAM模塊進行傳遞函數(shù)的計算，并應(yīng)用 Postresp模塊進行傳遞函數(shù)的結(jié)果顯示。

壓載工況下12個浪向作用的船體垂蕩運動傳遞函數(shù)，如圖5所示;壓載工況下不同截面對應(yīng)的波浪誘導(dǎo)垂直彎矩傳遞函數(shù)，如圖6所示。

3.2.3? 長期預(yù)報及設(shè)計波

長期預(yù)報的參考海況采用了目標海域的波浪散布圖，結(jié)合三維繞射和輻射理論，求得由波浪誘導(dǎo)的船體運動、載荷傳遞函數(shù)。采用Weibull分布（二參數(shù)）對長期分布進行擬合，對船中截面的主要載荷參數(shù)進行長期預(yù)報（如垂向彎矩等），超越概率為10-8，對應(yīng)的設(shè)計壽命約為25年。

設(shè)計波波幅為aw：

式中：LTR為主要載荷參數(shù)的長期預(yù)報極值，本文選取百年一遇的預(yù)報極值;

RAOmax為主要載荷參數(shù)傳遞函數(shù)的最大幅值。

計算得到壓載工況的設(shè)計波：波浪周期為14 s;浪向角為180o;波幅為11 m;相位角為137o（中拱）/-43o（中垂）。

3. 3? 總縱強度計算

根據(jù)3.2.3計算所得的計算波參數(shù)，輸入等效設(shè)計波對主船體進行水動力、載荷傳遞及強度計算，得到FPSO各構(gòu)件對應(yīng)的最大位移和應(yīng)力。值得注意的是，需通過SESAM Cutres模塊對主要監(jiān)測截面應(yīng)力計算值進行積分得到設(shè)計波剪力彎矩值，并將該值與SESAM Postresp中長期預(yù)報的設(shè)計波剪力彎矩值進行對比，兩者結(jié)果應(yīng)吻合，證明載荷傳遞良好。

根據(jù)指南[2]4.3，總重力和總浮力的差值應(yīng)≤1%，重心與浮心縱坐標的差值應(yīng)≤0.1%倍船長。通過讀取支點垂向支反力，計算精度可滿足要求。

3.3.1 強度及位移計算

許用應(yīng)力衡準參考5A-3-4-13.3的要求，低碳鋼許用應(yīng)力為235 MPa、HT315鋼許用應(yīng)力為299 MPa、HT355鋼許用應(yīng)力為322 MPa。

壓載工況下的最大位移為0.52 m，在Xtract模塊下顯示位移云圖，見圖8;貨艙區(qū)橫向構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力，如圖9、圖10;貨艙區(qū)域的應(yīng)力水平匯總，見表3。

分析計算結(jié)果可知，由于受到總縱強度及艙內(nèi)不對稱壓力的同時作用，在貨艙區(qū)域橫艙壁水平桁趾端與縱艙壁相交處產(chǎn)生了較高應(yīng)力。

3.3.2 屈曲強度評估

屈曲強度評估參考《規(guī)范》5A-3-4規(guī)定，對貨艙區(qū)域的船底板、內(nèi)底板、底縱骨等縱向受壓構(gòu)件進行了屈曲強度的校核。具體板格雙向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，可通過PULS模塊將應(yīng)力數(shù)據(jù)提取并計算（限于篇幅，計算結(jié)果略）。

4? ? ?結(jié)論與展望

根據(jù)《規(guī)范》，應(yīng)用全船有限元方法對改裝300000 DWT級FPSO總縱強度進行分析，得出以下結(jié)論：

（1） 建立FPSO有限元模型和水動力模型，獲取甲板、外板和縱艙壁等主要縱向結(jié)構(gòu)在典型工況下的總縱強度應(yīng)力。采用整船模型比艙段模型能更加真實的模擬船體的應(yīng)力分布和變形;

（2） 設(shè)計時應(yīng)注意水平桁趾端和縱艙壁相交處，可采用“軟趾”的節(jié)點形式降低應(yīng)力集中現(xiàn)象;

（3） 由于船中部油氣處理模塊重量大、重心位置較高，與主船體連接的結(jié)構(gòu)在全船總縱彎曲的作用下，端部的肘板連接位置將產(chǎn)生局部高應(yīng)力，這些區(qū)域還需進行局部強度校核。

參考文獻

[1] American Bureau of Shipping，RULES FOR BUILDING AND CLASSING FLOATING PRODUCTION INSTALLATIONS [M]. February， 2016.

[2] GUIDE FOR SAFEHULL-DYNAMIC LOADING APPROACH FORVESSELS， [M]，October，2015

[3] 張延昌，羅廣恩，王自力，尹群. 大型滾裝船彎扭強度整船有限元分析[J].艦船科學技術(shù)，2005（6）：39-43.

[4] 段雷杰，張少雄，楊洋. 基于設(shè)計波法的 FPSO 全船有限元分析[J].船海工程，2017（2）：48-53.

[5] 嚴萍，石科良. 1750TEU 集裝箱船全船彎扭強度分析[J].艦船科學技術(shù)，2018 （6）：13-15.