浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置上LPG儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

謝騰騰，邢 玲，馮玉潔，劉學(xué)虎，何文濤，文曉龍

(上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518)

0 引言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)，是集石油開采、處理、儲(chǔ)存、運(yùn)輸為一體的綜合性大型海上石油生產(chǎn)基地。與其他形式石油生產(chǎn)平臺(tái)相比，F(xiàn)PSO具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)卸油能力大，以及可轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，適合于遠(yuǎn)離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)，已成為海上油氣田開發(fā)的主流生產(chǎn)方式。在海洋石油開發(fā)過程中，原油處理所產(chǎn)生的石油氣通常被燃燒掉，這不僅對(duì)環(huán)境造成了危害，還浪費(fèi)了寶貴的能源。因此，具有LPG生產(chǎn)處理裝置的新型LPG FPSO(浮式石油及液化石油氣開采儲(chǔ)卸裝置)應(yīng)運(yùn)而生[1-5]。

LPG儲(chǔ)罐是LPG生產(chǎn)處理裝置中的重要設(shè)備。不同于陸上的儲(chǔ)罐，F(xiàn)PSO上的儲(chǔ)罐除了承受壓力、風(fēng)載荷、重量載荷、外部件的作用力載荷外，還需要考慮船體的運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部液體的動(dòng)壓力及晃蕩載荷，其設(shè)計(jì)計(jì)算過程較復(fù)雜。目前，海上壓力容器設(shè)計(jì)方法僅適合于小型容器，沒有專門的海上浮式大型容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、方法和程序[1]。由于LPG儲(chǔ)罐重量很大(單臺(tái)凈重約220 t，操作重量約635 t)，因此在FPSO橫搖、縱搖和垂蕩過程中，罐內(nèi)液體的動(dòng)壓力和晃蕩載荷，會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐的罐體壁厚設(shè)計(jì)和支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來不可忽略的影響，因此，LPG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)要比普通的壓力容器設(shè)計(jì)復(fù)雜很多。本文結(jié)合壓力容器建造規(guī)范與船級(jí)社規(guī)范《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》(簡稱IGC規(guī)則)等[6-9]中C型獨(dú)立液貨艙的設(shè)計(jì)方法，闡述FPSO上LPG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的流程及關(guān)鍵點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

某FPSO上LPG儲(chǔ)罐容積700 m3，采用單圓筒形式，兩端為球形封頭，見圖1。LPG儲(chǔ)罐操作重量635 004 kg，沿船長度方向布置?？紤]到下部模塊平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載能力限制，采用三鞍座支撐以減少作用在平臺(tái)梁上的集中載荷。儲(chǔ)罐與鞍座采用焊接連接。鞍座下面設(shè)置墊墩，鞍座與墊墩采用螺栓連接，中間鞍座為固定鞍座，兩個(gè)邊鞍座上螺栓孔為長圓孔，釋放軸向位移[10-12]，墊墩與下部模塊結(jié)構(gòu)梁焊接連接。儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，材料參數(shù)見表2，環(huán)境參數(shù)見表3。

圖1 LPG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意

表1 LPG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 材料特性

1)筒體、封頭用材料SA-537M Class 1的許用應(yīng)力取ASME規(guī)范和IGC規(guī)則中的較苛刻者，為138 MPa[7-8]；支承結(jié)構(gòu)用SA-36M的許用應(yīng)力按IGC規(guī)則[8]取220 MPa。支承結(jié)構(gòu)與底部結(jié)構(gòu)的連接采用焊接連接，焊縫許用拉應(yīng)力與母材同等強(qiáng)度[6-7]，為114 MPa，剪應(yīng)力根據(jù)UW-15[6]取0.49倍的許用拉應(yīng)力，為55.86 MPa

表3 環(huán)境參數(shù)

1)爆炸載荷是指爆炸性氣體在罐體附近積聚、爆炸對(duì)罐體產(chǎn)生的沖擊載荷

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

LPG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)計(jì)算遵循壓力容器建造規(guī)范ASME BPVC Ⅷ.1和IGC規(guī)則，采用規(guī)則設(shè)計(jì)加有限元校核的方式進(jìn)行。儲(chǔ)罐的筒體、封頭強(qiáng)度，接管開孔補(bǔ)強(qiáng)等按照ASME BPVC Ⅷ.1進(jìn)行，可采用PV Elite進(jìn)行計(jì)算。目前通用的壓力容器強(qiáng)度計(jì)算軟件無法準(zhǔn)確地對(duì)本模型進(jìn)行計(jì)算：PV Elite進(jìn)行多鞍座計(jì)算時(shí)，單個(gè)鞍座承受載荷為總載荷/鞍座個(gè)數(shù)，與實(shí)際受力模型不符；SW6雖然可以計(jì)算對(duì)稱設(shè)置的三鞍座模型，但又難以處理船體運(yùn)動(dòng)載荷和船體傾角?；谝陨显?，再加上IGC規(guī)則中對(duì)此類結(jié)構(gòu)計(jì)算的特殊要求，有必要對(duì)LPG儲(chǔ)罐及其支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元校核。

2.1 計(jì)算載荷

鑒于船上設(shè)備載荷的特殊性，在設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：計(jì)算內(nèi)壓=設(shè)計(jì)壓力+液體動(dòng)壓力+晃蕩載荷[8-9]；船體運(yùn)動(dòng)、橫搖及縱搖傾角以“加速度”方式加載進(jìn)行模擬，以對(duì)支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；模型中應(yīng)充分考慮保溫、操作平臺(tái)等附屬結(jié)構(gòu)帶來的重量及迎風(fēng)面積的增加[13]。

2.1.1 液體動(dòng)壓力

液體動(dòng)壓力為由重力和動(dòng)力加速度的聯(lián)合作用所引起的內(nèi)部液體壓力，其計(jì)算應(yīng)考慮“橫向+垂向”(即橫搖工況)及“縱向+垂向”(即縱搖工況)，采用二向加速度橢圓法，取大值。計(jì)算中選取X方向?yàn)榇w的縱向，以船尾向船首方向?yàn)檎籝方向?yàn)榇w的橫向，以船縱中線向左舷為正；Z軸為船體的垂向，以基線向上為正；坐標(biāo)原點(diǎn)為儲(chǔ)罐本體的形心截面最低點(diǎn)。

液體動(dòng)壓力可按以下公式[8]計(jì)算：

式中pgd,i——對(duì)應(yīng)于βi的液體動(dòng)壓力，MPa；

ay,az——y和z方向加速度，m/s2；

βi——橫向+垂向合成加速度矢量角，范圍為0～βmax，其中：

Zβ——從所決定的壓力點(diǎn)沿β方向向上量至殼體內(nèi)壁的最大液柱高度，m；

ρ——設(shè)計(jì)溫度時(shí)的最大液體密度，kg/m3，ρ=526 kg/m3。

對(duì)于橫搖工況：

Zβ=[R+(R-z)cosβi-ysinβi]

式中R——罐體半徑，m；

y，z——罐體上計(jì)算點(diǎn)的橫向和垂向坐標(biāo)，m。

對(duì)βi，每隔0.02取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，可以得出橫搖工況下最大液體動(dòng)壓力為0.054 MPa。

對(duì)于縱搖工況，將上式中ay替換為ax,Zβ的取值見圖2。

圖2 Zβ取值示意

取20組壓力點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算可得縱搖工況下最大液體動(dòng)壓力為0.074 MPa。

2.1.2 晃蕩載荷

由于罐內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)，使其在阻礙液體自由運(yùn)動(dòng)的筒體和封頭上產(chǎn)生動(dòng)載荷，該動(dòng)載荷即為液體的晃蕩載荷。根據(jù)IGC規(guī)則，晃蕩載荷在整個(gè)罐深范圍內(nèi)均勻分布，與設(shè)計(jì)壓力、液體動(dòng)壓力疊加后施加到罐體上?；问庉d荷的計(jì)算按以下公式[9]進(jìn)行：

Psmax=ρgHT/L

對(duì)于橫向晃蕩：

對(duì)于縱向晃蕩：

式中HT,HL——等效晃蕩高度、長度，m；

θ,φ——橫搖角、縱搖角，deg；

bs,ls——橫向、縱向有效晃蕩長度，m(對(duì)于沒有防晃動(dòng)措施的儲(chǔ)罐，為對(duì)應(yīng)液位下的儲(chǔ)罐寬度和長度)；

hf——罐內(nèi)液體充裝高度，m；

h——罐高，m,h=6.4 m。

a,b,c,d,α,β,γ,δ,kL均為計(jì)算過程參數(shù)，具體計(jì)算過程或取值詳見文獻(xiàn)[9]。

通過迭代計(jì)算，得出最大晃蕩載荷Psmax=0.057 MPa。綜上可得，LPG儲(chǔ)罐的計(jì)算壓力為:1.76+0.074+0.057=1.891 MPa。按此壓力，考慮船體運(yùn)動(dòng)、風(fēng)載荷后進(jìn)行LPG儲(chǔ)罐的殼體壁厚設(shè)計(jì)、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)、支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 有限元校核

有限元校核部分采用ANSYS軟件中的Mechanical模塊。按照IGC規(guī)則第2篇附錄2的5.3節(jié)的規(guī)定建立模型[8]，見圖3。采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為100 mm。墊板與筒體的連接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。校核工況見表4 。

圖3 LPG儲(chǔ)罐模型

表4 LPG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)有限元校核工況

圖4 最大設(shè)計(jì)工況載荷施加與邊界條件設(shè)置

壓力和風(fēng)載荷以面壓力的方式施加，計(jì)算壓力施加到罐體內(nèi)壁，風(fēng)壓施加到罐體外壁；船體運(yùn)動(dòng)載荷以慣性力方式施加；船體傾斜通過分解重力加速度的方式模擬；LPG儲(chǔ)罐內(nèi)件/介質(zhì)及外部附件的重量通過修改罐體材料密度模擬；支承2底部設(shè)置為固定約束，支承1和3底部約束Y向和Z向位移。圖4為最大設(shè)計(jì)工況的載荷施加與邊界條件設(shè)置情況，其余工況設(shè)置類似。

3 有限元校核結(jié)果

常規(guī)計(jì)算部分在此不再過多展開，以下對(duì)有限元校核部分進(jìn)行說明。需要進(jìn)行校核的部位如下：支承結(jié)構(gòu)處筒體、加強(qiáng)環(huán)，支承結(jié)構(gòu)自身，支承結(jié)構(gòu)與下部模塊焊接的角焊縫。

3.1 罐體及支承結(jié)構(gòu)校核

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)儲(chǔ)罐本體、內(nèi)加強(qiáng)圈、支承結(jié)構(gòu)按IGC規(guī)則附錄2的表5.6.2進(jìn)行校核[8]，校核結(jié)果見表5。整體結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力分布云圖見圖5。

表5 強(qiáng)度校核結(jié)果

(a)最大設(shè)計(jì)工況

(b)靜橫傾工況

(c)橫搖工況

(d)縱搖工況

(e)爆炸工況

(f)碰撞工況

圖5 整體結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖

3.2 焊縫校核

墊墩與底部結(jié)構(gòu)之間的焊縫焊腳高度20 mm，該焊縫應(yīng)能承受各工況下最苛刻的剪切和彎曲。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取底部約束處的支撐反力，計(jì)算不同工況下的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。

(1)剪應(yīng)力計(jì)算。

墊板尺寸為6700 mm×900 mm，周邊滿焊情

況下焊縫長度為15 200 mm，假定焊縫長度不小于周邊滿焊的一半，為7 600 mm，則：

校核準(zhǔn)則：τxy≤焊縫剪切許用應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果見表6 。

表6 焊縫剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(2)彎曲應(yīng)力計(jì)算。

將焊縫截面簡化為矩形環(huán)，可以求得焊縫截面的抗彎模量為：Wx=295 661 748.1 mm3，Wy=88 465 273.6 mm3，進(jìn)而求得：

校核準(zhǔn)則：σ≤焊縫拉伸許用應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果見表7 。

表7 焊縫彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表6可以看出，最大剪應(yīng)力工況為碰撞工況，其值為：τxy=29.42 MPa<55.86 MPa；由表7可以看出，最大彎曲應(yīng)力工況為碰撞工況，其值為：σ=51.8 MPa<114 MPa。

綜上所述，取最苛刻工況進(jìn)行焊腳高核算可以得出，焊腳高度20 mm能夠滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語

(1)針對(duì)船上大型設(shè)備，結(jié)合壓力容器建造規(guī)范與IGC規(guī)則中的C型獨(dú)立液貨艙設(shè)計(jì)方法，采用規(guī)則設(shè)計(jì)加有限元校核的方式，對(duì)設(shè)備本體和支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核計(jì)算。

(2)計(jì)算中考慮設(shè)備內(nèi)部液體動(dòng)壓力及晃蕩載荷的影響。

(3)有限元校核按IGC規(guī)則，計(jì)算6種工況，綜合考慮罐體內(nèi)部壓力、風(fēng)載荷、船體運(yùn)動(dòng)載荷、船體傾角、爆炸載荷、碰撞載荷對(duì)設(shè)備本體及其支承結(jié)構(gòu)的影響。

(4)對(duì)支承結(jié)構(gòu)處筒體、加強(qiáng)環(huán)，支承結(jié)構(gòu)自身，支承結(jié)構(gòu)與下部模塊連接焊縫分別進(jìn)行校核，可為船上大型設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。