浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置上液化石油氣儲罐支承結(jié)構(gòu)強度校核

謝騰騰，馮玉潔，邢 玲，何文濤，文曉龍，劉學(xué)虎，孫冬來

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

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)是集石油開采、處理、儲存及運輸為一體的大型綜合性海上石油生產(chǎn)基地。與其他形式石油生產(chǎn)平臺相比，F(xiàn)PSO具有抗風(fēng)浪能力強、適應(yīng)水深范圍廣、儲卸油能力大、可轉(zhuǎn)移及可重復(fù)使用的優(yōu)點，適用于遠(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，不僅浪費能源，而且對環(huán)境造成危害。因此，含有液化石油氣(LPG)生產(chǎn)處理裝置的新型浮式石油及液化石油氣開采儲卸裝置應(yīng)運而生[1-9]。

LPG儲罐是LPG生產(chǎn)處理過程中的重要設(shè)備之一。不同于陸地上的儲罐，F(xiàn)PSO上的儲罐除了承受壓力、風(fēng)載荷、自重、介質(zhì)質(zhì)量及外部件的作用力外，還需要考慮船體的運動及內(nèi)部液體晃蕩產(chǎn)生的載荷，其設(shè)計計算過程要復(fù)雜得多。目前的海上壓力容器設(shè)計方法僅適合于小型儲罐，沒有專門的海上浮式LPG儲罐的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、方法和程序[1]。LPG儲罐質(zhì)量很大(單臺凈質(zhì)量約220 t，操作質(zhì)量約635 t)，F(xiàn)PSO的橫搖、縱搖和晃蕩會對儲罐的支承結(jié)構(gòu)造成很大沖擊，因此儲罐支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計及強度校核成為LPG儲罐設(shè)計的難點之一。

筆者結(jié)合ASME BPVC Ⅷ.1—2017《Rules for Construction of Pressure Vessels》[10]、ASME BPVC Ⅱ Part D—2017《Properties(Metric)》[11]與中國船級社規(guī)范《液艙晃蕩載荷及構(gòu)件尺寸評估指南》[12]、《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[13](簡稱IGC規(guī)則)中C型獨立液貨艙的設(shè)計方法，以某項目中FPSO上的LPG儲罐為例，對直接計算LPG儲罐支承結(jié)構(gòu)強度的流程及關(guān)鍵點進行闡述。

1 LPG儲罐設(shè)計參數(shù)

某項目中FPSO上的700 m3LPG儲罐結(jié)構(gòu)為單圓筒形式，兩端為球形封頭(圖1)。LPG儲罐操作質(zhì)量為635 004 kg?？紤]到下部模塊平臺結(jié)構(gòu)承載能力的限制，采用三鞍座支撐形式，以減少作用在平臺梁上的集中載荷。儲罐與鞍座采用焊接連接。

圖1 LPG儲罐結(jié)構(gòu)簡圖

鞍座下部設(shè)置墊墩，鞍座與墊墩螺栓連接。中間鞍座為固定鞍座，兩邊鞍座為滑動鞍座，滑動鞍座上的螺栓孔為可釋放軸向位移的長圓孔[14-16]，墊墩與下部模塊結(jié)構(gòu)梁焊接連接。

LPG儲罐設(shè)計壓力1.76 MPa，設(shè)計溫度65 ℃，操作壓力0.61～1.1 MPa，操作溫度40 ℃，腐蝕裕量3 mm，焊接接頭系數(shù)1.0，介質(zhì)LPG密度526 kg/m3。儲罐筒體、封頭用主體材料為SA-537M Class 1，支承結(jié)構(gòu)材料為SA-36M，各材料力學(xué)性能見表1。

表1 LPG儲罐主體及支承結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能

SA-537M Class 1的許用應(yīng)力取ASME規(guī)范和IGC規(guī)則中要求的較苛刻者，即138 MPa[11-13]。SA-36M的許用應(yīng)力按IGC規(guī)則取220 MPa[13]。

儲罐所處環(huán)境風(fēng)速為65.7 m/s。本次分析中坐標(biāo)原點位于儲罐本體的幾何中心處，x方向為船體的縱向，以船尾向船首方向為正；y方向為船體的橫向，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。x、y、z方向上船體的運動加速度分別為ax=2.75 m/s2、ay=3.608 m/s2、az=-17.468 m/s2，船體最大橫搖角14.97°，船體最大縱搖角7.95°，爆炸載荷18 kPa。

2 LPG儲罐計算模型

結(jié)合ASME BPVC Ⅷ.1—2017和IGC規(guī)則進行LPG儲罐的整體設(shè)計，按照ASCE7—2016《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》[17]計算風(fēng)載荷。儲罐的筒體、封頭強度，接管開孔補強等按照ASME BPVC VIII.1—2017要求，采用PV Elite軟件進行計算，文中不再贅述。需要注意的是，LPG儲罐設(shè)計中的計算內(nèi)壓除了設(shè)計壓力、液柱靜壓力外，還應(yīng)包含液體動壓力和晃蕩載荷[12-13]。采用ANSYS有限元軟件，按照IGC規(guī)則核算支承結(jié)構(gòu)的強度，風(fēng)載荷則通過PV Elite計算提取后進行施加。

2.1 幾何模型

按照IGC規(guī)則第2篇附錄2中5.3節(jié)的規(guī)定[13]，根據(jù)LPG儲罐及鞍座結(jié)構(gòu)圖樣建立LPG儲罐幾何模型，見圖2。

利用ANSYS中的Mechanical模塊進行LPG儲罐的計算分析。采用殼單元進行儲罐模型的網(wǎng)格劃分，單元尺寸為100 mm，對墊板與筒體的連接處進行網(wǎng)格細(xì)化。最終模型共劃分為69 645個單元。

2.2 計算工況

LPG儲罐有限元計算時需考慮的工況見表2。

圖2 LPG儲罐幾何模型

爆炸工況和碰撞工況屬于偶然工況，計算內(nèi)壓取最小操作壓力，計算內(nèi)壓應(yīng)當(dāng)包含液柱靜壓力0.031 MPa。液貨動壓力根據(jù)IGC規(guī)則計算求得[13]，橫搖液貨動壓力為0.054 MPa，縱搖液貨動壓力為0.074 MPa?；问庉d荷根據(jù)《液艙晃蕩載荷及構(gòu)件尺寸評估指南》[12]求得，為0.057 MPa。

表2 LPG儲罐有限元計算工況[13]

2.3 邊界條件

內(nèi)壓和風(fēng)載荷以Pressure的方式施加，內(nèi)壓施加到罐體內(nèi)壁，風(fēng)壓施加到罐體外壁。船體運動載荷以Acceleration方式施加，船體傾斜通過分解重力加速度的方式模擬。LPG儲罐內(nèi)件、介質(zhì)及外部附件的質(zhì)量通過修改罐體材料密度模擬，模型質(zhì)量與圖樣質(zhì)量一致。支承2底部設(shè)置為固定約束，支承1和支承3底部約束y向和z向位移。不同工況下的載荷施加與邊界條件設(shè)置見圖3～圖8。

圖3 最大設(shè)計工況下LGP儲罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖4 靜橫傾工況下LGP儲罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖5 橫搖工況下LGP儲罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖6 縱搖工況下LGP儲罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖7 爆炸工況下LGP儲罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖8 碰撞工況下LGP儲罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

3 LPG儲罐強度校核

3.1 罐體及支承結(jié)構(gòu)

有限元計算得到的不同工況下LPG儲罐應(yīng)力分布云圖見圖9～圖14。

圖9 最大設(shè)計工況下LPG儲罐應(yīng)力分布云圖

圖10 靜橫傾工況下LPG儲罐應(yīng)力分布云圖

圖11 橫搖工況下LPG儲罐應(yīng)力分布云圖

根據(jù)計算結(jié)果，按IGC規(guī)則附錄2的表5.6.2[13]對儲罐本體、內(nèi)加強圈、支承結(jié)構(gòu)進行強度校核，結(jié)果見表3。表3中筒體封頭薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為不大于1.5倍的材料許用應(yīng)力，即207 MPa；內(nèi)加強圈薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.5Rm和0.85ReL中的較小值，即241.5 MPa；支承結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為不大于材料許用應(yīng)力，即220 MPa。

圖12 縱搖工況下LPG儲罐應(yīng)力分布云圖

圖13 爆炸工況下LPG儲罐應(yīng)力分布云圖

圖14 碰撞工況下LPG儲罐應(yīng)力分布云圖

3.2 墊墩與底部結(jié)構(gòu)間焊縫

LPG儲罐墊墩與底部結(jié)構(gòu)之間的焊縫焊腳高度為20 mm，該焊縫應(yīng)能承受各工況下最苛刻的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。焊縫材料許用拉應(yīng)力[σ]按ASME規(guī)范取114 MPa[10-11]，剪切許用應(yīng)力[τ]根據(jù)文獻[10]取0.49倍的許用拉應(yīng)力，即[τ]=55.86 MPa。

表3 不同工況下LPG儲罐強度校核結(jié)果

提取底部結(jié)構(gòu)約束處的支撐反力，計算得到了不同工況下LPG儲罐墊墩與底部結(jié)構(gòu)間焊縫的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，分別見表4和表5。表4、表5中Fx、Fy為x和y方向的支撐反力，τx、τy為x和y方向的剪切應(yīng)力，τxy為最大剪切應(yīng)力，Mx、My為繞x軸和y軸的彎矩，σx、σy為x和y方向的正應(yīng)力，σ為最大正應(yīng)力。

表4 不同工況下LPG儲罐墊墩與底部結(jié)構(gòu)間焊縫剪切應(yīng)力計算結(jié)果

表5 不同工況下LPG儲罐墊墩與底部結(jié)構(gòu)間焊縫彎曲應(yīng)力計算結(jié)果

(1)剪切應(yīng)力校核 墊板尺寸為6 700 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τx=Fx/(0.7×20×7 600)、τy=Fy/(0.7×20×7 600)。由表4可知，最大剪切應(yīng)力工況為碰撞工況，其τxy=29.42 MPa<[τ]。

(2)彎曲應(yīng)力校核 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Wx=295 661 748.1 mm3、Wy=88 465 273.6 mm3，進而求得σx=Mx/Wx、σy=My/Wy。由表5可知，最大彎曲應(yīng)力工況為碰撞工況，其σ= 51.8 MPa<[σ]。

取最苛刻工況進行焊腳高度核算可以得出，焊腳高度20 mm能夠滿足強度要求。

4 結(jié)語

FPSO上LPG儲罐的支承結(jié)構(gòu)強度校核是LPG儲罐設(shè)計的難點之一，目前國內(nèi)外船級社均無針對此結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。文中結(jié)合ASME壓力容器建造規(guī)范與IGC規(guī)則中的C型獨立液貨艙設(shè)計方法，針對LPG儲罐的支承結(jié)構(gòu)建立有限元模型，綜合考慮罐體內(nèi)部壓力、風(fēng)載荷、船體運動載荷、船體傾角、爆炸載荷及碰撞載荷對支承結(jié)構(gòu)的影響，分6種工況進行儲罐應(yīng)力計算。根據(jù)計算結(jié)果，對支承結(jié)構(gòu)處罐體、加強環(huán)，支承結(jié)構(gòu)自身，墊墩與底部結(jié)構(gòu)之間的角焊縫分別進行強度校核，可為工程中FPSO上LPG儲罐的設(shè)計提供參考。