海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置大型液化石油氣儲罐設(shè)計與校核

潘大新，陳文峰，陳 靜，孫伯娜

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

南海某海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)中計劃設(shè)置液化石油氣(LPG)回收系統(tǒng)，為了滿足穿梭油輪的往返時間間隔要求，在FPSO上需設(shè)置4個700 m3的大型LPG儲罐。海上設(shè)施使用的LPG儲罐一般采用常溫高壓設(shè)計[1]，原因是缺少冷卻介質(zhì)，這與LPG運(yùn)輸船儲罐的選擇類似。不同的是，LPG運(yùn)輸船的儲罐一般設(shè)在主船體內(nèi)，位置低且儲罐本體受船體外殼的保護(hù)，不會受到海浪的直接沖擊，在遇到惡劣海況時船也能通過調(diào)正航向減小環(huán)境影響。而FPSO長期飄浮在固定海域，有臺風(fēng)高發(fā)風(fēng)險，船艙內(nèi)布滿了儲油艙和壓載艙，LPG儲罐只能直接布置在船體主甲板上方高處的模塊平臺上。所以FPSO與LPG運(yùn)輸船的LPG儲罐在設(shè)計上存在本質(zhì)區(qū)別，特別是船體運(yùn)動對儲罐的影響，因此FPSO的LPG儲罐設(shè)計難度要高于LPG運(yùn)輸船上的儲罐，不能單純借鑒。

1 FPSO 大型LPG儲罐設(shè)計準(zhǔn)備

1.1 設(shè)計依據(jù)分析[2-6]

目前國內(nèi)外船級社均沒有針對FPSO上LPG儲罐的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和軟件。盡管現(xiàn)有的船舶規(guī)范有對海上LPG運(yùn)輸船液貨艙的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與方法，但僅適用于安放在船殼內(nèi)的壓力容器，而對獨(dú)立安放在甲板以上的儲罐設(shè)計并無規(guī)定。根據(jù)壓力容器的分類，LPG儲罐屬于三類高壓容器，設(shè)計可參考現(xiàn)有船舶規(guī)范中三類壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和C型獨(dú)立液艙設(shè)計方法[8-9]。

1.2 特殊工況分析[2-6]

FPSO大型LPG儲罐在海上環(huán)境，尤其是在風(fēng)浪引起FPSO運(yùn)動的情況下，儲罐內(nèi)部產(chǎn)生附加的動壓力可導(dǎo)致罐體需要承受更大的內(nèi)部壓力，這是海上LPG儲罐設(shè)計的特殊工況，也是其與陸上儲罐設(shè)計的最大差別，因此在設(shè)計時還必須充分考慮由船體運(yùn)動而引起附加動壓力的要求。

1.3 儲罐結(jié)構(gòu)形式

該FPSO上的4個LPG儲罐的體積和尺寸都相同，均采用單圓筒形式，兩端為球形封頭。儲罐模型見圖1，儲罐置于3個鞍座之上，儲罐與鞍座采用焊接連接。鞍座下面設(shè)置墊墩，鞍座與墊墩螺栓連接，墊墩與結(jié)構(gòu)梁焊接連接。

1.4 設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)

某南海目標(biāo)FPSO大型LPG儲罐的設(shè)計壓力1.76 MPa/全真空，設(shè)計溫度-45/65 ℃，罐體尺寸?6 400 mm×17 500 mm(T/T)，腐蝕裕量3 mm,焊接接頭系數(shù)1.0,罐體材質(zhì)SA-537M Class 1,鞍座與墊墩材質(zhì)均為SA-36M。LPG儲罐材料參數(shù)見表1。

表1 LPG儲罐材料參數(shù)

1.5 過程難點(diǎn)分析

FPSO大型LPG儲罐可參照三類壓力容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，同時要滿足LPG儲罐的設(shè)計參數(shù)、現(xiàn)場安裝空間與容器體積最大化要求，并確定儲罐本體與封頭材質(zhì)、壁厚，儲罐本體、封頭、支座型式以及儲罐的外形尺寸[6]。

設(shè)計中主要存在3個方面的難點(diǎn)：①壁厚設(shè)計。目前海上壓力容器設(shè)計方法僅適合于小型的儲罐，沒有專門針對FPSO上大型LPG儲罐的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、方法和程序。②鞍座設(shè)計及強(qiáng)度校核。需要減少由于鞍座布置而引起的應(yīng)力集中、變形等對罐體的不利影響，同時需要準(zhǔn)確地評估其強(qiáng)度，以確保儲罐的使用安全。③破波浪板設(shè)計。設(shè)計須兼顧良好的破波浪效果和符合安裝要求。

2 FPSO 大型LPG儲罐壁厚設(shè)計

2.1 壁厚程序計算

建立LPG儲罐有限元模型，結(jié)合ANSYS有限元設(shè)計軟件對壓力容器設(shè)備質(zhì)量隨壁厚的變化進(jìn)行迭代運(yùn)算，在滿足約束條件的情況下得到最優(yōu)設(shè)計序列，初步計算得到的LPG儲罐最小壁厚控制值見圖2。

圖2 LPG儲罐最小壁厚控制值

在LPG儲罐壁厚計算過程中FPSO上不同方位4個LPG儲罐對應(yīng)的運(yùn)動加速度見表2。表2中，LPG罐的重心坐標(biāo)(x,y,z)分別相對于FPSO的尾垂線、船舯和基線，g為重力加速度。

表2 LPG儲罐運(yùn)動加速度

2.2 危險截面影響

應(yīng)該注意的是，以上的壁厚計算并未考慮特殊位置的約束條件。對于LPG儲罐，支座處的筒體截面是一個危險截面，在外載荷與支座反力的作用下，筒體會在一定程度上出現(xiàn)扁塌現(xiàn)象，此現(xiàn)象會導(dǎo)致筒體受力不均勻，特別是彎曲應(yīng)力明顯增加，同時這還不能通過增加壁厚來降低影響[10]。因此需要設(shè)置支座處的內(nèi)加強(qiáng)圈，以便能減小筒體的扁塌現(xiàn)象以及筒體中的應(yīng)力，并在一定程度上改善支座的受力狀態(tài)。

3 FPSO 大型LPG儲罐鞍座選型

3.1 鞍座數(shù)量

首先要考慮罐體載荷。LPG儲罐內(nèi)徑為6 400 mm、長度為17 500 mm、體積為700 m3，超過了常規(guī)海上容器內(nèi)徑不大于4 000 mm、長度不大于16 000 mm、最大體積約200 m3的上限要求，使鞍座承受載荷顯著增加，超出了臥式容器常規(guī)雙鞍座下部模塊平臺結(jié)構(gòu)的承載能力限制。

此外，常規(guī)容器雙鞍座支撐跨距過大時筒體中間截面的撓度也會相應(yīng)增加，從而帶來相當(dāng)大的應(yīng)力，產(chǎn)生較大的彎曲和變形，不僅影響容器的安全使用，還會造成壁厚增加，影響儲罐的經(jīng)濟(jì)性。

為了在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的承載能力范圍內(nèi)安裝儲罐，同時減小上述問題的影響，采用三鞍座結(jié)構(gòu)減少各鞍座的載荷并改善容器的受力狀況，并在一定程度上抑制容器的振動[11]。

3.2 鞍座布置

由于鞍座的支撐作用，鞍座附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。對于多鞍座的壓力容器來說，當(dāng)鞍座之間不相互影響時，鞍座中心截面處的應(yīng)力分布僅與鞍座的總反力成正比。鞍座墊板的存在會極大降低鞍座尖角處的應(yīng)力集中[12]。

當(dāng)鞍座布置不均勻時，會造成各鞍座的反力分布不均，鞍座布置的不均勻程度越高，鞍座反力的不均勻度就會越大。當(dāng)鞍座分布均等時，用三彎矩方程計算得到的鞍座反力基本真實。但當(dāng)鞍座分布不均勻時，用三彎矩方程計算的鞍座反力則與實際偏差很大。因此，設(shè)計時采用了三鞍座均勻布置。

4 FPSO 大型LPG儲罐和鞍座應(yīng)力校核

4.1 校核工況說明

采用 ANSYS 軟件中的 Mechanical 模塊對設(shè)計的LPG儲罐、內(nèi)加強(qiáng)圈及鞍座進(jìn)行6種工況下的應(yīng)力強(qiáng)度校核。

4.1.1最大設(shè)計工況

該工況模擬設(shè)計狀態(tài)的最大載荷作用，載荷施加與邊界條件的設(shè)置如下：計算壓力1.862 MPa，風(fēng)速65.7 m/s，動載荷加速度ax=2.75g、ay=3.608g、az=-17.468g。

4.1.2靜橫傾工況

根據(jù)現(xiàn)有的船舶規(guī)范[7]規(guī)定，應(yīng)該考慮對應(yīng)于 0°～30°的最不利靜橫傾角的載荷。針對本工況校核容器在靜橫傾角為 30°時的強(qiáng)度。計算壓力為1.791 MPa，橫傾角度為30°。

4.1.3橫搖工況

該工況中考慮船舶運(yùn)動時的最大橫搖角度為 20°時的載荷作用，需考慮由液體晃動產(chǎn)生的液貨動壓力。計算壓力1.814 MPa，橫傾角度20°。

4.1.4縱搖工況

該工況中考慮船舶運(yùn)動時的最大縱搖角的載荷作用，需考慮由液體晃動產(chǎn)生的液貨動壓力。計算壓力1.834 MPa，縱搖角度7.95°。

4.1.5爆炸工況

模擬爆炸載荷作用，計算壓力0.636 MPa，爆炸載荷0.018 MPa。

4.1.6碰撞工況

根據(jù)現(xiàn)有的船舶規(guī)范[7]規(guī)定，應(yīng)基于滿載工況考慮碰撞載荷對支持構(gòu)件的影響，向前慣性力為0.5g，向后慣性力為0.25g。由于儲罐是對稱結(jié)構(gòu)，因此本工況考慮x正方向上作用 0.5g的慣性力，大小為4.905 m/s2，計算壓力0.641 MPa。

4.2 校核結(jié)果

根據(jù)規(guī)范[7]推薦的以上工況和邊界條件或參數(shù)，使用ANSYS對LNG儲罐模型進(jìn)行計算，得到各部位的最大等效應(yīng)力，判斷其是否小于許用應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。LNG儲罐不同部位應(yīng)力校核結(jié)果見表3。

表3 LPG儲罐筒體、封頭、內(nèi)加強(qiáng)圈及鞍座應(yīng)力校核結(jié)果

從表3可知，LPG儲罐的實際壁厚值滿足陸上三類壓力容器的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和船舶相關(guān)規(guī)范，滿足儲罐內(nèi)部動壓力的要求，且內(nèi)部加強(qiáng)圈以及鞍座設(shè)計都滿足各個條件的要求，能夠確保在FPSO上的使用安全。

5 LPG儲罐破波浪結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核

5.1 罐內(nèi)破波浪板設(shè)置

破波浪板能減緩儲罐內(nèi)液體的波動，延長儲罐的使用壽命，對儲罐殼體本身也有一定的加強(qiáng)作用。在LPG儲罐筒體內(nèi)設(shè)置橫向破波浪結(jié)構(gòu)，可以減少并緩和FPSO運(yùn)動時儲罐內(nèi)的液體介質(zhì)對儲罐殼體的沖擊影響。破波浪板的效果與其安放位置、儲罐直徑和長度有關(guān)。一般來說，破波浪板上部弓形面積不大于儲罐橫剖面面積的20%，且每個破波浪板的有效面積應(yīng)大于儲罐橫剖面面積的40%。設(shè)計中將破波浪板的總高度設(shè)在儲罐高液位報警點(diǎn)位置，上部弓形面積則為儲罐橫剖面面積的10%。破波浪板的有效面積等于儲罐橫剖面面積的68.5%，破波浪板的開孔率約為24.1%。該FPSO的每個LPG儲罐均設(shè)置了2道厚度6 mm的316SS破波浪板，高度為5 400 mm，板上均勻布置直徑60 mm的小孔，見圖3。

圖3 FPSO上LPG儲罐安裝的破波浪板

5.2 破波浪板效果校核

對LPG儲罐進(jìn)行計算流體力學(xué)仿真模擬，校核破波浪板的作用效果以及受沖擊情況。按最危險的工況[13]，校核液位高度取0.7倍的筒體直徑，即4 480 mm，搖晃周期10.023 s，搖晃幅度7.95°，操作壓力1 760 kPa，采用 VOF 方法(Volume of Fluid)模擬流體晃動和氣液交界面。

5.2.1液體分布

不同破波浪板設(shè)置條件下LPG儲罐罐體內(nèi)部液體流速分布云圖見圖4。從圖4可以看出，在罐體的搖晃過程中，沒有設(shè)置破波浪板的LPG儲罐內(nèi)部液面晃動非常劇烈，出現(xiàn)了部分罐體充滿和部分罐體空出的情況，整個液面的液體流速分配不均，局部形成渦流，造成液體內(nèi)部摻混氣體形成氣泡。而設(shè)有破波浪板的LPG罐體內(nèi)部大致分為3個相對獨(dú)立的區(qū)域，液面液體流速分配均勻，流速相差不大，有效抑制了液面的晃動。

圖4 不同破波浪板設(shè)置條件下LPG儲罐罐體內(nèi)液體流速分布云圖

5.2.2壓力分布

不同破波浪板設(shè)置條件下LPG罐體截面壓力分布云圖見圖5。

從圖5所示的云圖中可以看出，不設(shè)置破波浪板的罐體在搖晃過程中，液體晃動劇烈導(dǎo)致罐內(nèi)壓力分布非常不均勻，部分相鄰位置的壓力波動很大，而設(shè)置破波浪板使得整個罐內(nèi)的壓力分布較均勻，相鄰位置壓力連續(xù)和平衡。

圖5 不同破波浪板設(shè)置條件下LPG儲罐罐體截面壓力分布云圖

5.2.3罐體受力與時間關(guān)系

不同破波浪板設(shè)置條件下LPG儲罐罐體受力與時間關(guān)系曲線見圖6。

圖6 不同破波浪板設(shè)置條件下LPG儲罐罐體受力與時間關(guān)系曲線

從圖6的曲線可以看出，有無破波浪板條件下LPG罐體受力的周期性和搖晃的周期性一致，沒有設(shè)置破波浪板條件下的LPG儲罐罐體最大受力波動很大，正常最大受力達(dá)到約600 000 N。而增加破浪板后，液體對LPG儲罐罐體的沖擊力明顯降低，正常最大受力降低到約150 000 N。罐體指儲液罐整體，即在結(jié)構(gòu)上考慮了2個封頭和殼體。

6 結(jié)語

研究了FPSO上大型LPG儲罐設(shè)計與校核方法，探討了壁厚計算、多鞍座選型、破波浪板設(shè)計和應(yīng)力校核等難題，通過實例介紹了設(shè)計過程中細(xì)節(jié)問題的考慮和針對性解決思路。應(yīng)力校核結(jié)果表明，增加破波浪板能夠有效抑制LPG儲罐罐體內(nèi)液體的晃動，明顯降低液體對罐體的沖擊力與壓強(qiáng)，提高了罐體的安全裕度。需要補(bǔ)充的是，多數(shù)情況下LPG儲罐的三鞍座是各自獨(dú)立的，安裝時高度差異或位置變形往往會使儲罐殼體中產(chǎn)生內(nèi)彎矩[14]，儲罐安裝過程中應(yīng)盡量避免鞍座的沉降[15]。破波浪板與儲罐殼體的連接應(yīng)采用牢固可靠的方法，文中FPSO的LPG儲罐破波浪板由加強(qiáng)構(gòu)件支撐，建議兩者采用雙螺母鎖緊，加強(qiáng)構(gòu)件與支撐耳座之間采用焊接連接。這種連接方式可實現(xiàn)在滿足強(qiáng)度要求條件下的輕量化設(shè)計，而且對殼體膜應(yīng)力承載狀態(tài)的破壞也較小。