考慮腐蝕損傷的FPSO船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度LC演變特性

劉慧菊， 張 崎*， 王鵬飛， 周 雷

(1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

船體由于受到海水、海洋生物及內(nèi)部所載貨物、壓載海水等因素的影響，不可避免地存在腐蝕損傷。相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明：船舶的失效有相當(dāng)數(shù)量是由腐蝕損傷引起的[1]。浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)需要長(zhǎng)期服役且在整個(gè)服役期間不進(jìn)塢檢修[2]。

近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)考慮腐蝕損傷的FPSO船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究。PAIK等[3]在分析海水壓載艙內(nèi)大量的實(shí)測(cè)腐蝕數(shù)據(jù)后，整理出適用于船體海水壓載艙、單體油船、雙體油船和FPSO的線性腐蝕模型。徐業(yè)峻[4]研究服役多年的FPSO船體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，基于計(jì)算分析結(jié)果對(duì)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度不足之處進(jìn)行加強(qiáng)。徐亦斌等[5]以南海奮進(jìn)號(hào)FPSO為對(duì)象，使用有限元分析軟件，對(duì)其采用的內(nèi)轉(zhuǎn)塔進(jìn)行局部受力分析，了解各載荷對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響。唐文勇等[6]以某FPSO為例，計(jì)算在不同腐蝕程度下構(gòu)件的失效概率和船體梁極限強(qiáng)度的時(shí)變可靠度。PETILLO[7]根據(jù)檢測(cè)的厚度和載荷，對(duì)腐蝕的FPSO貨艙進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，并確定屈服、屈曲、斷裂的破壞準(zhǔn)則。遲少艷等[8]介紹海洋石油115號(hào)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置的船體設(shè)計(jì)，并對(duì)其總縱強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行重點(diǎn)分析。ZHANG等[9]研究腐蝕損傷對(duì)船體加筋板結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響，討論腐蝕體積、腐蝕深度和位置等因素對(duì)加筋板極限強(qiáng)度的影響，并提出以腐蝕體積作為參數(shù)的極限強(qiáng)度評(píng)估公式。何麗絲等[10]基于自主研發(fā)的軟件，依照規(guī)范對(duì)某客滾船艙段的屈曲強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算，并對(duì)艙段甲板結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

考慮到FPSO長(zhǎng)期服役、難以返塢維修、服役于惡劣海況環(huán)境的特點(diǎn)，依據(jù)中國(guó)船級(jí)社(CCS)《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范》[11]，通過(guò)計(jì)算對(duì)生命周期(Life Cycle，LC)各服役年限的某型FPSO船體結(jié)構(gòu)遭受均勻腐蝕損傷的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

1 模型簡(jiǎn)介

1.1 船體結(jié)構(gòu)

該FPSO為服役于南海油田開(kāi)發(fā)工程的重要設(shè)施，采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)壽命為30 a，主船體主要采用船用低碳鋼(屈服強(qiáng)度為235 MPa)和AH高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度為315 MPa)兩種材料。

1.2 有限元模型簡(jiǎn)介

基于ANSYS軟件，依據(jù)實(shí)船圖紙建立FPSO全船有限元模型，如圖1和圖2所示。使用Shell 63殼單元模擬船體主要構(gòu)件，如船體外殼、甲板結(jié)構(gòu)、艙壁結(jié)構(gòu)等；使用Beam 188梁?jiǎn)卧M強(qiáng)構(gòu)件的面板、加強(qiáng)筋等；使用Mass 21質(zhì)量單元模擬上部設(shè)備的質(zhì)量。全船有限元模型共有466 361個(gè)單元和402 741個(gè)節(jié)點(diǎn)。

邊界條件按照文獻(xiàn)[11]推薦的方法，對(duì)模型施加3點(diǎn)約束以約束模型的剛體位移，艉部左右兩舷所選約束點(diǎn)應(yīng)對(duì)稱(chēng)于浮體中縱剖面。表1給出各約束點(diǎn)的具體約束情況。

圖1 FPSO全船有限元模型

圖2 局部結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 邊界條件說(shuō)明

1.3 計(jì)算載荷

使用全船有限元模型進(jìn)行載荷計(jì)算和強(qiáng)度分析，相較于使用局部模型，全船模型的載荷計(jì)算更加真實(shí)準(zhǔn)確，能夠獲得更為詳細(xì)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

選取滿載載況，研究FPSO在迎浪狀態(tài)下中拱的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。計(jì)算載荷主要包含規(guī)范要求的靜載荷和動(dòng)載荷兩部分，靜載荷主要包含貨物壓力、舷外靜水壓力。各貨艙均處于滿載狀態(tài)，貨艙內(nèi)部施加的液體壓力載荷呈線性梯度分布，靜水壓力與船舶吃水呈線性比例關(guān)系。船體在航行中所受的動(dòng)載荷包含舷外波浪壓力及波浪與船體相互作用所引起的慣性載荷，波浪載荷的波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)，取百年一遇的波高13.6 m，波浪周期為12.57 s。船體施加的動(dòng)載荷分布如圖3所示。

圖3 波浪動(dòng)載荷示例

1.4 腐蝕模型

1.4.1 腐蝕速率選取

依據(jù)文獻(xiàn)[11]劃分船體17種腐蝕環(huán)境，總結(jié)艙室內(nèi)典型結(jié)構(gòu)的構(gòu)件單面年腐蝕速率，如表2所示。

表2 構(gòu)件單面年腐蝕速率 mm/a

不同平臺(tái)結(jié)構(gòu)兩側(cè)所處的腐蝕環(huán)境不同，按照表2給出的17種在腐蝕環(huán)境下的腐蝕速率，兩種腐蝕速率疊加即可獲得該結(jié)構(gòu)的腐蝕速率。

1.4.2 考慮腐蝕損傷的LC有限元模型修正

考慮腐蝕的LC有限元模型修正，即對(duì)有限元模型進(jìn)行LC腐蝕折減，在船體結(jié)構(gòu)初始厚度的基礎(chǔ)上扣除腐蝕量。因此，需要在腐蝕模型中將FPSO船體結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋、帶板厚度定義為包含腐蝕時(shí)間的變量?？紤]腐蝕折減的板厚t的變量表達(dá)式為

t=t0-(Vi+Vj)T

(1)

式中：t0為板格的原始厚度；T為腐蝕時(shí)間，所使用的模型認(rèn)為由于涂層對(duì)船體的保護(hù)作用，投入使用前5年船體不發(fā)生腐蝕；Vi、Vj分別為船體板格結(jié)構(gòu)兩側(cè)的實(shí)際腐蝕環(huán)境對(duì)應(yīng)表2中的腐蝕速率。通過(guò)改變輸入的時(shí)間T，模型板厚t可自動(dòng)改變。

在ANSYS軟件中，殼單元厚度通過(guò)實(shí)常數(shù)體現(xiàn)，使用程序?qū)⒏鲗?shí)常數(shù)與對(duì)應(yīng)變量t關(guān)聯(lián)，根據(jù)腐蝕時(shí)間T更改變量數(shù)值t，通過(guò)重新附屬性，完成有限元模型更新。貨艙區(qū)域板厚變量分布如圖4所示。

圖4 貨艙區(qū)板厚變量分布

更新有限元模型，生成不同腐蝕年限整船或某艙段的板厚云圖，如圖5所示。由于船舶受到腐蝕損傷影響，板格厚度隨船舶服役年限增加而逐漸減小。

1.5 有限元計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算考慮在LC內(nèi)腐蝕損傷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，依據(jù)第1.4節(jié)所述的腐蝕模型對(duì)各服役年限構(gòu)件的厚度進(jìn)行減薄。使用ANSYS軟件更新模型厚度并加載計(jì)算，計(jì)算不同服役年限的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。提取殼單元中面位置的等效應(yīng)力，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行屈服和屈曲計(jì)算，以服役30 a、滿載中拱為例，有限元計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 隨服役年限增加的板厚變化

圖6 服役30 a、滿載中拱的船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2 FPSO船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度LC演變特性

強(qiáng)度評(píng)估規(guī)范及許用屈服利用因子、許用屈曲利用因子的選取參照文獻(xiàn)[11]。

2.1 屈服強(qiáng)度演變特性

使用自主開(kāi)發(fā)的船體結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度計(jì)算軟件進(jìn)行屈服計(jì)算。軟件通過(guò)提取ANSYS計(jì)算的殼單元中面位置的von Mises應(yīng)力和材料屈服強(qiáng)度，計(jì)算得到單元屈服利用因子λy，表達(dá)式為

(2)

式中：σvm為單元中面位置的von Mises應(yīng)力，MPa；σyd為材料的屈服應(yīng)力，MPa。

軟件還可將各單元的屈服利用因子通過(guò)云圖展示出來(lái)，以服役30 a、滿載中拱為例，給出船體結(jié)構(gòu)屈服利用因子計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。

圖7 服役30 a、滿載中拱的船體結(jié)構(gòu)屈服利用因子云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可判斷出船體結(jié)構(gòu)的屈服利用因子均小于許用屈服安全因子，服役30 a的屈服強(qiáng)度符合規(guī)范要求。同理可計(jì)算出在LC內(nèi)不同服役年限船體結(jié)構(gòu)屈服利用因子，結(jié)果如表3所示。

通過(guò)計(jì)算30 a設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)各服役年限船體結(jié)構(gòu)的屈服利用因子并繪制變化曲線(見(jiàn)圖8)可知：受腐蝕損傷影響，各構(gòu)件厚度變薄，應(yīng)力增大，屈服利用因子逐漸增加。服役30 a的最大屈服利用因子發(fā)生在舷側(cè)板，達(dá)0.390 0，此時(shí)結(jié)構(gòu)滿足屈服要求。整理船體結(jié)構(gòu)的屈服利用因子演變趨勢(shì)可知：初始服役階段屈服強(qiáng)度利用因子增長(zhǎng)接近線性；隨服役時(shí)間增加，屈服強(qiáng)度利用因子增長(zhǎng)逐漸加快，需要及時(shí)關(guān)注船體結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，增加監(jiān)測(cè)頻率。

2.2 屈曲強(qiáng)度演變特性

使用自主開(kāi)發(fā)的船體結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度計(jì)算軟件進(jìn)行屈曲計(jì)算。軟件通過(guò)提取ANSYS計(jì)算得到的各單元應(yīng)力，使用基于應(yīng)力的參考應(yīng)力法，將板單元中心位置的應(yīng)力變換至所屬板格局部坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量，進(jìn)而求解板格在4種失效模式下的極限狀態(tài)方程，即

(3)

表3 在LC內(nèi)船體結(jié)構(gòu)屈服利用因子變化

圖8 在LC內(nèi)船體結(jié)構(gòu)屈服利用因子變化趨勢(shì)

式中：γc1、γc2、γc3、γc4分別為對(duì)應(yīng)上述4種失效模式下的應(yīng)力倍增因子；σx為施加在板格邊緣上沿x軸方向的應(yīng)力，N/mm2；σy為施加在板格邊緣上沿y軸方向的應(yīng)力，N/mm2；σcx為沿與屈曲板格長(zhǎng)邊平行方向的極限屈曲應(yīng)力，N/mm2；σcy為沿與屈曲板格短邊平行方向的極限屈曲應(yīng)力，N/mm2；S為分項(xiàng)安全因子，在計(jì)算程序中取S=1.0；e0、B分別為規(guī)范給出的系數(shù)；τ為施加在板格邊緣上的剪應(yīng)力，N/mm2；τc為極限屈曲剪應(yīng)力，N/mm2；βp為板的長(zhǎng)細(xì)比參數(shù)。

求解式(3)可得出船體結(jié)構(gòu)在不同失效模式下的應(yīng)力倍增因子，取最小值作為船體結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的應(yīng)力倍增因子γc，即

γc=min(γc1,γc2,γc3,γc4)

(4)

最終得到板格的屈曲利用因子ηact，即

(5)

以服役30 a、滿載中拱為例，給出船體結(jié)構(gòu)屈曲利用因子計(jì)算結(jié)果，如圖9所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可判斷船體結(jié)構(gòu)板格的屈曲利用因子均小于許用屈曲安全因子，服役30 a的屈曲強(qiáng)度符合規(guī)范要求，即板格的穩(wěn)定性符合要求。同理可計(jì)算出在LC內(nèi)不同服役年限船體結(jié)構(gòu)的屈曲利用因子，結(jié)果如表4所示。

通過(guò)計(jì)算30 a設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)各服役年限船體結(jié)構(gòu)的屈曲利用因子并繪制變化曲線(見(jiàn)圖10)可知：受腐蝕損傷影響，各構(gòu)件厚度變薄，應(yīng)力增大，此時(shí)屈曲利用因子逐漸增加，板格失穩(wěn)概率升高。服役30 a的最大屈曲利用因子發(fā)生在舷側(cè)內(nèi)板和外底板，達(dá)0.780 0，此時(shí)結(jié)構(gòu)滿足屈曲要求。整理船體結(jié)構(gòu)的屈曲利用因子演變趨勢(shì)可知：在初始服役階段屈曲強(qiáng)度利用因子增長(zhǎng)接近線性；隨服役時(shí)間增加，屈曲強(qiáng)度利用因子增長(zhǎng)逐漸加快，需要及時(shí)增加監(jiān)測(cè)頻率，保護(hù)船體結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié) 論

依據(jù)規(guī)范中的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度計(jì)算方法，對(duì)FPSO船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，證明在服役時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)，F(xiàn)PSO船體的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度滿足要求。對(duì)比屈服強(qiáng)度與屈曲強(qiáng)度變化規(guī)律可知：船體結(jié)構(gòu)的屈曲利用因子普遍高于屈服利用因子；隨腐蝕發(fā)展，船體結(jié)構(gòu)首先發(fā)生屈曲破壞，這符合船舶與海洋結(jié)構(gòu)物作為薄壁焊接結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生失穩(wěn)破壞的規(guī)律；在初始服役階段屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度利用因子增長(zhǎng)接近線性；隨服役時(shí)間增加，屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度利用因子增長(zhǎng)逐漸加快，在服役后期乃至服役超期時(shí)，需要及時(shí)增加船體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)頻率，對(duì)腐蝕嚴(yán)重區(qū)域及時(shí)更新維修，保護(hù)船體結(jié)構(gòu)安全。

圖9 服役30 a、滿載中拱的船體結(jié)構(gòu)屈曲利用因子云圖

表4 在LC內(nèi)船體結(jié)構(gòu)屈曲利用因子變化

圖10 在LC內(nèi)船體結(jié)構(gòu)屈曲利用因子變化趨勢(shì)

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