FPSO上部模塊支墩結(jié)構(gòu)疲勞強度分析

王 柱

（大連中遠海運重工有限公司 大連 116113）

引 言

隨著海洋油、氣產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的比例逐漸增加，海洋工程項目的建造和改裝市場越來越活躍，而浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）因其自身的優(yōu)勢而備受海洋工程市場青睞。FPSO具有適用環(huán)境范圍廣、甲板面積寬闊、儲油能力強、應(yīng)用靈活移動方便、可重復(fù)使用和生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)快等特點，廣泛應(yīng)用于深海油氣田資源開發(fā)。FPSO為原油的鉆探、生產(chǎn)、加工等設(shè)備按功能構(gòu)成的上部結(jié)構(gòu)（Topside）與生產(chǎn)原油的儲藏和支撐結(jié)構(gòu)，包括用于原油的鉆探、油氣工藝處理、原油的儲藏和其他功能的上部模塊，以及用于支撐上部模塊和儲存已生產(chǎn)原油的船體結(jié)構(gòu)。模塊支墩結(jié)構(gòu)是上部模塊與FPSO船體主甲板之間的連接結(jié)構(gòu)。上部模塊支墩布置在整個FPSO貨油艙段主甲板上，在模塊支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計中除考慮上部模塊自重、慣性力及風(fēng)載等載荷的同時，還應(yīng)注意船體梁整體彎曲變形的影響。在上述載荷作用下，上部模塊及其支撐船體結(jié)構(gòu)之間的相互作用取決于連接它們的支墩結(jié)構(gòu)。因此，對支墩結(jié)構(gòu)的疲勞控制提出了較為嚴(yán)格的要求，從最初的設(shè)計階段就應(yīng)考慮支墩結(jié)構(gòu)疲勞強度。在本研究中，針對E-house模塊的支墩結(jié)構(gòu)進行疲勞強度評估，其結(jié)構(gòu)上可能出現(xiàn)的疲勞熱點是否滿足設(shè)計要求，是設(shè)計者和使用者最為關(guān)心的問題之一。

1 模塊支墩結(jié)構(gòu)和計算模型

E-house模塊安裝在FPSO的右舷60 ~ 66號框架之間，詳見圖1。整個模塊和支墩結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量約1 010 t。模塊底部設(shè)計為一個平臺作為支撐基礎(chǔ)，所有工藝設(shè)備和管道都安裝在該平臺上。平臺由支撐柱支撐，位于船舶上甲板上方5.5 m處。甲板上支撐肘板用于將支撐柱連接至船舶上甲板，且采用焊接方式剛性連接。這些支撐肘板板厚20 mm，大部分與船舶橫向?qū)R，充當(dāng)柔性接頭，將船體對上部模塊結(jié)構(gòu)的彎曲效應(yīng)降至最低。由于模塊支墩上的肘板結(jié)構(gòu)承擔(dān)了船體的大部分彎曲變形和上部的全部荷載，因此這些節(jié)點對疲勞最為敏感。

圖1 E-house模塊在FPSO上的布置

FPSO設(shè)計疲勞年限為21 a，上部模塊支墩結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計，根據(jù)規(guī)范《DNV-OS-102 Structure Design of Offshore Ships，2015》，結(jié)構(gòu)疲勞按非關(guān)鍵、可檢查和修復(fù)區(qū)域考慮，設(shè)計疲勞系數(shù)DFF = 2.0。

疲勞評估之前，需對模塊及其支墩結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)強度計算，故使用STAAD Pro軟件對整個E-house模塊進行建模和結(jié)構(gòu)強度分析（詳見圖2），以獲取各工況下最危險的模塊支墩。

圖2 E-house模塊的計算模型

用Femap v10.1軟件對模塊支墩進行建模。有限元建模過程中，為將邊界條件對校核結(jié)果的影響降至最低，典型支墩有限元模型建模范圍在船長方向延伸到前后的強肋位（肋位間距為5 120 mm），在船寬方向延伸3個縱桁間距（縱桁間距為910 mm）。支墩結(jié)構(gòu)包括支撐管及其加強肘板，甲板上的支撐肘板及部分船體結(jié)構(gòu)采用板單元進行模擬，單元大小200 mm×200 mm，其中為了得到用于評估支墩結(jié)構(gòu)疲勞性能計算所需的局部熱點應(yīng)力數(shù)據(jù)，將支撐管和甲板上支撐肘板的網(wǎng)格單元大小細(xì)化為

t

×

t

（20 mm×20 mm），詳見圖3。

圖3 典型支墩的有限元模型

此外，考慮到結(jié)構(gòu)腐蝕對模塊支墩疲勞計算的局部熱點應(yīng)力的影響，根據(jù)規(guī)范考慮支墩結(jié)構(gòu)區(qū)域的結(jié)構(gòu)腐蝕厚度取

t

= 1.0 mm，在有限元建模的過程中將其扣除。

2 載荷和計算工況

E-house模塊支墩的疲勞評估主要考慮2個工況：操作工況，設(shè)計疲勞壽命21 a；拖航工況（中國-巴西），設(shè)計疲勞壽命75 d。

FPSO上部模塊承受的載荷包括：由波浪所產(chǎn)生的船體梁中拱或中垂變形的船體梁載荷，航行過程中的慣性力，以及模塊高度的風(fēng)壓力。據(jù)此考慮的各種工況下找出最危險的模塊支墩，進而展開疲勞強度評估。

2.1 風(fēng)壓力

對于FPSO上部模塊的疲勞強度評估，取最大重現(xiàn)期為10 a的風(fēng)載進行計算。風(fēng)壓的計算依據(jù)《API Recommended Practice 2A，2000》的規(guī)范展開。在具體工況的設(shè)定中，應(yīng)將風(fēng)壓力考慮8個主要方向，并且與模塊自身的慣性力方向耦合，表1為FPSO的部分模塊的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

表1 風(fēng)速數(shù)據(jù)

2.2 慣性力

E-house模塊在操作工況和拖航工況時的加速度，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)考慮。

表2 慣性力數(shù)據(jù)g

2.3 船體梁變形

船體梁變形是將FPSO考慮為簡支梁，以簡支梁理論為基礎(chǔ)，且主要是考慮由波浪垂向彎矩引起的船體梁變形。船體梁的簡化模型見圖4。

圖4 船體梁模型

船體梁變形按下述公式計算：

式中：

L

為船體艏柱與艉柱間的船長，m；

r

為彎轉(zhuǎn)半徑，m；按式（2）計算。

式中：

E

為楊氏彈性模量，2.06×10N/m；

I

為船體梁的慣性矩（對船舶橫向軸），m；

M

為船體梁的垂向彎矩，N·m。

在船舶滿載狀態(tài)與10超越概率下的波浪進行計算，作用在船體梁上的最大彎矩值在操作工況和拖航工況的最大變形值歸納在表3中。依據(jù)《ABS Floating Production Installations，2014》，將波浪垂向彎矩的在船長方向具體分布，見圖5。進而得出E-house模塊所在相關(guān)肋位的船體梁變形數(shù)據(jù)。

表3 最大彎矩數(shù)據(jù)

圖5 波浪彎矩分布系數(shù)圖

3 模塊支墩結(jié)構(gòu)的疲勞強度評估

結(jié)合不同結(jié)構(gòu)材料的許用屈服強度和各工況，通過軟件STAAD Pro對E-house模塊的強度校核結(jié)果，找出結(jié)構(gòu)強度利用系數(shù)最大的模塊支墩結(jié)構(gòu)，編號為2448的模塊支墩結(jié)構(gòu)利用系數(shù)最大，利用系數(shù)分別為在操作工況0.407和在拖航工況0.42（具體詳圖6和圖7），故選擇編號2448的模塊支墩結(jié)構(gòu)作為典型結(jié)構(gòu)來進行疲勞強度校核。

圖6 操作工況下模塊支墩結(jié)構(gòu)利用系數(shù)

圖7 拖航工況下模塊支墩結(jié)構(gòu)利用系數(shù)

模塊支墩結(jié)構(gòu)疲勞強度分析根據(jù)DNV·GL船級社規(guī)范《DNV Recommended Practice RP-C203-Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structures，2016》提供的簡化疲勞分析方法，基于

S

-

N

曲線的Miner-Palmgren原理，利用Weibull概率分布函數(shù)表示結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布范圍，根據(jù)有限元建模計算得到支墩結(jié)構(gòu)的熱點應(yīng)力；依據(jù)節(jié)點的結(jié)構(gòu)布置形式選取的合理

S

-

N

曲線得到疲勞累計損傷，根據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計年限、設(shè)計疲勞系數(shù)判斷結(jié)構(gòu)疲勞強度是否滿足要求。

設(shè)計工況下的模塊支墩結(jié)構(gòu)疲勞強度計算熱點位置、相關(guān)參數(shù)及結(jié)果見表4、表5和下頁圖8。

表4 熱點應(yīng)力數(shù)據(jù)N/mm2

表5 疲勞評估總結(jié)

圖8 熱點應(yīng)力位置和參考的S-N曲線

使用雙線性

S

-

N

曲線時，疲勞累積損傷公式：

4 結(jié) 論

根據(jù)上述E-house模塊及其支墩結(jié)構(gòu)在設(shè)計工況下的結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果，可獲得以下結(jié)論：

（1）E-house等上部模塊的外圍支墩結(jié)構(gòu)較為危險，設(shè)計初期應(yīng)給予加強考慮；

（2）支墩結(jié)構(gòu)的支撐管及其加強肘板與甲板上支撐肘板的連接處趾端應(yīng)力較大；

（3）甲板上支撐肘板可以非常有效地用于將支撐柱連接至船舶上甲板，且充當(dāng)鉸鏈接頭，將船體對上部模塊結(jié)構(gòu)的彎曲效應(yīng)降至最低；

（4）根據(jù)結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果選取疲勞校核的熱點位置，支撐柱及其肘板的趾端與甲板上支撐肘板連接處是疲勞校核的重點，其中肘板趾端應(yīng)力集中系數(shù)較大，可結(jié)合有限元分析選用較好曲線，對疲勞結(jié)果進行合理評估。