圓筒型FPSO阻尼板結構強度計算方法研究

周書敏 楊 玥 王 璞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲油裝置（Floating Production ，Storage and Offloading， FPSO），作為一種兼有原油處理、儲存和卸油功能的浮式油氣生產(chǎn)設施，廣泛應用于深海油田的生產(chǎn)開發(fā)中。目前工程中應用較為廣泛的有船型FPSO與圓筒型FPSO。相比于船型FPSO，圓筒型FPSO具有以下優(yōu)勢：浮體各向同性，無風標效應，可節(jié)省單點系統(tǒng)布置空間與設備費用；甲板面積較大且浮體總縱變形較小，利于上部模塊布置與結構設計等。

前期研究表明：圓筒型FPSO運動性能優(yōu)于船型FPSO，但由于圓筒型FPSO的水線面面積較大，在波浪中垂蕩性能較差，影響生產(chǎn)作業(yè)的效率與安全性。目前主要采用設置阻尼板的方法來改善其運動性能。阻尼板通常為與柱型筒體相連的懸臂梁式箱型結構。阻尼板的設置可增加整體排水體積，底部新增的壓載水艙可有效降低整體垂向重心分布，提高整體穩(wěn)性；增加整體的附連水質(zhì)量與黏性阻尼，有效降低垂蕩及橫搖運動。阻尼板作為懸伸結構，在減小垂蕩運動的同時也承受較大的波浪載荷，因此阻尼板及其與筒體連接處的結構設計與強度校核是圓筒型FPSO結構設計的關鍵。

圖1 圓筒型FPSO示意圖

1 概 述

對于阻尼板結構設計而言，通過構件規(guī)范計算確定其初步結構尺寸后，還需根據(jù)阻尼板在實際環(huán)境中可能遭遇的最大外界載荷進行強度校核。本文以某型圓筒型FPSO的阻尼板結構為目標，從目標設計載荷的選取，黏性阻尼的加載以及子模型法的應用，對阻尼板結構的強度計算方法進行探討。

本文中圓筒型FPSO主要參數(shù)見表1。

表1 圓筒型FPSO主要參數(shù)m

2 Morison模型

圓筒型FPSO的垂蕩性能主要受兩方面因素影響：結構物垂蕩運動自身的固有周期和垂蕩運動過程中的水動力阻尼，結構物垂蕩的固有周期不僅由結構物自身的質(zhì)量分布決定，也受到垂蕩運動中的附加質(zhì)量影響。

結構物垂蕩運動的水動力阻尼主要由波浪輻射阻尼（又稱勢流阻尼）與黏性阻尼組成。

勢流阻尼是浮體振蕩在自由水面產(chǎn)生波浪而耗散能量產(chǎn)生的阻尼。黏性阻尼則是因為海水具有黏性而引起。傳統(tǒng)勢流理論對于勢流阻尼的研究和預報已相對成熟，而黏性阻尼對海洋結構物的流場作用機理尚未十分明確。

是否考慮黏性作用的影響，對于圓筒型FPSO垂蕩響應幅值的差異極為明顯。阻尼板作為有效增加圓筒型FPSO運動阻尼的結構裝置，如何準確模擬阻尼板的黏性阻尼作用極為關鍵。本文采用Morison法來模擬阻尼板的黏性阻尼載荷。

根據(jù)Morison公式：

式中：

C

為慣性力系數(shù)，確定慣性力的大?。?p>C

=

C

+1，

C

為附加質(zhì)量系數(shù)；

C

為拖曳力系數(shù)，確定拖曳力的大小。

本文采用DNVGL SESAM軟件來完成相應的結構強度分析。阻尼板的黏性阻尼模型見圖2。

圖2 黏性阻尼模型

3 目標載荷

隨著數(shù)值計算技術的發(fā)展，設計波法已廣泛應用于海洋工程的載荷預報。不同于船型FPSO以不同裝載工況下的最大彎矩和剪力的載荷形式作為設計校核指標，針對圓筒型FPSO外型的特殊性，圓筒型結構的中心對稱性使得總縱彎矩與剖面剪力不再是結構設計的主控載荷。相對于環(huán)境載荷而言，構件的壓力載荷成為設計中的關鍵。

對于阻尼板結構，在構件的規(guī)范計算中，計算壓頭為其決定性因素。因此，以構件的最大壓頭作為設計波載荷。在以外板構件為設計校核目標時，選取最大外部水壓，即外板處最大波高作為設計波。而對于阻尼板內(nèi)部構件的結構設計，則需考慮其所處液艙內(nèi)的液面載荷作用，故選取液艙內(nèi)的最大液貨加速度作為設計波載荷。

在模型計算分析中，采用Morison單元來模擬阻尼板的黏性阻尼。根據(jù)Morison公式可知，黏性阻尼與速度相關。對于阻尼板的垂蕩運動而言，其黏性阻尼與其垂向速度相關，故選取阻尼板外側處的垂向速度作為設計波載荷；另一方面，對于阻尼板的勢流阻尼而言，通過阻尼板外側板高度方向的壓力差可用來表征勢流阻尼的作用。

結合阻尼板所在位置的特殊性，本文從以下4個方面作為設計波的選取原則，參見圖3。

圖3 設計波選取原則

4 計算模型

對于圓筒型FPSO的各種裝載工況（生存工況滿載/壓載/半滿載，工作工況滿載/壓載/半滿載），在目標載荷的作用下，采用總強度模型（即整個圓筒模型，參見下頁圖4）進行強度分析，找出阻尼板處應力水平最高的裝載工況。

圖4 整體模型

對于本文中的圓筒型FPSO而言，總強度模型中為大尺度網(wǎng)格，無法表達阻尼板處的結構細節(jié)以及真實合理的應力分布，因此采用子模型法（約1/4骨材間距）對阻尼板的結構進行細化分析。

圓筒型FPSO的阻尼板結構因錨泊系統(tǒng)的布置的存在被分割成3個部分，且阻尼板內(nèi)部有液艙布置，在子模型的范圍選取時需綜合考慮阻尼板開口處角隅結構的表達、液艙內(nèi)艙室液貨壓力的加載、阻尼板自身結構與主筒體結構間的過渡結構，因此阻尼板的局部模型范圍較常規(guī)考慮某一節(jié)點細節(jié)的子模型范圍較大。

圖5 阻尼板處局部模型

5 強度分析與探討

綜合上述各載荷工況及模型處理，對阻尼板處結構進行計算分析，以Von Mises 應力為基礎，根據(jù)DNVGL-OS-C101的規(guī)范要求為應力衡準，各計算工況下最大應力結果匯總于表2。

表2 阻尼板結構最大應力結果匯總

從計算結果可見，各區(qū)域結構的最大應力結果均出現(xiàn)在以阻尼板黏性阻尼與勢流阻尼為目標載荷的載荷工況中。阻尼板相關結構的最大應力結果出現(xiàn)在阻尼板斜板頂端對應的水平桁上，即阻尼板與筒體的連接過渡區(qū)域處。當阻尼板自身的結構剛度較大時，其自身的應力水平在規(guī)范許用的范圍之內(nèi)，阻尼板與主筒體的連接過渡結構較為危險。由此可見，阻尼板與筒體的過渡區(qū)域結構在設計時除應考慮外部水壓與液貨壓力的載荷工況外，還應考慮以阻尼板黏性阻尼與勢流阻尼為目標載荷的工況載荷。

此外，阻尼板斜板上端部結構的應力水平明顯高于下端部結構的應力水平。在本文所考察的圓筒型FPSO阻尼板結構中，斜板與筒體外板和水平板的過渡角均為45°，參見圖6～10。根據(jù)應力分布結果，僅從結構強度出發(fā)，在后續(xù)的阻尼板斜板優(yōu)化設計時，可考慮增大阻尼板與筒體的過渡角，減少阻尼板上方結構因結構突變引起的應力集中程度。

圖6 主筒體結構應力分布

圖7 阻尼板斜板頂端區(qū)域結構應力分布

圖8 阻尼板斜板底端區(qū)域結構應力分布

圖9 阻尼板內(nèi)部框架結構應力分布

圖10 阻尼板斜板頂端水平桁結構應力分布

6 結 語

本文通過Morison法模擬圓筒型FPSO阻尼板處的黏性阻尼載荷。以阻尼板處最大壓力及最大阻尼力作為目標設計載荷，采用子模型法校核其結構強度；以總強度分析得到的變形及作為子模型邊界條件，對阻尼板及其與筒體連接區(qū)域結構強度進行校核。由計算結果分析可知：對于阻尼板及其與筒體連接區(qū)域結構進行結構強度分析時，以阻尼板黏性阻尼與勢流阻尼為目標載荷的載荷工況為其主控工況；在對阻尼板斜板進行設計時，可通過調(diào)整斜板過渡角度來合理分配阻尼板斜板上下端部區(qū)域的應力分布，進而優(yōu)化阻尼板結構設計。

考慮到本文的研究工作有一定的局限性，后續(xù)對于阻尼板結構強度的研究可從以下兩方面繼續(xù)深入：

（1）在模擬阻尼板黏性阻尼影響時，對于黏性阻尼模型中的附加質(zhì)量力系數(shù)與拖曳力系數(shù)，若有相應的試驗運動數(shù)據(jù)，結合試驗運動數(shù)據(jù)進行修正更佳；

（2）在設計波法中，除本文所列的目標載荷外，也可選取其他能造成較大結構響應的載荷控制參數(shù)進行研究。