深水FPSO船體波浪砰擊載荷試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)分析

徐田甜 張美榮

1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300459;2. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)在全生命周期內(nèi)須經(jīng)受惡劣海洋環(huán)境的考驗(yàn),在位作業(yè)極端環(huán)境工況和遠(yuǎn)洋拖航工況通常是FPSO船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性工況[1]。為保證船體在全生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性,FPSO船體設(shè)計(jì)時(shí)需確定其可能遭遇的極限載荷,其中波浪砰擊載荷是船體設(shè)計(jì)的重要載荷[2-3]。波浪砰擊會(huì)造成很強(qiáng)的局部砰擊壓強(qiáng),可能導(dǎo)致船體局部強(qiáng)度喪失,故船體設(shè)計(jì)需盡可能準(zhǔn)確地確定波浪砰擊載荷[4]。

目前,確定船體波浪砰擊載荷有規(guī)范法、理論計(jì)算法和試驗(yàn)法等方法。各船級(jí)社編制了關(guān)于船體波浪砰擊載荷計(jì)算的規(guī)范,FPSO船體線(xiàn)型的幾何復(fù)雜性和波浪砰擊載荷的強(qiáng)非線(xiàn)性使得按船級(jí)社規(guī)范公式計(jì)算的波浪砰擊載荷有誤差[5]。結(jié)構(gòu)入水的理論計(jì)算法基本上仍局限于二維簡(jiǎn)單形狀物體的入水問(wèn)題,還難以將其應(yīng)用于船體波浪砰擊載荷的工程計(jì)算。重要的海洋工程結(jié)構(gòu)物除了按船級(jí)社規(guī)范公式計(jì)算設(shè)計(jì)外,還應(yīng)開(kāi)展耐波性能水池模型試驗(yàn),可更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)船體波浪砰擊載荷[6-7]。

基于此,本文以某深水FPSO為例,開(kāi)展耐波性能水池模型試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析波浪砰擊載荷特性,進(jìn)行船體抗波浪砰擊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)。

1 FPSO設(shè)計(jì)環(huán)境條件

1.1 FPSO在位作業(yè)工況

某深水FPSO作業(yè)于熱帶海域,設(shè)計(jì)環(huán)境條件見(jiàn)表1。該海域的波浪由主涌浪、次涌浪和風(fēng)生浪構(gòu)成,以長(zhǎng)周期的主涌浪為主要成分。主涌浪和次涌浪的來(lái)向角范圍(相對(duì)于真北0°方向)分別為180°～232.5°和172.5°～232.5°。FPSO采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng),船尾端(生活區(qū)所在端)對(duì)著主涌浪來(lái)向的中央位置,FPSO的縱向軸線(xiàn)與真北方向設(shè)計(jì)夾角為17°,以盡量減小FPSO的橫搖運(yùn)動(dòng)。FPSO系泊系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。

表1 FPSO作業(yè)海域設(shè)計(jì)環(huán)境條件表

圖1 FPSO系泊系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 FPSO mooring arrangement plan

FPSO入法國(guó)船級(jí)社(Bureau Veritas)船級(jí),主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。主船體采用簡(jiǎn)易折角線(xiàn)型,為最小干舷船型。

表2 FPSO主要技術(shù)參數(shù)表

FPSO因船尾機(jī)艙布置空間要求造成尾部線(xiàn)型收縮劇烈,同時(shí)為滿(mǎn)足布置生活區(qū)的甲板面積要求,船尾設(shè)計(jì)為全寬主甲板,造成船尾端部的橫剖線(xiàn)外飄較大,即對(duì)船尾抗波浪砰擊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不利[8]。

1.2 FPSO遠(yuǎn)洋拖航工況

根據(jù)德國(guó)勞氏船級(jí)社(Germanischer Lloyd Noble Denton)GL0030/ND Guidelines for marine transportations[9]要求和航線(xiàn)環(huán)境條件,確定遠(yuǎn)洋拖航設(shè)計(jì)環(huán)境條件和載況,見(jiàn)表3。

表3 FPSO遠(yuǎn)洋拖航設(shè)計(jì)環(huán)境條件和載況表

良好海況,設(shè)計(jì)拖航航速不小于3.1 m/s;惡劣海況,拖船隊(duì)須控制FPSO頂風(fēng)、浪、流滯航;采用水池拖曳試驗(yàn)方法確定了FPSO遠(yuǎn)洋拖帶的首端和吃水、縱傾；拖航自存工況,FPSO須加載壓載水,增大艏吃水以改善耐波性能[10]。遠(yuǎn)洋拖航航線(xiàn)十年一遇最大有義波高為12 m,設(shè)計(jì)確定拖航自存工況時(shí)FPSO的吃水為12 m,此吃水小于4%的船體長(zhǎng)度,以控制船體受的波浪載荷,但對(duì)船首抗波浪砰擊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不利[11]。本深水FPSO總體設(shè)計(jì)要求如下。

1)FPSO的首端定義為火炬塔或系泊單點(diǎn)所在端;FPSO在位作業(yè)工況迎向主控波浪來(lái)向的端部也應(yīng)定義為首端。將FPSO船體的兩端(尾端FR.0肋位和首端FR.330肋位)均定義為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首端。

2)FPSO在位作業(yè)工況的船體浮態(tài)應(yīng)始終保持向火炬塔在位作業(yè)所在端(船首端)縱傾0.5%～1.5%,橫傾角不超過(guò)±0.5°;FPSO解脫和在位作業(yè)極端環(huán)境工況的船體浮態(tài)應(yīng)向火炬塔所在端縱傾1.5%,以防止火炬系統(tǒng)中排放的物流因船體運(yùn)動(dòng)而回流。

2 FPSO耐波性能水池模型試驗(yàn)

耐波性能模型試驗(yàn)水池長(zhǎng)170 m、寬40 m、深5 m,可模擬風(fēng)、浪、流環(huán)境條件。

2.1 耐波性能水池模型

FPSO耐波性能水池模型試驗(yàn)的船體模型幾何縮尺比為1∶60,見(jiàn)圖2。模型通過(guò)水平系泊系統(tǒng)定位于水池中央,以保持模型的位置和方位角。水平系泊系統(tǒng)由4根細(xì)鋼纜和彈簧組成,4根細(xì)鋼纜分別系在FPSO船體模型的首、尾端部,導(dǎo)纜孔位于模型的吃水線(xiàn)處,細(xì)鋼纜與FPSO船體模型的縱向軸線(xiàn)設(shè)計(jì)夾角分別為60°、120°、240°和300°。每根細(xì)鋼纜的剛度值均為724 kN/m,FPSO的縱蕩、橫蕩和首搖的運(yùn)動(dòng)剛度值分別為1 201 kN/m、2 331 kN/m和1 319 400 kN·m/°,使FPSO水平方向的固有周期遠(yuǎn)大于波浪以及FPSO的垂蕩周期,即試驗(yàn)采用的水平系泊系統(tǒng)對(duì)FPSO船體模型垂蕩運(yùn)動(dòng)的耦合影響可以忽略[6]。

圖2 FPSO耐波性能水池試驗(yàn)船體模型圖Fig.2 Hull model of FPSO sea keeping performance tank test

為了分析波浪砰擊載荷特性,在FPSO耐波性能水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇w首、尾分別設(shè)置了砰擊壓強(qiáng)測(cè)量點(diǎn),測(cè)量砰擊壓強(qiáng)時(shí)歷數(shù)據(jù)信號(hào)[12]。在船首和船底設(shè)置4個(gè)波浪砰擊壓強(qiáng)測(cè)量點(diǎn)見(jiàn)圖3,在船尾外飄部位設(shè)置35個(gè)波浪砰擊壓強(qiáng)測(cè)量點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖3 FPSO船首和船底波浪砰擊壓強(qiáng)測(cè)量點(diǎn)布置圖Fig.3 FPSO bow and bottom wave slamming pressureimpacts arrangement

圖4 FPSO船尾波浪砰擊壓強(qiáng)測(cè)量點(diǎn)布置圖Fig.4 FPSO stern wave slamming pressure impacts arrangement

由圖3可看出，波浪砰擊壓強(qiáng)測(cè)量點(diǎn)Ⅰ位于船底FR.305肋位的船中縱軸線(xiàn)處;測(cè)量點(diǎn)Ⅱ位于拖航自存吃水線(xiàn)與船首斜底面船中垂線(xiàn)的相交處;測(cè)量點(diǎn)Ⅲ位于拖航自存吃水線(xiàn)與船首斜底面相交,距船中垂線(xiàn)15.25 m處;測(cè)量點(diǎn)Ⅳ位于滿(mǎn)載吃水線(xiàn)與船頭FR.330肋位船中垂線(xiàn)的相交處。

波浪砰擊載荷在船體模型上的作用時(shí)間通常為ms級(jí)[6]。為了準(zhǔn)確捕捉瞬態(tài)信號(hào),采集波浪砰擊載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)需采用較高的頻率,試驗(yàn)中取1 000 Hz。

2.2 耐波性能水池模型試驗(yàn)工況

耐波性能水池模型試驗(yàn)分別模擬了FPSO在位作業(yè)極端環(huán)境工況和遠(yuǎn)洋拖航自存工況的典型載況,各載況的船體縱傾值滿(mǎn)足FPSO總體設(shè)計(jì)要求,見(jiàn)表4。

表4 FPSO耐波性能水池模型試驗(yàn)?zāi)M載況表

FPSO在位作業(yè)極端環(huán)境工況以O(shè)chi-Hubble譜模擬百年一遇的涌浪和風(fēng)生浪;浪向角范圍為0°～180°,每個(gè)浪向間隔15°,共取13個(gè)浪向。FPSO遠(yuǎn)洋拖航自存工況以JONSWAP譜模擬波浪,分別模擬了譜峰周期為12.5 s和18.8 s的波浪，浪向角范圍為0°～180°,每個(gè)浪向間隔15°,共取13個(gè)浪向。試驗(yàn)中實(shí)際模擬波浪的有義波高和譜峰周期的誤差分別小于5%和2.5%。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

定義波浪砰擊載荷最重要的參數(shù)之一是砰擊壓強(qiáng)峰值[13]。試驗(yàn)將壓強(qiáng)峰值大于50 kPa的砰擊定義為有效砰擊事件,統(tǒng)計(jì)分析不同的波浪中FPSO船首、尾的波浪砰擊壓強(qiáng)峰值和分布規(guī)律[6]。

2.3.1 船首砰擊試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得的FPSO船首和船底波浪砰擊壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5試驗(yàn)結(jié)果與Bureau Veritas NR445 Rules for the classification of offshore units[14](以下簡(jiǎn)稱(chēng)BV—NR445)要求的設(shè)計(jì)波浪砰擊壓強(qiáng)(計(jì)算系數(shù)Cs取1.8)對(duì)比如下。

1)船首和船底在頂浪工況受到的砰擊最嚴(yán)重,船首斜底面在斜迎浪工況受到砰擊最嚴(yán)重。

2)船底Ⅰ點(diǎn)受波浪砰擊壓強(qiáng)峰值高于BV—NR445對(duì)FR.285肋位之前船底要求的設(shè)計(jì)波浪砰擊壓強(qiáng)(146.4 kPa),應(yīng)按此試驗(yàn)結(jié)果校核船底強(qiáng)度。

3)船首斜底面Ⅱ點(diǎn)受波浪砰擊壓強(qiáng)峰值低于BV—NR445對(duì)船首斜底面要求的設(shè)計(jì)波浪砰擊壓強(qiáng)(670.48 kPa),仍按BV—NR445校核船首斜底面強(qiáng)度。

4)船首Ⅳ點(diǎn)受波浪砰擊壓強(qiáng)峰值高于BV—NR445對(duì)船首要求的設(shè)計(jì)波浪砰擊壓強(qiáng)(375.76 kPa)約48%,應(yīng)按試驗(yàn)結(jié)果校核船頭強(qiáng)度。

5)斜迎浪工況時(shí),波浪砰擊船首最大高度可達(dá)距船底28.31 m高處,此高度在FPSO滿(mǎn)載吃水線(xiàn)之上2.5 m,須按試驗(yàn)結(jié)果特別加強(qiáng)并校核船首強(qiáng)度。

表5 FPSO船首波浪砰擊壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果表

2.3.2 船尾砰擊試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得的FPSO船尾波浪砰擊壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 FPSO船尾波浪砰擊壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果表

由表6可看出，F(xiàn)PSO在位作業(yè)極端環(huán)境工況時(shí)的縱傾設(shè)計(jì)使船尾處有足夠的干舷高度,船尾波浪砰擊壓強(qiáng)較小,未發(fā)現(xiàn)船尾主甲板上浪現(xiàn)象,驗(yàn)證了船尾外飄線(xiàn)型設(shè)計(jì)的可行性,可確保生活區(qū)人員和設(shè)施安全[15]；FPSO遠(yuǎn)洋拖航自存工況時(shí)的船尾波浪砰擊壓強(qiáng)較大,各浪向試驗(yàn)測(cè)得的波浪砰擊壓強(qiáng)峰值見(jiàn)表7。FR.2～FR.5肋位,距離船中垂線(xiàn)18.2～27 m區(qū)域的波浪砰擊壓強(qiáng)峰值超過(guò)BV—NR445要求的設(shè)計(jì)波浪砰擊壓強(qiáng)(計(jì)算系數(shù)Cs取1.8),須按試驗(yàn)結(jié)果特別加強(qiáng)并校核船尾強(qiáng)度。

表7 FPSO船尾波浪砰擊壓強(qiáng)峰值表

3 FPSO船體結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)

按FPSO船體受波浪砰擊的位置,分別進(jìn)行船首、船底、舷側(cè)和主甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[16]。按Burean Veritas的NR467 Rules for the classification of steel ships(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BV—IVR467)[17]要求,分別選取FPSO船體首端和尾端0.2倍船體長(zhǎng)度范圍作為抗波浪砰擊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析區(qū)域。船體結(jié)構(gòu)在水線(xiàn)以上區(qū)域都會(huì)受到波浪砰擊,單次砰擊載荷的作用區(qū)域僅發(fā)生在較小的面積范圍內(nèi)[18]。船體結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核按IACS Common structural rules for double hull oil tankers[19]要求計(jì)算的受波浪砰擊載荷區(qū)域長(zhǎng)×寬為4.6 m×4.6 m。

3.1 船首結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)

為保證FPSO的船首強(qiáng)度,在距船底基線(xiàn)高度15.3 m和23.4 m處設(shè)平臺(tái)甲板,并在15.3 m的平臺(tái)甲板以上增設(shè)T型1 800 mm×25 mm/300 mm×25 mm垂直桁作為船頭板架強(qiáng)力支撐構(gòu)件,且垂直桁上、下端部的肘板邊長(zhǎng)加大為1.8 m,以減小垂直桁的跨度。根據(jù)斜迎浪工況的船首砰擊試驗(yàn)結(jié)果,為提高船首板格的抗屈曲性能,將T型垂直桁與船首封板、各平臺(tái)甲板之間的焊縫均設(shè)計(jì)為背面氣刨深熔焊,T型垂直桁與船頭封板的連接焊角高度須加大為12.5 mm,以增強(qiáng)T型垂直桁和船頭板格的邊界剛度,見(jiàn)圖5。

圖5 FPSO船首T型垂直桁圖Fig.5 FPSO bow vertical T girder

船首強(qiáng)度分析采用PATRAN/NASTRAN軟件建立船首艙段(FR.215～FR.330肋位)有限元模型,有限元網(wǎng)格縱向尺寸為1 m(1/5肋距),橫向、垂向尺寸為1倍骨材間距,見(jiàn)圖6。有限元模型中采用板殼(shell)單元模擬主甲板、船底板、平臺(tái)甲板、艙壁以及縱桁、肋板、強(qiáng)橫梁、艙壁水平桁和垂直桁等構(gòu)件的腹板以及較大肘板的腹板等;采用梁(beam)單元模擬主甲板縱骨、船底縱骨、舷側(cè)縱骨以及艙壁、強(qiáng)橫梁、桁材的加強(qiáng)筋等;構(gòu)件板厚按BV—NR467和BV—NR445扣除0.5倍設(shè)計(jì)腐蝕余量[20]。船首主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)表8,滿(mǎn)足BV—NR445要求。

圖6 FPSO船首有限元分析模型圖Fig.6 Finite element analysis model of FPSO bow

表8 FPSO船首主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果表

3.2 船尾結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)

船尾強(qiáng)度分析采用PATRAN/NASTRAN軟件建立船尾艙段(FR.0～FR.110肋位)有限元模型,有限元網(wǎng)格縱向尺寸為1 m(1/5肋距),橫向、垂向尺寸為1倍骨材間距,見(jiàn)圖7。

圖7 FPSO船尾有限元分析模型圖Fig.7 Finite element analysis model of FPSO stern

FR.0～FR.65肋位的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果表明:FR.40肋位船底肋板(材質(zhì)AH32級(jí))最大等效應(yīng)力為69.3 MPa,最大剪切應(yīng)力為36.5 MPa。船尾主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)表9，受波浪砰擊范圍的船體外板(材質(zhì)B級(jí))厚度須加厚為29.5 mm;肋板的腹板(材質(zhì)AH32級(jí))高度須加高為2 m,厚度須加厚為27 mm或28 mm,肋板與船體外板的連接焊角高度須加大為12 mm;肋板與縱艙壁連接肘板(材質(zhì)EH36級(jí))須加厚為24 mm,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足BV—NR445要求，F(xiàn)PSO船尾FR.12肋位肋板見(jiàn)圖8。

表9 FPSO船尾主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果表

圖8 FPSO船尾FR.12肋位肋板圖Fig.8 Frame of FPSO stern floor plate at FR.12

4 結(jié)論及建議

深水FPSO船體設(shè)計(jì)開(kāi)展了耐波性能水池模型試驗(yàn),分析和確定了船首、尾處的波浪砰擊載荷,重點(diǎn)分析了遠(yuǎn)洋拖航自存工況的波浪砰擊載荷特性、不同波浪譜峰周期、浪向時(shí)的波浪砰擊載荷分布?；谠囼?yàn)結(jié)果確定了超出法國(guó)船級(jí)社規(guī)范的船體抗波浪砰擊設(shè)計(jì)要求,對(duì)船首、尾結(jié)構(gòu)做了特別加強(qiáng)。FPSO船體結(jié)構(gòu)抗波浪砰擊設(shè)計(jì)有如下建議。

1)開(kāi)展耐波性能水池模型試驗(yàn)研究對(duì)保證FPSO遠(yuǎn)洋拖航安全是必要的。應(yīng)研究分析遠(yuǎn)洋拖航航線(xiàn)的關(guān)鍵海域環(huán)境條件,確定合理的拖航設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)。

2)FPSO遠(yuǎn)洋拖航自存工況是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性工況,應(yīng)確定合理的遠(yuǎn)洋拖航自存工況FPSO的載況浮態(tài),以開(kāi)展耐波性能水池模型試驗(yàn)、水動(dòng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3)具有特殊線(xiàn)型的FPSO船首、尾受波浪砰擊壓強(qiáng)峰值可能超過(guò)船級(jí)社規(guī)范要求的設(shè)計(jì)波浪砰擊壓強(qiáng)峰值,應(yīng)在耐波性水池模型試驗(yàn)中測(cè)量、確定波浪砰擊壓強(qiáng)峰值,以校核船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。