軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鉸接結(jié)構(gòu)計算分析

楊 健，郗厚巖，王 屹，高 飛，賈 鋒

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116013）

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是利用塔架或浮筒安裝錨鏈等系泊結(jié)構(gòu)將浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO）連接至固定或浮式結(jié)構(gòu)上，在風(fēng)浪流等外部荷載環(huán)境作用下，通過位移偏移來提供水平回復(fù)力的一種系泊方式。軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為塔架式系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種。鉸接結(jié)構(gòu)是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的核心部件，具有設(shè)計難度大、制造工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，一直被國外幾家公司，如SBM公司、SOFEC公司和Blue water公司作為核心技術(shù)長期封鎖和壟斷［1-4］，設(shè)備價格高昂，供貨周期長。因此打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)鉸接頭國產(chǎn)化意義重大。近年來，國內(nèi)學(xué)者對單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。金鋒等［4-5］通過保辛多體動力模型計算得到系泊系統(tǒng)的系泊力，胡勇等［2］通過建立ADAMS模型分析單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的運(yùn)動特性，但僅針對單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。

筆者參考BZ-28-2S單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料［6］，依據(jù)不同的工況條件，采用有限元ANSYS分析軟件對單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，得到每個鉸接接頭的分析結(jié)果，可為鉸接結(jié)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計提供參考，有助于打破國外壟斷，掌握單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的核心技術(shù)，不斷提高單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計、建造能力。

1 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)簡介

軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的定位能力是保證FPSO船體海上油氣安全作業(yè)的關(guān)鍵。軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的系泊原理類似彈簧系統(tǒng)，在海洋環(huán)境荷載風(fēng)浪流的作用下，利用Yoke壓載艙內(nèi)注水配重為FPSO船體提供水平回復(fù)力，將FPSO船體拉近或者推離單點(diǎn)系泊平臺，從而完成系泊定位功能。

軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鉸接點(diǎn)位置分布情況見圖1，鉸接點(diǎn)自由度見表 1。表 1中x、y、z分別為x、y、z 軸方向移動的自由度，Rx、Ry、Rz分別為繞x、y、z軸方向轉(zhuǎn)動的自由度，×表示限制該方向的運(yùn)動約束，√表示允許該方向的運(yùn)動約束。

圖1 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鉸接點(diǎn)位置分布圖

表1 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鉸接點(diǎn)自由度

FPSO船體與系泊支架剛性連接。Arm link上端與系泊支架通過雙鉸軸相連接，采用U型聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)形式，釋放橫搖和縱搖2個方向的自由度約束。Arm link下端與Yoke壓載艙通過三鉸接軸相連接，采用U型聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)形式，釋放橫搖、縱搖和軸向轉(zhuǎn)動3個方向的自由度約束。Yoke壓載艙另一端與單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔通過主鉸接結(jié)構(gòu)和滑環(huán)相連接，釋放橫搖、艏搖和滑環(huán)回轉(zhuǎn)3個方向的自由度約束。

2 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)力學(xué)模型

系泊剛度K是表征單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊能力的核心指標(biāo)，依據(jù)美國石油協(xié)會（API）推薦的系泊力計算方法［7］，系泊剛度由 FPSO船體所承受環(huán)境力、FPSO船體縱蕩的高低頻運(yùn)動位移值以及系泊系統(tǒng)的特性曲線決定，理論計算復(fù)雜。筆者將軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)模型簡化為靜態(tài)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型（圖2），依據(jù)軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系以及力和力矩平衡關(guān)系，推導(dǎo)出系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力，最終得到系泊剛度值［8-10］。

圖2 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化力學(xué)模型

軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間存在以下幾何關(guān)系：

式（1）～式（2）中，L為FPSO船體與系泊塔架之間的水平距離，LY3為Yoke壓載艙兩端點(diǎn)的軸向距離，LR為系泊腿兩端點(diǎn)的軸向距離，HAC為Yoke壓載艙鉸接點(diǎn)C與系泊腿鉸接點(diǎn)A之間的垂直距離，m；α為 B、C兩點(diǎn)連線與水平面之間的夾角，β為B、C兩點(diǎn)連線與Yoke壓載艙軸線之間的夾角，γ為系泊腿兩鉸接點(diǎn)連線與垂直線之間的夾角，（°）。

軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)力及力矩平衡關(guān)系：

式（3）～式（5）中，RAx、RAz分別為系泊腿受到的FPSO 船體支架在 x、z方向的回復(fù)力，RCx、RCz分別為系泊塔架與Yoke壓載艙連接處所受x、z方向的力，GR為系泊腿的重量，GB為Yoke壓載艙內(nèi)注水配重的重量，GY為 Yoke壓載艙的重量，N；LY1為鉸接點(diǎn)C到Y(jié)oke壓載艙重心之間的軸向距離，LY2為鉸接點(diǎn)C到Y(jié)oke壓載艙注水配重重心之間的軸向距離，m。

依據(jù)式（5）推導(dǎo)出A點(diǎn)水平回復(fù)力RAx：

則系泊剛度K為：

式中，x1為FPSO船體離開平衡位置后與Arm link垂直狀態(tài)之間的距離，m。

3 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鉸接點(diǎn)有限元計算分析

3.1 材料性能

考慮軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)長期承受風(fēng)浪流等交變載荷、海水腐蝕性高及溫差大等環(huán)境特點(diǎn)，初步確定鉸接頭材料選用可適應(yīng)低溫環(huán)境的鐵素體類低溫鋼 ASTM A352 LCC［11-12］。聯(lián)結(jié)軸主體選用壓力容器用經(jīng)淬火和回火真空處理的碳素鋼與合金鋼鍛件ASTM SA508［13］，聯(lián)結(jié)軸表面鍍有鎳鉻鐵合金材料，具有耐腐蝕性好、強(qiáng)度高及抗氧化性能良好等特點(diǎn)［14］。軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)零部件材料性能見表 2［15］。

表2 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)零部件材料性能

3.2 載荷工況

軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上、下部鉸接點(diǎn)不同工況載荷見表3。表3中Fleg2=FL2+Fy2。上、下部鉸接點(diǎn)局部坐標(biāo)系及旋轉(zhuǎn)方向示意圖見圖3和圖4。圖3和圖4中Fx為鉸接點(diǎn)縱搖軸作用在Yoke壓載艙上的x向載荷，F(xiàn)z為鉸接點(diǎn)受到橫搖銷軸的z向載荷。

圖3 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上部鉸接點(diǎn)局部坐標(biāo)系及旋轉(zhuǎn)方向示圖

圖4 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下部鉸接點(diǎn)局部坐標(biāo)系及旋轉(zhuǎn)方向示圖

表3 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上下部鉸接點(diǎn)不同工況載荷

3.3 有限元結(jié)果分析

3.3.1 上部鉸接點(diǎn)

將4組典型工況的上部鉸接點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)作為輸入量，采用ANSYS有限元分析軟件計算得到了鉸接頭、聯(lián)結(jié)軸的應(yīng)力和變形，見表4。表4中σmax為最大正應(yīng)力，τmax為最大切應(yīng)力。分析表3和表4的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)系泊腿的軸向力Fleg對鉸接點(diǎn)強(qiáng)度和剛度影響較為明顯。工況1下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上部鉸接點(diǎn)正應(yīng)力云圖見圖5。

圖5 工況1下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上部鉸接點(diǎn)正應(yīng)力云圖

表4 不同工況下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鉸接點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)力及變形

按照SY/T 10032—2000《單點(diǎn)系泊裝置建造與入級規(guī)范》［16］，設(shè)計中選取鉸接頭的安全系數(shù)為1.67，切應(yīng)力安全系數(shù)為2.5，得到許用應(yīng)力［σhinge］=165 MPa、許用切應(yīng)力［τhinge］=110 MPa。工況1、工況3下鉸接頭的最大正應(yīng)力分別為241.01 MPa、212 MPa，均大于［σhinge］；工況 1、工況3下鉸接頭的最大切應(yīng)力分別為139 MPa、122 MPa，均大于［τhinge］，說明上部鉸接點(diǎn)配合孔內(nèi)表面區(qū)域存在應(yīng)力集中。對鉸接頭模型進(jìn)行倒角處理后，鉸接頭的最大正應(yīng)力σmax=162 MPa＜［σhinge］、最大切應(yīng)力 τmax=94 MPa＜［τhinge］，鉸接點(diǎn)設(shè)計滿足輸入數(shù)據(jù)和強(qiáng)度要求。因此，設(shè)計鉸接頭時可對配合孔棱邊進(jìn)行倒角處理，以避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。

設(shè)計中選聯(lián)結(jié)軸的安全系數(shù)為1.67，切應(yīng)力安全系數(shù)為 2.5，得到許用應(yīng)力［σshaft］=206 MPa、許用切應(yīng)力［τshaft］=138 MPa。工況1下聯(lián)結(jié)軸的最大正應(yīng)力σmax=133 MPa＜［σshaft］，最大切應(yīng)力τmax=73 MPa＜［τshaft］，說明設(shè)計的聯(lián)結(jié)軸能夠滿足鉸接點(diǎn)的設(shè)計指標(biāo)以及強(qiáng)度和剛度要求。

3.3.2 下部鉸接點(diǎn)

有限元分析計算得到的軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下部鉸接點(diǎn)不同工況對應(yīng)的應(yīng)力和變形見表4。工況1下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下部鉸接點(diǎn)正應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 工況1下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下部鉸接點(diǎn)正應(yīng)力云圖

從表4數(shù)據(jù)看出，4種工況下下部鉸接點(diǎn)鉸接頭所受最大正應(yīng)力均大于 ［σhinge］=165 MPa，最大切應(yīng)力均大于或逼近［τhinge］=110 MPa，說明下部鉸接點(diǎn)配合孔內(nèi)表面區(qū)域存在應(yīng)力集中。對鉸接頭模型進(jìn)行倒角處理后，鉸接頭最大正應(yīng)力σmax=137 MPa＜［σhinge］、 最大切應(yīng)力 τmax=78 MPa＜［τhinge］，鉸接點(diǎn)設(shè)計滿足強(qiáng)度和剛度要求。因此，設(shè)計鉸接頭時可對配合孔棱邊進(jìn)行倒角處理，以消除應(yīng)力集中。工況1中，聯(lián)結(jié)軸所受最大正應(yīng)力 σmax=133 MPa＜［σshaft］=142 MPa，聯(lián)結(jié)軸設(shè)計結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和剛度要求。

依據(jù)上部鉸接點(diǎn)、下部鉸接點(diǎn)的受力載荷，結(jié)合4種典型工況，由應(yīng)力計算結(jié)果可知，在系泊腿所受載荷相近的前提下，下部鉸接點(diǎn)所受最大正應(yīng)力為260 MPa，上部鉸接點(diǎn)所受最大正應(yīng)力為241.01 MPa，下部鉸接點(diǎn)最大變形量7.6 mm，上部鉸接點(diǎn)最大變形量8.3 mm，表明在相同工況下，系泊腿下部鉸接點(diǎn)比上部鉸接點(diǎn)更易產(chǎn)生疲勞損壞。

4 結(jié)語

鉸接結(jié)構(gòu)是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的核心部件，開展對軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鉸接結(jié)構(gòu)的計算分析，可為鉸接結(jié)構(gòu)的材料選型、工藝研究提供支持，研究結(jié)果表明，①4種不同工況下，鉸接點(diǎn)配合孔內(nèi)表面區(qū)域應(yīng)力均較大，存在應(yīng)力集中。對模型進(jìn)行倒角處理后，鉸接點(diǎn)設(shè)計滿足輸入數(shù)據(jù)、強(qiáng)度和剛度要求，驗證了鉸接結(jié)構(gòu)尺寸和材料的合理性。②4種不同工況下，來自系泊腿的軸向力對鉸接點(diǎn)強(qiáng)度和剛度影響較為明顯。③在輸入計算指標(biāo)相近的前提下，系泊腿下部鉸接點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力比上部鉸接點(diǎn)的大，下部鉸接點(diǎn)更容易產(chǎn)生疲勞損壞。