230 000 m3LNG FPSO艙段結構強度分析

張玉奎 張 偉

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

230 000 m3LNG FPSO艙段結構強度分析

張玉奎 張 偉

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

針對230 000 m3浮式液化天然氣生產儲卸裝置（LNG FPSO）貨艙區結構設計，利用法國船級社（BV）開發的VeriSTARHull軟件進行強度分析。該LNG FPSO應用于我國南海氣田開發，需要通過單點系泊系統長期定位于作業海域，要求能夠抵御各種惡劣的海況并保證設施的安全和持續作業能力。因此，對船體結構進行分析和優化是整個浮式生產系統實現功能的基本要求和關鍵所在。文中結合BV相關規范要求建模、加載并分析計算結果，給出結構設計中需要注意的高應力區域并提出優化建議。

浮式液化天然氣生產儲卸裝置；艙段結構；VeriSTARHull軟件；有限元法

引 言

我國南海海域的天然氣資源儲量巨大，但傳統平臺開采具有投資大、周期長和對氣田儲量要求規模高等一些局限性。LNG FPSO相對靈活，具有開采、處理和液化天然氣的功能，并可儲存和裝卸LNG，有望成為未來主要的天然氣資源開發方式。

本計算使用基于南海海況的三維水動力預報參數作為輸入（具體預報方法和過程從略）。結構設計必須要滿足南海海域“百年一遇”海況的要求，因此有必要合理布置模塊支墩位置并設計加強結構，以確保整個系統安全和正常生產作業。

本文主要參照BV NR445的要求，利用VeriSTARHull軟件對LNG FPSO在作業工況下的結構屈服和屈曲強度進行計算，給出主要的分析方法和流程，對結構中的高應力區域加以優化，從而滿足規范的要求。

1 計算模型簡介

LNG FPSO采用GTT No96薄膜型貨物維護系統，為雙排艙設計，由首至尾布置4組共8個 LNG貨艙，具有高型深、大船寬的特點。擁有完整雙底、雙殼、雙甲板和橫向、縱向隔離艙壁。LNG FPSO基本參數見表1，總布置圖參見圖1。其上部有12個工藝模塊，總質量達到35 000 t，本次計算共涉及8個模塊，見表2。

表1 基本參數　m

圖1 總布置圖

表2 三艙段范圍內工藝模塊質量與重心

采用全寬的三艙段計算模型，包含2號、3號和4號貨艙區所有主要結構，范圍至端部的橫向隔離艙及艙壁。VeriSTARHull整合了Femap作為前后處理軟件，除了可以直接建模外也可以利用豐富的接口導入其他通用軟件的模型，本計算利用MSC/Patran進行前處理。

使用殼單元模擬板結構（甲板、船殼、總艙壁、橫艙壁）和主要支撐構件（強框架、水平桁、垂直桁），用梁單元模擬縱骨、主要支撐構件面板和加強筋，以骨材間距為單元尺寸，采用建造厚度建模。具體應遵循以下規則：

（1）主要支撐構件腹板高度方向至少分為3個單元；

（2）縱向構件按肋距劃分，據此在強框架之間分為3個或4個單元；

（3）高應力區單元長寬比不超過3；

（4）不考慮骨材穿越孔，人孔通過扣除適宜單元進行模擬。

三艙段計算有限元模型參見圖2。

圖2 三艙段計算有限元模型

2 計算載況及工況

計算載荷包含靜水載荷、波浪載荷、液艙壓力和慣性載荷。其中靜水剪力、彎矩來自裝載手冊，波浪剪力、彎矩和船體加速度均來自三維水動力直接計算。BV NR445 第D篇第1章第7節5.5.1 中列出了艙段計算需要考慮的載況，鑒于實際裝載沒有左右不對稱載況，因此確定計算載況為表3所示6種。

對于每一種載況，均需要計算“a”、 “b”、 “c”、“d”4種相互獨立的工況，“a”和“b”對應船體正浮狀態，“c”和“d”對應船體傾斜狀態。每種工況組合不同的吃水，波浪彎矩、波浪剪力、船體加速度等參數，以模擬實際運營過程中各種不利的受力情況，各載荷具體取值可參見BV NR445第D篇第1章第5節4.2.1。

表3 計算載況

其中，波浪載荷和慣性載荷通過定義“水動力環境”來實現，并整合以下內容：波浪彎矩、波浪剪力、相對波面升高、船體運動的加速度和幅值。結合構件類型和艙室的定義實現各種載荷的施加以及腐蝕的扣除，并實現不同構件類型屈服因子和屈曲因子的歸一化。

3 計算結果分析

3.1 屈服因子和屈曲因子

屈服因子和屈曲因子計算結果參見下頁表4（許用值都是1）。由該表可以看出，縱向的板結構中縱艙壁、內殼、內甲板、以及內底的應力水平整體不高，而上甲板、外殼作為強力構件應力水平更高一些。主要支撐構件強框架、水平桁、甲板縱桁、底縱桁和垂直桁容易產生應力集中，在設計中需要重點考慮，特別是這些構件的端部和不同類型主要支撐構件的相鄰區域。屈曲強度方面內甲板、內底、甲板縱桁和底縱桁裕度較大，其他位置相對緊張。

表4的結果是在對典型應力集中區域進行細網格分析基礎上得出的，因此有些構件的整體屈服因子雖然接近或達到了許用值，但設計還是可以滿足規范要求的。

3.2 模塊質量的影響

LNG FPSO除了作業海況惡劣、特殊的系泊系統以及設計壽命內不進塢檢修等方面與LNG運輸船不同，其作業功能很大程度上要取決于上部模塊支撐結構的設計。為了計入模塊質量的影響，首先在VeriSTARHull的菜單中輸入模塊的質量和重心數據（輸入界面參見圖3）；然后通過質量點單元模擬模塊質量，再用MPC單元把質量點單元與支墩的相關節點進行連接。同時，軟件也支持輸入支墩處的作用力模擬模塊的影響，可以把力直接加載在支墩上。

為了消除船體梁變形的不利影響，模塊支墩采用固定支墩與滑動支墩組合型式。對于固定支墩和滑動支墩，質量點關聯的自由度有所不同。模塊連接效果參見圖4。

表4 屈服因子和屈曲因子計算結果匯總

圖3 模塊質量輸入界面

圖4 不同類型支墩和模塊質量的關聯

由于設計初期可能缺少詳細的模塊質量資料，因此這里對是否加載模塊質量作了對比計算，圖5 — 圖8分別給出典型強框架、典型橫艙壁、上甲板和甲板縱桁的計算結果（左側圖均為不加載模塊質量的結果）。

圖5 典型強框架屈服因子

圖6 典型橫艙壁屈服因子

圖7 上甲板屈服因子

圖8 甲板縱桁屈服因子

可以看出，結果差異非常小，且主要體現在模塊支墩基座附近的局部船體結構。其中對強框架和橫艙壁的影響僅限于最上面一道水平桁以上部分，對上甲板的厚度取值幾乎沒有影響，縱桁在支墩作用處出現小范圍應力升高。

綜上所述，在缺少詳細的模塊質量資料的前提下，可以先不考慮，不會對后續設計造成大的影響。同時，也可以預先對支墩處的相應結構適當加強以減少后期修改量。

3.3 關鍵區域匯總

3.3.1 強框架上的高應力區域

如圖9所示，給出的高應力區域的剪力水平普遍較高，屈曲問題主要出現在舷側隔板上部區域，同時也是剪力水平最高的部位；因此對相關區域增加了板厚。強框架屈服因子參見圖10。

圖9 強框架高應力區域

3.3.2 水密/隔離橫艙壁上的關鍵區域

如圖11所示，這里主要是橫艙壁中間區域的屈曲問題，可以通過增加板厚或增設防屈筋解決。增設防屈筋增加質量較小，而增加板厚還有減小晃蕩應力的好處，可以根據實際情況靈活決定采用哪種方法或者兩種方法結合使用。這里采用的是增加板厚的方法，橫艙壁屈曲因子見圖12。

圖10 強框架屈服因子

圖11 水密/隔離橫艙壁上的關鍵區域

圖12 水密/隔離橫艙壁上屈曲因子

3.3.3 水密/隔離橫艙壁間水平桁上的高應力區域

如圖13所示，對于高剪力區域，可以增加板厚或者局部選用高強度鋼；水平桁中部的屈曲問題考慮到開孔的需求，防屈筋難以布置，因此采用增加板厚的方法。水平桁屈曲因子見圖14。

圖13 水密/隔離橫艙壁間水平桁高應力區域

圖14 水平桁屈曲因子

3.3.4 垂直桁上的高應力區域

垂直桁高應力區域如圖15所示，圖16給出了垂直桁的屈服因子。每個半寬范圍內的橫艙壁布置有三根垂直桁，其中邊上兩根相連的甲板縱桁和底縱桁為非連續構件，只在橫艙壁處前后各延伸一個強框，應力集中相對較小；中間一道垂直桁兩端連接的縱桁都是縱向連續構件，上端應力集中較小，而下端應力相對較集中，應該重點關注。

對高應力區域均采用加厚板的形式進行加強，對垂直桁中部的屈曲問題也是考慮到開孔的需求，采用增加板厚的方法予以解決。

垂直桁和水密/隔離橫艙壁間水平桁的結果有個相似點，就是中部應力小，屈曲是決定因素；端部應力集中較大，屈服是決定因素。

圖15 垂直桁高應力區域

圖16 垂直桁屈服因子

3.3.5 細網格分析

為了分析結構關鍵節點的詳細應力分布，BV規范規定了一些需要進行細網格分析的位置。通過對部分高應力區進行細網格分析發現，如果應力不滿足衡準要求，即便是粗網格單元本身形狀很不好，在細網格分析中也很難滿足，通常需要加強。由于布置的要求，結構形式一般難以改變。強框架和水平桁通過局部嵌入厚板可以順利解決，如果板厚取值過大，則需選用高強鋼。圖17 — 圖19給出部分基于細網格計算的局部板厚。

圖17 強框架折角及開孔加強

圖18 水平桁舷側開孔及角隅部分加強

圖19 垂直桁端部區域加強

4 結 論

通過以上計算分析，可以得到如下結論：

（1）上部模塊質量對結構的影響范圍和程度都很小，設計初期缺少資料的情況下可不考慮模塊質量。

（2）屈服方面，需重點關注主要支撐構件的端部和不同類型主要支撐構件相鄰區域，這些區域往往剪應力較大，主要減小應力的方法是增加板厚或選用高強鋼。從應力結果看，水平桁上的應力集中情況整體舷側比船舯更為嚴重；強框架上垂向肋板應力也是舷側高于船舯；對垂直桁，下端部與底連續縱桁的相鄰區域應力水平最高。

（3）屈曲方面，需重點關注橫艙壁，可以通過增加板厚或者增設防屈筋加以解決。

本計算針對3號貨艙，計算結果可直接應用到2號貨艙。1號和4號貨艙由于彎矩水平下降較多，故可以采用此法重新計算，同時1號貨艙前艙壁區域由于存在單點系泊系統而剪力水平較大，尚需單獨考慮。

［1］BV.BV NR445，Rules for the Classification of Offshore Units，Part D［S］.2014.

［2］中國船舶工業集團公司.船舶設計實用手冊（結構分冊）［M］.北京：國防工業出版社，2013.

［3］王璞.FPSO結構設計技術的發展［J］.船舶，2014（2）：1-8.

［4］劉元丹，蘇金波，王華.FLNG系統卸載方式概述［J］.廣東造船，2014（4）：55-57.

［5］童波，金強.基于南海環境條件的半潛式鉆井平臺設計環境參數分析［J］.船舶，2011（2）：8-14.

Strength analysis of compartment structure for 230 000 m3LNG FPSO

ZHANG Yu-kui ZHANG Wei
（Marine Design & Research Institute of China，Shanghai 200011，China）

This paper carries out the strength analysis of the cargo hold structure of a 230 000 m3LNG FPSO by using VeriSTAR Hull software that has been developed by BV.A single point mooring system is used for this LNG FPSO，which was designed to explore the gas field of South China Sea，to position in the service area for a long period of time with the ability of withstanding various terrible sea conditions and ensuring the equipment safety and the continuous operation.Consequently，it is essential and critical for the function implementation of the whole FPSO to analyze and optimize the ship hull structure.It performs the modelling and loading，and analyzes the calculation results following the relevant requirements of BV rules.The high stress regions that should be paid attention to in the structural design are finally pointed out，which can provide advices for optimization.

LNG FPSO； compartment structure； VeriSTAR Hull software； finite element method（FEM）

U661.43

A

1001-9855（2016）05-0048-09

工信部高技術船舶科研項目——浮式液化天然氣生產儲卸裝置（LNG FPSO）總體設計關鍵技術研究（2013K24268）。

2016-04-26；

2016-06-06

張玉奎（1983-），男，工程師，碩士，研究方向：船舶結構設計與研究。張 偉（1986-），男，工程師，研究方向：船舶結構設計與研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.048