FLNG 熱應力分析及其對結構強度的影響

向琳玲，劉加一，闞 濤，唐永生

(1. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2. 滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129)

FLNG 熱應力分析及其對結構強度的影響

向琳玲1，劉加一1，闞 濤1，唐永生2

(1. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2. 滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129)

大型天然氣儲備裝置 FLNG 采用薄膜型液貨艙儲存天然氣，由于天然氣低至 –163 ℃，與外界溫度形成高達 200 多度的溫度差，因此有必要考慮熱應力對結構的影響。本文以工程實際為研究背景，采用有限元方法計算了 FLNG 三艙段模型在絕緣層完整和破損下的熱應力。同時結合服役環(huán)境，對大型 FLNG 在超低溫作用下的安全性問題展開研究，分析超低溫對 FLNG 結構強度的影響。所得結論對我國自主研發(fā)液化天然氣儲備裝置具有一定的參考價值。

FLNG；有限元；熱應力；局部強度

0 引 言

我國南海有著豐富的天然氣資源，海域中分布著無數深海、中小和邊際氣田。這些氣田由于分布相當分散，所以無法采用傳統(tǒng)的管道運輸上岸開發(fā)模式進行開采，因此迫切需要開發(fā)一種可以集海上天然氣預處理、液化、儲存和外輸為一體的新型開采技術。FLNG 這種新型大型浮式裝置技術完美地滿足了以上要求，它不僅可以長期在海上停留，一次性完成液化氣預處理、儲存、外輸，還解決了日漸緊張的土地資源問題，具有循環(huán)利用、安全、環(huán)保、經濟效益高等特點[1]。目前國際上已經有能源機構和油氣公司對FLNG 裝置進行建造，并在近年內實現(xiàn)運營。我國在現(xiàn)有 FPSO 和 LNG 建造技術基礎上，也對 FLNG 展開了相關研究。由于 FLNG 貨艙內儲存著 –163 ℃ 的液態(tài)天然氣，和外界環(huán)境溫度產生 200 ℃ 左右的溫度差，因此研究熱應力對結構的影響很有必要。另外LNG 具有超低溫、易燃易爆的特性，絕緣層能否起到很好的保護作用對 FLNG 海上運輸危險的研究具有重要意義[2–7]。本文基于工程實際應用，考慮 FLNG 在服役期間的各種事故工況，分析了絕緣層破損對結構安全的影響。在對 FLNG 艙段結構進行強度校核時，考慮了熱應力的影響，同時結合規(guī)范要求對 FLNG 在超低溫下的強度進行了校核。

考慮實驗校核船體強度的困難性和昂貴性，目前大多采用有限元方法對船體結構強度進行校核。Chen等[2]在 20 世紀 80 年代以板、梁單元模擬船體結構，在考慮材料和幾何非線性的情況下對船體結構進行彈塑性大撓度分析，得到了船體結構總縱極限強度，從而建立了船體結構極限承載能力分析的有限元方法。Yao[8]采用 HULLST 軟件對散貨船、油船和集裝箱船的極限強度進行了計算，并與 JBP 和 JTP 規(guī)范進行了比較。結果表明，在大多數情況下，相對于 HULLST 的計算結果，2 個規(guī)范的計算結果均偏于危險。任程[9]對薄膜式 LNG 船液貨艙的熱應力及結構強度進行了分析。目前大部分針對 LNG 的溫度熱應力研究均采用商業(yè)有限元通用軟件建立液艙的三維有限元模型進行計算。然而對于新型的 FLNG，涉及溫度熱應力及結構安全計算方面的研究工作尚未見報道，為彌補這一空白，本文將對其展開相關研究工作。

1 有限元模型及邊界條件

本文以 270 000 t的 FLNG 薄膜型液貨儲存裝置為研究對象，其貨艙區(qū)域為雙艙壁、雙殼、雙底結構，貨艙肋骨間距為 3 520 mm，雙層底高為 3 600 mm。FLNG 的液貨艙采用雙排液艙形式，它在不影響裝載量的前提下，既增加了液艙自身的剛度，也提高了FLNG 抵抗剪力和彎矩的能力；同時，由單艙變?yōu)殡p艙，自由液面減小，相應的晃蕩荷載也會降低。

1.1 主要參數

總長LOA：402.00 m；型深D：35.18 m；方形系數LB：0.944；垂線間長LPP：396.16 m；型寬B：62.00 m；結構吃水ds：14.80 m。

1.2 有限元模型描述

1）坐標系定義

根據經驗，在建立有限元模型時，X 軸方向為船長方向，Y 軸為船寬方向，Z 軸為型深方向。

2）根據船體結構圖建立數學模型，在有限元建模中大部分板材為四節(jié)點的板殼單元，較少部分運用了三節(jié)點板殼單元。為了便于計算，結構中的骨材均采用兩節(jié)點梁單元模擬，同時考慮了偏心梁的設置，從而比較真實地模擬了板梁的實際分布情況。按照 CCS相關要求，選取中間三艙段為分析范圍，有限元模型如圖 1所示。

3）邊界條件

本文借助 Patran 軟件對艙段模型進行了溫度場分析，然后通過建立溫度場函數，將溫度載荷施加到模型上，利用 Natran 計算其熱應力分布，具體步驟如下：

1）在溫度場分布計算完成后建立溫度場函數。

2）模塊轉換：將 Patran 的溫度計算模塊切換到結構計算模塊。由于絕緣層不參與結構計算，在熱應力分析時將其絕緣層刪除。然后更改模型的單元類型，設置材料屬性，如溫度膨脹系數等。

3）熱應力分析時，計算參考溫度取為 21.4 ℃。局部熱傳遞模型如圖 2 所示。

4）在有限元模型的端面建立約束邊界條件：后端面的 x、y、z 方向線位移為 0，端面內 x 和 z 方向的角位移為 0；前端面的 y 與 z 方向線位移為 0，端面內 x和 z 方向的角位移為 0；端面的剪力和彎矩用多點約束加在左右 2 個端面上。

5）利用 Nastran 分析計算結果。

4）計算工況

計算了液貨艙絕緣層完整和絕緣層破損不同工況下的熱應力，同時在考慮熱應力影響的條件下，對船體結構強度問題進行了分析。

2 熱應力計算結果

采用 Nastran 有限元軟件計算了南海環(huán)境下的熱應力，溫度載荷作用下各結構部位的最大熱應力值如表 1所示。

由表 1 可知，絕熱層完好的工況下，熱應力值普遍偏小，最大值只有幾十兆帕，滿足結構安全要求，這說明絕熱層起到了很好的防護作用。絕緣層破損情況下，液體泄漏導致船體結構局部溫度降低，不同結構處的熱應力普遍增加。由表 1 可知，縱、橫艙壁和強橫框架附近的構件最大熱應力值高達 100 多兆帕，一方面是由于在縱、橫艙壁相交區(qū)域附近，溫度梯度往往會比較大，而熱應力與溫度梯度成正比，熱應力值有所增加，另一方面強橫框架、橫艙壁位置處的結構比較復雜，局部結構的突變可能引起熱應力集中。在這些結構突變、局部溫差大的部位可以通過優(yōu)化結構形式，選擇耐低溫、膨脹系數低的材料來降低結構的熱應力集中問題。

表1 不同結構處的最大熱應力（滿載）（MPa）Tab. 1 MAX thermal stress of hull due to different ship structure（MPa）

1）熱應力計算結果分析

圖3 和圖 4 分別給出了貨艙、隔艙中橫剖面典型 節(jié)點處的熱應力計算結果，由圖 3 和圖 4 可知船體熱應力值普遍較小，普遍只有幾十兆帕。并且絕緣層完整工況下的熱應力值比主絕緣層破損的應力值略小。隔艙由于局部溫度變化比較大，因此熱應力值比貨艙處大。

2）船體部分結構熱應力分布云圖

圖5 和圖 6 分別給出了船體外殼和內殼的熱應力分布云圖。由圖 5 和圖 6 可知，主絕緣層破損工況下，內殼熱應力提高明顯比外殼熱應力大，這主要是由于內殼與絕緣層直接相連，導致絕緣層破損后其熱應力會出現(xiàn)明顯提升。由圖 7 和圖 8 可知，橫艙壁和強橫框架結構處的最大熱應力值高達 100 多兆帕，且在結構突變及結構開口處出現(xiàn)了熱應力集中，因此這部分區(qū)域需要設計者的特別重視，盡量減少區(qū)域結構的變化，優(yōu)選艙壁材料等手段提高船舶安全性能。

3 低溫作用對 FLNG 船工作狀態(tài)下結構安全的影響

3.1 計算載荷以及邊界條件的確定

1）船體梁的垂向波浪彎矩

對于船體梁的垂向波浪彎矩而言，各個規(guī)范采用的計算公式都是基于 CCS 統(tǒng)一規(guī)定的垂向波浪彎矩的公式，但是經驗公式是在比較理想的情況下建立的。

本課題采用水動力計算軟件得到了百年一遇工況下的垂向波浪彎矩，然后利用差值法得到三艙段兩端的垂向波浪彎矩，如圖 9 所示。

中拱時波浪彎矩：MWh= 1.51 × 1013N·mm，

中垂時波浪彎矩：MWh= –1.51 × 1013N·mm。

2）船體梁水平波浪彎矩

對于船體梁水平波浪彎矩，各個規(guī)范的計算公式大相徑庭。因此無論是滿載還是壓載工況，水平波浪彎矩載荷均一致。

式中：Kw為水平彎矩沿船長的分布系數，Kw=1.0；C 為波浪系數，取 C=10.579；D 為型深；Cb為方型系數；L 為船長。將系數代入式（1）得到水平波浪彎矩為：

3）船體梁靜水彎矩

計算中采用的船體梁靜水彎矩根據 FLNG 初步穩(wěn)性計算書[10]，分別查得滿載和壓載工況下對應的最大靜水彎矩作為計算靜水彎矩載荷（見表 2）。

4）外部海水壓力的計算

波浪壓力的表達式是以波浪誘導的水動壓力壓頭的形式給出，且與浪向角有關。根據薄膜型液化天然氣運輸船檢驗指南（2011）得到如表 3 的海水動壓力數據表。

表2 最大靜水彎矩（單位：N·mm）Tab. 2 The max Hydrostatic moment data

表3 海水動壓力數據表Tab. 3 Seawater dynamic pressure data sheets

5）貨艙內壓力

艙內液貨產生的壓力為：

式中：ρ 為艙內液貨的密度，0.45 t/m3；h 為計算點至艙頂的垂直距離，z 為沿型深方向的高度，m；kN/m2為壓力單位 。

6）其他載荷

除了考慮以上提到的 2 種載荷外，還需要對船體結構的重力進行模擬。

7）加載示意圖如圖 10 所示。

3.2 結果評估標準

根據 2011 年《薄膜型液化天然氣運輸船檢驗指南》，結構構件在任一工況下要滿足強度評估衡準。對于船體梁縱向板材構件及艙壁板，屈服利用因子對于與次屏蔽直接接觸的內殼結構的內甲板板、內殼縱壁板、內底板、頂邊艙斜板、底邊艙斜板在任一工況下，單位縱向應力不得大于 185 N/mm2，對于內底板、底邊艙斜板、內甲板板的屈服利用因子 λy≤ 0.9，內殼縱艙壁板、頂邊艙斜板的屈服利用因子 λy≤ 0.75；頂甲板板的屈服利用因子λy≤ 0.9；對于主要支撐構件板材，如橫向強框架、隔離空艙的艙壁之間的垂直與水平縱行、雙層底肋板等，在任一工況下的屈服利用因子 λy≤ 0.75。（屈服利用因子 λy= σe/ReH，σe，ReH為 Von Mises 應力和材料屈服應力，N/mm2。對于應力集中處，ReH應取不大于315 N/mm2，S + D 為靜 + 動載荷工況，S 為靜載荷工況）。

3.3 計算結果

設計載荷均依據 CCS 規(guī)范給出的經驗公式計算得到，然后結合溫度場計算所得的溫度載荷對 FLNG 進行復雜載荷的結構強度分析。本文以滿載中拱狀態(tài)的為例，對有低溫作用的和沒有低溫作用的船體結構計算結果進行比較（見表 4）。

由表 4 可知，在滿載中拱工況下，超低溫對船舶強度有一定的影響，溫度載荷和設計載荷組合工況的合成應力發(fā)生了小幅度變化。由較大的合成應力是由熱應力和結構應力累加造成的，且出現(xiàn)在溫度變化較大的結構區(qū)域。但是從 2 種合成應力來看，結構在中拱狀態(tài)下應力可能增加，也可能降低。2 種合成應力都滿足了船體結構強度，不會對船體結構安全構成直接威脅。

表4 滿載中拱狀態(tài)下變形及應力值Tab. 4 MAX stress of full loading （Hogging）

4 結 語

1）本文利用 Natran 計算了 270 000 t FLNG 的三艙段的熱應力。由文中計算的應力值計算結果可知，在絕緣層完整工況下，熱應力值普遍只有幾十兆帕，這說明絕緣層起到了屏蔽低溫的作用。主絕緣層破損后，船體結構的熱應力云圖分布發(fā)生改變，熱應力值普遍增加。在強橫框架及縱橫艙壁處由于復雜的結構及大開口會產生很大的熱應力集中。因此在前期設計的時候應該盡量減少區(qū)域結構的突變，優(yōu)化結構形式，提高材料特性，從而降低船體結構的局部熱應力，提高船舶安全性能。

2）根據規(guī)范，將設計載荷和溫度載荷加到結構模型上組合成多種工況，分析了有低溫和無低溫作用對FLNG 工作狀態(tài)下的結構強度。通過計算結果可知，在低溫作用下，船體變形、應力、應變都發(fā)生了變化。滿載工況下，溫度載荷和設計載荷的合成應力可能會增加也可能會降低。這說明低溫對工作狀態(tài)下船體結構強度有一定程度的影響。對于船體結構溫度變化較大的部位，合成應力變化明顯，因此可以通過結構優(yōu)化，引入更好的絕緣材料，提高船體剛性能等手段來保障 FLNG 在服役期內的結構安全。

[1]宋吉衛(wèi). FLNG 總體設計關鍵技術研究[J]. 中國造船, 2015, 36(2): 81–86. SONG Ji-wei. Key technology research in FLNG general design[J]. Ship building of China, 2015, 36(2): 81–86.

[2]CHEN KY, KUTT LM.Ultimaets strength of ship structures[J]. SNAME Translation, 1983, 91: 149–168.

[3]胡天威. FLNG 運動仿真及其子結構響應研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012. HU Tian-wei. Simulation of FLNG’s motion and response of FLNG’s substructure[D], Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[4]劉元丹. FLNG 系統(tǒng)轉運卸載系泊特性研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2013. LIU Yuan-dan. Mooring characteristics of the FLNG system[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2013.

[5]孫法峰. FPSO-LNG 儲罐儲存特性及安全技術[D]. 北京: 中國石油大學, 2010. SUN Fa-feng. Storage characteristics and safety technology of FPSO-LNG tank[D]. Beijing: China University of Petroleum, 2013.

[6]張開. 單點系泊 FPSO 船艏型線多方案研究 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2013. ZHANG Kai. The research of FPSO bow line under single point mooring system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013.

[7]滕曉青, 顧永寧, 等. 雙殼型船體結構穩(wěn)態(tài)溫度場和溫度應力[J]. 中國造船, 2000, 41(2): 58–65. TENG Xiao-qing, GU Yong-ning et al. Steady temperature distribution and thermal stress analysis for double hull structure[J]. Ship building of China, 2000, 41(2): 58–65.

[8]YAO T. Ultimate hull girder strength applying JTP and JBP methods[R]. in Committee Report: Comparative Studies on Evaluation of Buckling/Ultimate Strength and Fatigue Strength based on IACS JTP and JBP Rules, Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, 2005: 2.1–2.16.

[9]任程. 薄膜式 LNG 船液貨艙熱應力分析及其對結構強度的影響[D]. 哈爾濱, 哈爾濱工程大學, 2011. REN Cheng. Cargo tank thermal stress analysis of membrane tank lng carrier and its impact on strength[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2011.

Thermal stress and strength analysis of FLNG's structure

XIANG Lin-ling1, LIU Jia-yi1, KAN Tao1, TANG Yong-sheng2
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

FLNG adopts membrane liquid cargo to store LNG, As the temperature of LNG could reach –163 , it will be up to 200 degrees temperature with the external environment. It is necessary to consider the effect of thermal stress on structure. According to the practical engineering, using finite element method to calculus the thermal stress under different cases. And combining with the service conditions, this thesis work on structural safety problem and the strength of FLNG's structure under ultra-low temperature. The result of this paper could be helpful for future work on developing FLNG.

FLNG；finite element；thermal stress；strength analysis of structure

U663.2

A

1672–7619(2017)05–0071–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.014

2016–07–20；

2016–08–12

國家863計劃資助項目(2013AA09A216)；國家自然科學基金資助項目(11402094)

向琳玲(1992–)，女，碩士研究生，主要從事船舶與海洋結構物設計制造研究工作。