環境烈度因子在FPSO船體梁強度評估中的應用

唐 宇，任慧龍，邱偉強，楊 凡，張志康

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

環境烈度因子在FPSO船體梁強度評估中的應用

唐 宇1，任慧龍1，邱偉強2，楊 凡1，張志康2

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

由于作業方式不同，用于計算FPSO與不限定航線條件下船舶設計載荷的規范計算公式不一樣，如何將現有的關于普通海船的規范用于FPSO的設計評估是FPSO研究中的關鍵問題。基于現有常規鋼質海船規范，文章采用環境烈度因子（ESF）對用于計算運營于無限航區船舶設計載荷的規范公式進行修正，將修正后的公式作為FPSO設計載荷的計算公式。利用所得FPSO載荷計算公式計算某30萬噸FPSO設計載荷，并采用薄壁梁理論對船體梁強度進行校核。將校核結果與未經ESF修正的船體梁校核結果進行比較，發現未經ESF修正的船體梁校核結果明顯偏大。同時，采用薄壁梁理論進行船體梁剪切強度評估，可以避免建立全船有限元模型。

FPSO；環境烈度因子（ESF）；彎曲強度；剪切強度

1 環境烈度因子的定義

環境烈度因子分為α因子和β因子2種。α因子主要用來修正無限定航線條件下運營船舶（即基于規范）與長期作業于指定海域裝置（FPSO）之間的預期疲勞強度；β因子主要用來修正用于創建船體梁強度、單獨構件尺寸方程的動載荷分量，也用于修正船體強度分析的載荷以及一些輔助性的力如由位于主甲板及其以上的設備運動產生的力。本文主要討論β因子的運用，β因子的定義如下[3]：

式中：LS為在特殊作業場地海況下的動載荷極值，場地自存重現期為100年；LU為基于北大西洋無限航區海況條件下的動載荷極值，重現期為25年。

根據ABS船級社關于FPSO的規范，有13個關于動載荷分量的環境烈度因子，見表1。

表1 動載荷分量環境烈度因子Tab. 1 The ESFs of component of dynamic loads

2 環境烈度因子的確定

環境烈度因子計算要點在于LS和LU的確定，采用基于三維線性勢流理論[6]的波浪載荷直接計算軟件COMPASS-WALCS-BASIC對二者進行計算。

2.1 LS的計算設置

文章計算FPSO的作業海域為南海，工作水深為103 m，計算航速為本0 kn，其余參數設置參見文獻[7 – 8]。

2.2 LU的計算設置

基于北大西洋無限航區海況條件下的動載荷極值LU，系指計算相應環境條件下的長期預報極值。LU為動載荷成分在無限航區海況下的極值響應，與LS的計算過程相似，通過基于波浪譜和波浪散布圖的長期預報方法[6]得到。

需要注意的是：1）水深。LU是針對無限航區海域，計算LU時的計算水深應取為無限水深；2）海浪譜。對于LU對應的無限航區或開放海域，推薦使用雙參數PM譜，文中采用ISSC推薦的雙參數PM譜；3）海況散布圖。對于無限航區，采用IACS推薦的NO.34北大西洋波浪散布圖[8]。

2.3 環境烈度因子計算

根據上述方法，可以計算出各裝載工況下的LS和LU，即可得到不同動載荷分量的ESF。各載況下不同動載荷分量的環境烈度因子ESF見表2。為了防止ESF值過小，不足0.5的按0.5取[8]。

表2 各載況下FPSO環境烈度因子Tab. 2 The ESFs of FPSO under different loading conditions

3 FPSO船體梁縱向強度校核

根據文獻[2]，本文主要對FPSO的船體梁縱向強度—船體梁彎曲強度與船體梁剪切強度—進行評估，故實際用到的環境烈度因子為βVBM和βVSF。

3.1 彎曲強度校核

作用于FPSO的載荷分為垂向靜水彎矩與垂向波浪彎矩2部分，靜水彎矩由裝載手冊提供，垂向波浪彎矩環境烈度因子修正后的公式決定，見式（2），單位為kNm。

各載況下中垂和中拱工況的合成載荷如圖1所示。由圖1得到各載況下最大合成彎矩作用剖面位置及作用載荷，見表3。

根據文獻[2]規定，船體梁校核應滿足下列要求：

船體梁0.4 L區域的剖面模數應不小于下式計算值

式中：Mt為總彎矩，垂向靜水彎矩與垂向波浪彎矩之和，kN·m；fp為名義許用彎曲應力，為175 000 kN/m2

同時，視計算環境烈度因子值的大小，垂向波浪彎矩作用下的船體梁最小剖面模數應不小于表4中的值。式中：SMsvr最小船體梁剖面模數，見文獻[2]。

目標FPSO采用高強度鋼的區域為甲板，船底，舷側外板甲板邊線向下3.2 m、基線向上3.2 m的舷側板，縱艙壁從甲板邊線向下4.395 m、基線向上4.95 m的縱艙壁板。高強鋼等級為H36，屈服極限為，對應的折減系數Q = 0.72。

彎曲強度校核結果見表5。

由表5可知彎曲強度校核滿足要求。

3.2 剪切強度校核

同彎曲強度校核相同，FPSO剪切強度校核作用載荷包含靜水剪力與垂向波浪剪力。靜水剪力由裝載手冊提供，垂向波浪剪力環境烈度因子修正后的規范公式決定，見式（4），單位為kN。

各載況下垂向波浪剪力分別為正、負工況時的合成載荷如圖2所示。

圖1 中拱/中垂靜水彎矩與波浪彎矩分布圖Fig. 1 The bonding moment of hogging and sagging

表3 各載況最大合成彎矩作用剖面Tab. 3 The section bearing maximum resultant bending moments

表4 各ESF下的最小船體粱剖面模數Tab. 4 The minimum hull girder section modulus under different βVBM

表5 彎曲強度校核結果Tab. 5 The check results of bending strength

由圖2得到各載況下危險剖面所在位置及作用載荷。按照文獻[2]規定，船體梁剪切強度校核應滿足下列要求：

計算所得剪應力應大于下值

需要注意的是目標FPSO具有2道連續縱艙壁，其橫剖面屬于多腔室閉口薄壁桿件，見圖3，利用薄壁梁理論[4–5]計算剖面剪應力，剪切強度校核結果見表6。由表6可知剪切強度滿足要求。

圖2 中拱/中垂靜水剪力與波浪彎矩分布圖Fig. 2 The shear force of hogging and sagging

圖3 目標FPSO三艙段模型圖Fig. 3 The three cargo hold model

3.3 ESF修正與否強度校核對比

不引入環境烈度因子修正，直接應用文獻[2]中的公式進行強度校核的結果見表7和 表8。

可知在采用ESF修正時，剪切強度校核復合要求；彎曲強度雖然滿足文獻[2]中3-2-1/3.7.1（a）要求，但不滿足文獻[2]中3-2-1/3.7.1（b）的規定，故不滿足要求。

經ESF修正與未經ESF修正的強度評估結果見表 9 和 表 10。

可以看出，在彎曲強度校核中未經ESF修正時，計算所得的規范要求剖面模數相對修正結果偏大最小10.95%，最大至18.91%；規范要求的船中最小剖面模數相對修正結果偏大約17.6%。在剪切強度校核時，未經ESF修正的剪應力計算結果相對修正結果偏大達28.91%。

4 結 語

文章基于文獻[2 – 3]的相關規定，采用未經ESF修正和ESF修正后規范公式計算某FPSO的設計載荷，在此基礎上，利用薄壁梁理論對其船體梁強度進行校核，結論如下：

1) 船體梁彎曲強度校核，未經ESF修正的計算結果相對修正后計算所得的規范要求剖面模數偏大10.95%～18.91%；規范要求的最小剖面模數前者偏大17.6%左右；

2) 船體梁剪切強度校核時，未經ESF修正的計算結果相對修正后的計算結果偏大14.28%～28.91%；

3) 相對有限元計算，采用薄壁梁理論可以快速、有效計算船體梁閉型艙室的剪切強度。

采用環境烈度因子方法可以基于現有規范公式，快速、有效地確定FPSO的設計載荷，并對其進行結構設計與評估，簡單易于實現，是FPSO設計評估的一種有效方法。在評估船體梁閉型艙室的剪切強度時，為避免繁重的建模任務量，可以利用薄壁梁理論對剪切強度進行評估。

表6 剪切強度校核結果Tab. 6 The check results of shearing strength

表7 未經ESF修正彎曲強度校核結果Tab. 7 The check results of bending strength with no application of ESFs

表8 未經ESF修正剪切強度校核結果Tab. 8 The check results of shearing strength with no application of ESFs

表9 ESF修正與否的彎曲強度校核結果比較Tab. 9 The comparison of bending strength between the results corrected by ESFs and that not

表10 ESF修正與否的剪切強度校核結果比較Tab. 10 The comparison of shearing strength between the results corrected by ESFs and that not

[1]趙春田, 王艷芳. 用動載荷因子法進行FPSO船體強度的設計和評估[J]. 中國造船, 2002, 43(S): 132–143.

ZHAO Chun-tian, WANG Yan-fang. Hull strength design and assessment for FPSOs using dynamic loading factors[J].Shipbuilding of China 2002, 43(S): 132–143.

[2]ABS. ABS rules for building and classing steel vessels[M].2016: 42–56.

[3]ABS. ABS Rules for building and classing floating production installations[M]. 2016, 98–449.

[4]楊代盛. 船體強度與結構設計[M]. 北京: 國防工業出版社,1981: 41–61.

[5]陳伯真, 胡毓仁. 薄壁結構力學[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 1998.

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[7]劉成名, 李洛東, 孫政策, 等. FPSO 環境烈度因子應用分析[J].船海工程, 2014, 43(6): 1671–7953.

LIU Cheng-ming, LI Luo-dong, SUN Zheng-ce, et al.Application analysis of FPSO environmental severity factors[J].Ship & Ocean Engineering, 2014, 43(6): 1671–7953.

[8]中國船級社. 海上浮式裝置入級規范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2014: 2-79–2-188.

The application of environmental severity factor on hull girder strength evaluation of FPSO

TANG Yu1, REN Hui-long1, QIU Wei-qiang2, YANG Fan1, ZHANG Zhi-kang2
(1. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The rule formulas which used to calculate the design loads of FPSO and navigating-free ships are different because of the different operating conditions between FPSO and common ships. It is a key point that how to apply current seagoing ships rules to designing and evaluating FPSO. Based on the current seagoing ships rules, the thesis adopted environment severe factors to modify the formulas which intended to calculate design loads of ships operating in unrestricted service conditions. The modified formulas were used to calculate the design loads for FPSO. Then the obtained formulas were utilized to calculate the design loads of a FPSO with 300 000 DWT which followed by a hull girder strength check based on thin-wall theory. The check results of ESF method were compared with those which weren't modified with ESF and the latter was greater than the former obviously. Meanwhile, it was a time-saving method to apply thin-walled theory to evaluating hull girder strength which avoided whole ship finite element model.

FPSO；environmental severity factor (ESF)；bending strength；shear strength

U662.2

A

1672 – 7649(2017)10 – 0034 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.006

0 引 言

FPSO需要在目標海域長期作業，在服務期內，FPSO（特別是不具備自航功能的FPSO）很有可能遭遇極端的載荷情況。出于安全考慮，目前的規范都將FPSO的設計環境條件定為100年一遇，因此，如何準確地確定FPSO的設計載荷是FPSO設計評估中的重點。

目前有大量的規范可以對在不限定航線的波浪條件下運營的船舶的設計載荷進行計算，但是由于運營方式的不同，其計算載荷不能直接用于FPSO的結構設計與強度評估。為使基于不限定航線波浪條件下的船舶載荷計算規范能用于FPSO的設計與評估，美國船級社引入了環境烈度因子對用于計算不限定航線船舶的載荷的規范公式進行了修正[1]。本文基于鋼質海船建造和入級規范[2]，參照浮式生產裝置建造入級規范[3]中的相關規定，采用環境烈度因子對文獻[2]中的公式進行修正，并作為某30萬噸FPSO評估載荷的計算公式。同時，為避免復雜、耗時的全船有限元模型建立工作，文中采用薄壁梁理論[4–5]對該FPSO的船體梁剪切強度進行校核。

2017 – 01 – 09；

2017 – 02 – 28

唐宇(1991 – )，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋結構物力學性能。