300 000 DWT 級FPSO改裝總縱強度分析

黃渙青　石科良　吳猛　朱繼欣　童星

摘? ? 要：本文以某改裝300 000 DWT級FPSO為研究對象，采用全船有限元方法對其總縱強度進行研究。本計算采用SESAM軟件，通過建立全船有限元模型、水動力模型、應用三維輻射-繞射理論進行波浪載荷預報，依照規范要求確定設計波。在此基礎上對全船結構在相應設計波載荷作用下的強度和變形進行分析。

關鍵詞：FPSO;全船有限元方法;設計波法;總縱強度

中圖分類號：U661.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：? In this paper， the whole ship finite element method is used to analyze the longitudinal strength of a? 300 000 DWT FPSO conversion. The finite element structure model and hydrodynamic model of the whole ship are established by SESAM software. The wave load is predicted according to the 3D radiation-diffraction theory， and the design wave parameters of different loads are determined according to the rules. On this basis， the strength and deformation of the whole ship structure under its design wave load are obtained.

Key words： FPSO;? Whole ship finite element method;? Design wave method;? Longitudinal strength

1? ? ?引言

FPSO作為海上油田開發工程的核心，集油氣處理、發熱供熱、人員居住、原油產品儲存與外輸于一體。

將VLCC改裝成FPSO，與VLCC相比，FPSO不同之處在于其主甲板上安裝了大量與原油加工相關的生產工藝模塊，以及外輸系統與系泊系統等。這些新增的模塊和系統的重量分布，將會對FPSO船體結構總縱強度產生影響。為了保證改裝后的FPSO強度滿足要求，必須提出可行的改裝方案。因此，需要分析經改裝后的FPSO總縱強度。

2? ? ?FPSO總縱強度分析

采用有限元方法分析FPSO船體總縱強度，可參照美國船級社FPI規范[1]（以下簡稱《規范》）的有關要求。建立全船有限元模型和質量模型，以及三維濕表面模型，通過單位規則波誘導船體載荷求得傳遞函數;并根據實際運營海域的波浪散布圖、波浪譜，求出波浪誘導船體的運動、相應的波浪載荷長期預報值;結合不同裝載工況下（滿載、壓載、隔艙裝載等）對應的波浪載荷控制參數[2]（垂向及水平波浪彎矩、貨艙與上部模塊重心處的加速度及波浪剪力等），確定相應的等效設計波參數（浪向、波高、頻率和相位）[3]。

隨后，將對應的設計波載荷作用在船體上。此時模型同時存在兩類載荷平衡，即自身重力與靜水浮力的平衡、船體動壓力與慣性力之間的平衡;對模型施加三節點邊界條件以消除剛體位移，計算各工況下對應的應力，校核其屈服及屈曲強度等[4][5]。

3? ? 實例分析

以某改裝300 000 DWT級FPSO為例，進行總縱強度分析。該FPSO主尺度如下：

3.1? ?模型建立

3.1.1 全船模型

運用SESAM GeniE對FPSO進行全船有限元建模，具體范圍為：縱向從尾封板至首柱;橫向從左舷至右舷;垂向從船底基線至主甲板，包括首部首樓及舷墻區域。

具體建模要求可參考《規范》5A-3-4-5的要求：網格大小約1個縱骨間距;主要板材和桁材腹板用殼單元模擬;扶強材和桁材面板用梁單元模擬。具體有限元模型，如圖1所示。

值得注意的是，FPSO由VLCC經過改裝而成，在主甲板上新增的各個模塊對主甲板的強度造成了極大的影響。為了保證FPSO主甲板能夠承受各個模塊的重量，本FPSO改裝方案在主甲板新增了多個加強構件，主要包括新增甲板縱桁、加大原縱骨和強橫梁的尺寸等。具體加強模型如圖2。

3.1.2? 質量模型

為了確保分析準確性，質量模型必須能夠反映實際的沿船長方向上的質量分布情況，且最終的重心位置和重量分布應和《穩性計算書》的計算工況一致。具體可通過調整不同貨艙段的密度以及在模塊位置、大型設備位置處設置質量點等形式來實現，使重量分布接近實際情況。主船體（空船）重量重心如表1所示，包含模塊的質量模型如圖3所示。

3.1.3邊界約束條件

通過在船體的首端頂部節點、首端底部節點、尾端底部節點施加線位移約束，以達到消除剛體位移的目的。邊界條件，如表2所列。

3.2? ?水動力載荷計算

3.2.1水動力計算模型

由于SESAM WADAM模塊以三維繞射和輻射理論作為波浪載荷計算的基礎，首先建立用于水動力計算的面元模型，將船體外殼在HydroD模塊中劃分為有限元網格。水動力模型，如圖4所示。

參考《規范》的要求，需要計算出作用在船體的典型波長（周期）的規則波。波浪周期的范圍取4～40s、步長間隔取1 s，總共選取37個頻率的規則波。

考慮浪向角對船體運動及誘導載荷的影響，選取12個浪向角、間隔為30o。

3.2.2 載荷傳遞函數（RAO）

應用SESAM WADAM模塊進行傳遞函數的計算，并應用 Postresp模塊進行傳遞函數的結果顯示。

壓載工況下12個浪向作用的船體垂蕩運動傳遞函數，如圖5所示;壓載工況下不同截面對應的波浪誘導垂直彎矩傳遞函數，如圖6所示。

3.2.3? 長期預報及設計波

長期預報的參考海況采用了目標海域的波浪散布圖，結合三維繞射和輻射理論，求得由波浪誘導的船體運動、載荷傳遞函數。采用Weibull分布（二參數）對長期分布進行擬合，對船中截面的主要載荷參數進行長期預報（如垂向彎矩等），超越概率為10-8，對應的設計壽命約為25年。

設計波波幅為aw：

式中：LTR為主要載荷參數的長期預報極值，本文選取百年一遇的預報極值;

RAOmax為主要載荷參數傳遞函數的最大幅值。

計算得到壓載工況的設計波：波浪周期為14 s;浪向角為180o;波幅為11 m;相位角為137o（中拱）/-43o（中垂）。

3. 3? 總縱強度計算

根據3.2.3計算所得的計算波參數，輸入等效設計波對主船體進行水動力、載荷傳遞及強度計算，得到FPSO各構件對應的最大位移和應力。值得注意的是，需通過SESAM Cutres模塊對主要監測截面應力計算值進行積分得到設計波剪力彎矩值，并將該值與SESAM Postresp中長期預報的設計波剪力彎矩值進行對比，兩者結果應吻合，證明載荷傳遞良好。

根據指南[2]4.3，總重力和總浮力的差值應≤1%，重心與浮心縱坐標的差值應≤0.1%倍船長。通過讀取支點垂向支反力，計算精度可滿足要求。

3.3.1 強度及位移計算

許用應力衡準參考5A-3-4-13.3的要求，低碳鋼許用應力為235 MPa、HT315鋼許用應力為299 MPa、HT355鋼許用應力為322 MPa。

壓載工況下的最大位移為0.52 m，在Xtract模塊下顯示位移云圖，見圖8;貨艙區橫向構件最大Von Mises應力，如圖9、圖10;貨艙區域的應力水平匯總，見表3。

分析計算結果可知，由于受到總縱強度及艙內不對稱壓力的同時作用，在貨艙區域橫艙壁水平桁趾端與縱艙壁相交處產生了較高應力。

3.3.2 屈曲強度評估

屈曲強度評估參考《規范》5A-3-4規定，對貨艙區域的船底板、內底板、底縱骨等縱向受壓構件進行了屈曲強度的校核。具體板格雙向壓應力和剪應力，可通過PULS模塊將應力數據提取并計算（限于篇幅，計算結果略）。

4? ? ?結論與展望

根據《規范》，應用全船有限元方法對改裝300000 DWT級FPSO總縱強度進行分析，得出以下結論：

（1） 建立FPSO有限元模型和水動力模型，獲取甲板、外板和縱艙壁等主要縱向結構在典型工況下的總縱強度應力。采用整船模型比艙段模型能更加真實的模擬船體的應力分布和變形;

（2） 設計時應注意水平桁趾端和縱艙壁相交處，可采用“軟趾”的節點形式降低應力集中現象;

（3） 由于船中部油氣處理模塊重量大、重心位置較高，與主船體連接的結構在全船總縱彎曲的作用下，端部的肘板連接位置將產生局部高應力，這些區域還需進行局部強度校核。

參考文獻

[1] American Bureau of Shipping，RULES FOR BUILDING AND CLASSING FLOATING PRODUCTION INSTALLATIONS [M]. February， 2016.

[2] GUIDE FOR SAFEHULL-DYNAMIC LOADING APPROACH FORVESSELS， [M]，October，2015

[3] 張延昌，羅廣恩，王自力，尹群. 大型滾裝船彎扭強度整船有限元分析[J].艦船科學技術，2005（6）：39-43.

[4] 段雷杰，張少雄，楊洋. 基于設計波法的 FPSO 全船有限元分析[J].船海工程，2017（2）：48-53.

[5] 嚴萍，石科良. 1750TEU 集裝箱船全船彎扭強度分析[J].艦船科學技術，2018 （6）：13-15.