FPSO關鍵管路甲板上浪與砰擊載荷計算

石銀輝，寧俊，徐新

(大連中遠海運重工有限公司，遼寧 大連 116113)

砰擊是波浪與運動浮體相互作用產生的激烈沖擊現象。根據波浪與浮體發生沖撞位置的不同，砰擊一般分為底部砰擊、外張砰擊和甲板上浪3種類型[1]。由于波浪砰擊現象十分復雜，是極難求解的強非線性問題[2]，國內外學者開展了大量研究工作，主要集中在砰擊預報的理論研究、模型的試驗研究和近年來興起的數值模擬方面。本文基于前人的研究成果，依托大連中遠海運重工有限公司為MODEC公司改裝的FPSO Sangomar項目，分析波浪砰擊對泡沫、貨油、海水提升等關鍵性管路造成的影響，提出甲板上浪與砰擊載荷的計算方法以及管路應力分析中的載荷加載方案，為管道工程的設計提供依據。

1 波浪砰擊評估范圍及分類

1.1 受波浪砰擊的關鍵性管路

根據管道的流體介質、尺寸、材料、系統設計參數及作用載荷等關鍵特征，將管道劃分為3類：1類管道不需要進行正式的應力分析；2類管道可利用圖表法、解析法、支架跨距表等進行簡化的分析，且最終需取得管道應力工程師的認可；3類管道需綜合考慮所承受載荷及作業工況進行詳細的應力分析[3]。本文僅對布置在船艏、船艉或舷側位置的3類管道進行波浪砰擊校核介紹，該FPSO項目會遭受波浪砰擊的關鍵性管路尺寸及位置見表1。

表1 受波浪砰擊的關鍵管路

1.2 波浪砰擊載荷評估分類

根據波浪與浮體發生沖撞位置的不同，在應力校核中將這種沖撞區分為甲板上浪和砰擊。甲板上浪是指浮體遭遇波浪，來波超越干舷沖上甲板的現象[4]；砰擊是波浪與船底結構或具有外張形式的船側結構的沖擊[5]。由于波浪砰擊力的大小與結構的幾何形狀、所處位置、暴露環境等因素有關，本文按圖1、2所示分類對管路系統進行波浪砰擊載荷評估，船體結構按圖3所示劃分為船艏、船艉及舷側3部分。

圖1 甲板上浪載荷評估劃分

圖2 砰擊載荷評估劃分

圖3 船體結構位置劃分

2 甲板上浪與砰擊載荷計算分析

在項目設計建造階段分析甲板上浪及砰擊對結構物的影響并進行結構優化是抵御砰擊的有效手段，但目前相關文獻對此鮮有報導。本文根據圖1、2的分類方法，基于表2的環境條件，對FPSO的關鍵性管路及典型結構物進行甲板上浪或砰擊載荷計算。

表2 甲板上浪與砰擊載荷分析環境條件

2.1 甲板上浪

根據甲板上浪試驗報告：拖航工況，有義波高Hs=8 m、譜峰周期Tp=10～20 s，舷側不出現甲板上浪的情況；操作工況，有義波高Hs=6.9 m、譜峰周期Tp=10～20 s，滿載(水線高20.0 m)情況下舷側的最大浪越舷為1.6 m，近似滿載(水線高18.5 m)情況下舷側的最大浪越舷0.1 m，保守設計，取1.6 m作為舷側最大浪越舷。

拖航工況，有義波高Hs=8 m、譜峰周期Tp=14 s、浪向角135°的斜浪航行條件下，船艉最大浪越舷2.3 m；操作工況，非滿載情況下甲板上浪的發生風險很低。

甲板上浪情況下，FPSO各部位最大浪越舷與結構物所受沖擊載荷見表3。

表3 最大浪越舷與沖擊載荷

由于該FPSO艏部伸出一個大的轉塔支撐結構(turret support structure， TSS)，艏部甲板的上浪風險很低，此處僅對舷側和艉部甲板上浪載荷進行分析。

2.1.1 艉部區域甲板上浪

1)板結構。根據甲板上浪試驗報告，對于低艉甲板上的大型平板結構，在最大浪越舷時的最大設計壓力取20.5 kPa。甲板某位置的上浪高度與該位置大的平板結構所受的沖擊壓力存在如下關系。

P=3.9H2

(1)

H=(0.001y2-0.060 8y+1.139 9)h

(2)

式中：H為平板豎直結構處的上浪高度；y為平板結構到FPSO邊緣的距離；h為浪越舷高(2.3 m)。

對于安裝在低艉甲板、沿舷側布置的系纜絞車，可以視為大的平板結構，按照上述說明計算甲板上浪沖擊載荷。

2)細長結構。結構高度小于浪越舷高度的情況推薦采用潰壩理論，在甲板上浪水流高度上的水流速度分布視為恒定的。對于比浪越舷高度低的細長結構，可采用下列公式計算沖擊載荷。

(3)

(4)

(5)

H=(0.001y2-0.0608y+1.1399)h

(6)

(7)

式中：Ftotal為總沖擊力；Mtotal為總力矩；Cd為阻力系數；ρ為水密度；D為結構直徑，m；T為波浪周期(14 s)；h為浪越舷高(2.3 m)；fb為干舷高(7.84 m)；u為橫向速度；Hs為細長型結構距甲板的高度；H為在距離FPSO邊緣y位置的上浪高度。

對于安裝在低艉甲板的細長結構，根據式(3)～(7)計算極端情況下的最大沖擊力和力矩，結果見表4。

表4 低艉甲板細長結構波浪載荷

以布置在低艉甲板的貨油卸載管路為例，圓柱的阻力系數Cd為0.5，各管段的最大沖擊力保守計算結果見表5。

表5 低艉甲板貨油卸載管路甲板上浪沖擊力

利用CAESAR II應力分析軟件建立低艉甲板貨油卸載管路的應力計算模型，采用分段加載的方式將計算得到的最大甲板上浪沖擊力加載在各管段上，載荷相同的管段顏色一致，見圖4。

圖4 低艉甲板貨油卸載管路應力計算模型

此處僅以管徑762 mm的管段為例，說明上浪沖擊載荷加載方式：在該管段模型上點選初始單元，雙擊均布載荷復選框，分別在3個向量列輸入X/Y/Z方向的均布載荷，其中上浪沖擊作用方向為X向，在向量1列選取載荷單位F/L，輸入沖擊力169 N/cm, 向量2和向量3列選取載荷單位G′s，分別輸入Y/Z方向的船體加速值。

2.1.2 舷側區域甲板上浪

1)板結構。根據甲板上浪試驗報告，在最可能出現最大浪越舷的情況下，相應的沖擊壓力為4 kPa，該值適用于距離舷側10 m以內大的平板結構。

2)細長結構。對于舷側區域結構高度小于浪越舷高度的情況同樣采用潰壩理論，依據2.1.1中公式計算細長結構的最大載荷和彎矩。對于主甲板上安裝的消防管、泡沫管、玻璃鋼管、海水提升管等細長圓柱型結構，所受的最大沖擊載荷和阻力系數可根據表6、7獲取。

表6 主甲板細長結構沖擊載荷

表7 水動力載荷計算的阻力系數

以布置在主甲板舷側的環形泡沫管路(管徑114 mm)為例說明細長結構所受甲板上浪載荷的計算。根據表6可知在距離艉垂線91.0 m處的載荷最大，圓柱的阻力系數Cd為0.5，最大載荷44×Cd×D=2.5 kN。

利用CAESAR II應力分析軟件建立環形泡沫系統的應力計算模型，采用同2.1.1節相同的上浪沖擊載荷加載方式，局部模型見圖5。

圖5 主甲板環形泡沫管路應力計算模型

因沿船寬方向的管路受波浪沖擊影響較小，在應力計算時可忽略不計，僅將計算所得的最大甲板上浪載荷加載到沿船長方向的管路上。在對管系進行應力、管道振動等內容的力學分析時：若因上浪載荷影響造成局部應力過大，可通過選取對應位置的上浪載荷來降低輸入力值達到消除局部應力集中的目的；若因上浪載荷影響造成局部應力集中、局部共振、支架承受載荷過大，可通過改變管路走向、減小支架間距、增加支架或合理設置限位支撐的方式降低其應力水平，增強管路抗沖擊強度。布置在舷側的消防管路、玻璃鋼管及海水提升管路亦可按照上述方式進行計算。

2.2 砰擊

砰擊主要包括艏底砰擊和外張砰擊。受此類砰擊影響的結構有船艏TSS底部和側面，低艉甲板延伸結構，舷側區域舷外板型結構和細長型結構。因船艏底部、船艉延伸部分及舷外板型結構屬于結構專業的范疇，本文不展開介紹，僅對舷外細長型結構所受的砰擊載荷計算進行說明。

2.2.1 舷外水平細長結構砰擊載荷

舷外水平細長圓柱結構上的波浪沖擊見圖6。水面以上部分結構的載荷在波浪沖擊條件下進行評估，水面以下部分結構在水動阻力條件下進行評估，兩者中的主導載荷用于結構校核計算。

圖6 水平細長結構波浪沖擊示意

1)沖擊載荷。Kaplan在1992年給出了一種預測水平細長結構砰擊力時程的方法。假設波浪垂直于圓柱的水平軸傳播，圓柱單位長度豎直方向上的沖擊力為[6]

(8)

圓柱單位長度水平方向上的沖擊力為

(9)

2)水動阻力條件。對于全浸沒結構，水動阻力為

Fd=0.5ρCdAu2

(10)

式中：Fd為單位長度的沖擊力；ρ為水的密度；Cd為波浪沖擊系數；A為浸水部分的面積；u為結構物與波浪相對速度。

海水提升系統中的海水、生產水排舷外管布置在船舶舷側，需要考慮波浪拍擊的影響，排舷外管的應力計算模型及管路放樣模型見圖7。對于圖示水平管段(管徑323.85 mm)，因其位于水線以上，所受橫向沖擊力Fx根據式(9)計算值為35.13 kN/m，所受垂向沖擊力Fz根據式(8)計算值為46.02 kN/m。

2.2.2 舷外豎直細長結構砰擊載荷

舷外豎直細長圓柱結構上的波浪砰擊見圖8。

圖8 豎直管路受波浪砰擊示意

波浪傳播引起的水平載荷，根據豎直細長結構的形狀系數，可應用線性波理論來估算。波浪撞擊圓柱時，高度z處的波浪砰擊力Fx可通過下式計算。

Fx(z,t)=0.5ρCsDu2

(11)

式中：Fx為單位長度的砰擊力；ρ為水的密度；Cs為波浪沖擊系數；D為直徑；u為結構物與波浪相對速度。

沖擊系數可由下式計算。

(12)

式中：D為直徑；0

同樣以海水提升系統中的海水、生產水排舷外管為例。在管路應力計算時，參數通常取保守值，水線以下部分波浪最大速度ux為9.1 m/s，uy為8.9 m/s，Cs(D)取0.8，根據式(12)計算水動阻力載荷Fx為11.11 kN/m，Fy為10.63 kN/m；水線以上部分波浪最大速度ux為8.3 m/s，uy為8.8 m/s，Cs(D/2)取0.766，根據式(12)計算砰擊載荷Fx為8.76 kN/m，Fy為9.85 kN/m。結合2.2.1水平管段的計算結果，采用與2.1.1節相同的分段輸入方式將水線以上部分所受的沖擊載荷和水線以下部分所受的阻力載荷加載到管線上。因波浪砰擊的影響，該段管路的支架間距較支架跨距表的要求有所減小，且需要在豎直管段增加止動支架來限制軸向位移及避免彎頭部位的應力集中，另外也可通過修改管路材料及壁厚的方式增加管路的抗沖擊強度。

3 結論

基于潰壩理論對舷側和船艉區域細長結構的甲板上浪沖擊載荷計算方法進行介紹，同時基于線性波理論估算的波浪在不同位置的可能最大相對速度，根據DNVGL-RP-C205推薦公式計算舷外水平及豎直細長結構的砰擊載荷。針對布置于主甲板、舷外、船艏及艉部低艉甲板的關鍵性管路，利用CAESAR II軟件建立管路的應力計算模型，采用保守的方法將得到的局部最大甲板上浪或砰擊載荷分段加載到管路上，以便更全面地評估管路的抗沖擊能力并優化管道布置，為后續類似船型的規范化應用提供參考依據。