張延昌， 陳國(guó)建 ， 王　璞， 李永超 ， 陶尼斯

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011； 2 法國(guó)必維船級(jí)社中國(guó)有限公司，上海 200011)

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FPSO克令吊基座結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)

張延昌1， 陳國(guó)建2， 王璞1， 李永超1， 陶尼斯1

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011； 2 法國(guó)必維船級(jí)社中國(guó)有限公司，上海 200011)

摘要：克令吊基座是吊機(jī)安全的重要保障，其屈服、疲勞強(qiáng)度在詳細(xì)設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視。以某FPSO吊機(jī)基座為設(shè)計(jì)研究對(duì)象，首先總結(jié)了基于精細(xì)網(wǎng)格的強(qiáng)度有限元直接計(jì)算評(píng)估技術(shù)、基于譜分析方法與確定性方法相結(jié)合的疲勞分析評(píng)估技術(shù)；其次提出吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)思路及流程，并對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行屈服、疲勞強(qiáng)度校核；最后對(duì)吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。研究表明：吊機(jī)筒體與船體縱向、橫向強(qiáng)力構(gòu)件相連接處容易產(chǎn)生高應(yīng)力，需要重點(diǎn)關(guān)注；通過(guò)改變結(jié)構(gòu)型式、尺寸使結(jié)構(gòu)間的剛度匹配更合理，使各結(jié)構(gòu)傳遞或承載更均勻；通過(guò)增加局部結(jié)構(gòu)板厚等方法，可以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞性能。該設(shè)計(jì)技術(shù)可為其它類似海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：FPSO； 克令吊基座；直接設(shè)計(jì)；有限元分析；譜疲勞分析

0引言

FPSO是集油氣處理、生活、發(fā)電、熱站與原油輸出于一體的極其復(fù)雜的生產(chǎn)裝置， FPSO 以其全海式操作、海域/油礦適應(yīng)性強(qiáng)、可長(zhǎng)期系泊、儲(chǔ)存能力強(qiáng)、可轉(zhuǎn)移重復(fù)使用等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為海上油氣生產(chǎn)主流設(shè)施[1-3]。FPSO作為一種專用的油氣生產(chǎn)裝置出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，我國(guó)的FPSO出現(xiàn)于1986年“南海希望”號(hào)，目前共有十幾艘FPSO。吊機(jī)是FPSO上重要的甲板機(jī)械設(shè)備，主要保障甲板貨物、設(shè)備、管線、閥門(mén)的吊運(yùn)及維修。至少在左、右舷各設(shè)一臺(tái)吊機(jī)，且在船體縱向位置錯(cuò)開(kāi)布置，以便覆蓋整個(gè)模塊甲板，吊機(jī)工作時(shí)可以轉(zhuǎn)動(dòng)到任何位置，機(jī)房應(yīng)避免處于危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)。對(duì)于立柱多為圓柱筒體結(jié)構(gòu)克令吊，筒體結(jié)構(gòu)與主船體結(jié)構(gòu)之間的連接結(jié)構(gòu)(即吊機(jī)基座結(jié)構(gòu))是確保吊機(jī)作業(yè)安全、可靠的重要保障，因此，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段要特別重視吊機(jī)基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

該文以某FPSO克令吊為研究對(duì)象，提出基于精細(xì)有限元分析與譜疲勞分析相結(jié)合的結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)基座使得吊機(jī)筒體結(jié)構(gòu)與主甲板之間載荷有效傳遞，確保吊機(jī)結(jié)構(gòu)安全、可靠，吊機(jī)布置時(shí)應(yīng)使基座的縱、橫向強(qiáng)力構(gòu)件分別與艙壁或強(qiáng)框架等船體強(qiáng)力結(jié)構(gòu)對(duì)齊。

該文中FPSO吊機(jī)采用第一種布置型式，初步設(shè)計(jì)方案如圖1所示。吊機(jī)布置于內(nèi)殼縱艙壁與橫向強(qiáng)框交點(diǎn)，吊機(jī)立柱筒體向壓載艙、貨油艙延伸，壓載艙內(nèi)筒體壁板終止連接于4平臺(tái)上第二根縱骨位置。筒體內(nèi)設(shè)橫向、縱向腹板與筒體內(nèi)的豎向加強(qiáng)筋相連；筒體外橫向無(wú)法設(shè)置肘板，在縱向位置設(shè)置帶軟址的肘板，縱艙壁板板厚適當(dāng)增加。

圖1　吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2吊機(jī)基座強(qiáng)度評(píng)估技術(shù)

2.1計(jì)算工況

根據(jù)吊機(jī)設(shè)計(jì)工作環(huán)境，結(jié)合BV及API SPC-2C規(guī)范要求，分兩種組合工況進(jìn)行強(qiáng)度分析：(1)靜態(tài)載荷組合SLC：包括最大靜水彎矩、結(jié)構(gòu)自重載荷、安全工作載荷(SWL)；(2)動(dòng)態(tài)載荷組合DLC：包括最大靜水彎矩、波浪彎矩、作業(yè)載荷。作業(yè)載荷、安全工作載荷由吊機(jī)廠家提供，吊臂方位角0°~180°之間，間隔45°，組合船體梁彎矩載荷得到靜態(tài)、動(dòng)態(tài)各10個(gè)計(jì)算工況。

2.2有限元模型

吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)采用三艙段技術(shù)，考慮船體梁載荷。選取包括NO.4貨油艙+NO.3貨油艙+污水及工藝艙在內(nèi)的3艙段為分析對(duì)象。利用MSC.Patran軟件，按規(guī)范要求的凈厚度建立結(jié)構(gòu)有限元模型，在初步方案分析時(shí)，吊機(jī)基座區(qū)域采用較細(xì)的網(wǎng)格(網(wǎng)格尺寸為200 mm)，對(duì)于修改設(shè)計(jì)方案，疲勞強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分析模型統(tǒng)一采用精細(xì)有限元模型(網(wǎng)格尺寸為板厚)，有限元模型如圖2所示。有限元模型尾端采用剛性約束，首端采用MPC約束Y、Z兩個(gè)方向的線位移，船體梁彎矩通過(guò)MPC施加。吊機(jī)自重載荷及作業(yè)載荷通過(guò)筒體頂端的MPC施加。

2.3強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)

圖2　結(jié)構(gòu)有限元模型

強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)參考BV規(guī)范NR445[5]，對(duì)于細(xì)網(wǎng)格模型的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工況分別表示如下：

(1) 靜態(tài)工況SLC：σc≤0.66 ReH

(2) 動(dòng)態(tài)工況DLC：σc≤0.88 ReH

對(duì)于精細(xì)網(wǎng)格模型，結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在一個(gè)2 t ×2 t的范圍內(nèi)，4個(gè)單元的平均應(yīng)力不高于1.33×0.8ReH，其余區(qū)域等效應(yīng)力滿足σc≤0.88 ReH。其中：σc為Von-misess 等效應(yīng)力； ReH為材料屈服強(qiáng)度。

3吊機(jī)基座疲勞強(qiáng)度分析技術(shù)

3.1疲勞強(qiáng)度分析思路

基座結(jié)構(gòu)的疲勞損傷由以下兩部分疊加而得：(1)疲勞損傷D1：考慮船體梁載荷及運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)慣性載荷引起的損傷，采用譜分析方法，借助BV-Homer軟件計(jì)算累積損傷，詳細(xì)的疲勞譜分析技術(shù)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]；(2)疲勞損傷D2：吊機(jī)在吊裝作業(yè)時(shí)，載荷變化引起的疲勞損傷，采用確定性方法，借助有限元軟件MSC.Nastran計(jì)算應(yīng)力幅值，計(jì)算工作25 000次循環(huán)下的疲勞損傷[9]。

3.2有限元模型

圖3　吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)流程圖

疲勞損傷D2計(jì)算采用精細(xì)網(wǎng)格的3艙段有限元模型，如圖2所示，艙段兩端采用剛性約束，吊機(jī)工作載荷通過(guò)MPC施加于吊機(jī)駕駛室底盤(pán)，選取間隔22.5°作為一計(jì)算工況。

3.3疲勞強(qiáng)度校核衡準(zhǔn)

考慮厚度影響結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷度D要小于對(duì)應(yīng)的疲勞損傷的衡準(zhǔn)值[6,9]，即：

(1)

式中：Kthick=(t/tref)K；tref=25mm；K=0

4吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)

4.1吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)思路

基座結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)流程如圖3所示?；谇?qiáng)度及疲勞強(qiáng)度有限元直接分析方法對(duì)于吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用有限元軟件MSC.Nastran進(jìn)行強(qiáng)度有限元計(jì)算及校核，采用BV-Homer軟件對(duì)基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行譜疲勞分析，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.2初步方案強(qiáng)度校核

對(duì)基座設(shè)計(jì)方案進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格(網(wǎng)格尺寸為s/4)有限元分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出，基座結(jié)構(gòu)的最大等效合成應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足規(guī)范強(qiáng)度要求。動(dòng)態(tài)工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較高，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主控工況，高應(yīng)力主要出現(xiàn)在縱向肘板與筒體及甲板相連接的兩趾端、立柱筒壁與橫向強(qiáng)框交點(diǎn)處。因此，對(duì)于應(yīng)力集中引起的高應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度需要特別關(guān)注，選取上述高應(yīng)力區(qū)作為疲勞強(qiáng)度校核對(duì)象，疲勞熱點(diǎn)如圖4所示。

表1　細(xì)網(wǎng)格有限元計(jì)算結(jié)果

圖4　初步方案疲勞熱點(diǎn)位置示意圖

4.3初步方案疲勞強(qiáng)度校核

利用第3部分疲勞分析方法進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，分析結(jié)果顯示：C1-1，D=0.52；C1-3，D=1.54；C1-5，D=1.56。這3個(gè)熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，其余熱點(diǎn)滿足規(guī)范要求。由于熱點(diǎn)3位置存在顯著的應(yīng)力集中，對(duì)于C1-3及C1-5熱點(diǎn)，主要由于船體運(yùn)動(dòng)引起筒體根部的交變載荷較大，同時(shí)筒體在主甲板連接處無(wú)法設(shè)置肘板，結(jié)構(gòu)剛度突變顯著，產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，致使該處的疲勞損傷較大。對(duì)于C1-1熱點(diǎn)，由于船體梁載荷及運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的慣性載荷均起作用，此外，筒體內(nèi)設(shè)有高腹板桁材作為支撐，剛度較大，而外部肘板尺寸相對(duì)剛度較小，從而導(dǎo)致較高的損傷度。

4.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于圓筒形克令吊結(jié)構(gòu)與主甲板相連接區(qū)域，結(jié)構(gòu)突變引起的高應(yīng)力，其疲勞強(qiáng)度不滿足要求，需要改善基座結(jié)構(gòu)的型式以減小應(yīng)力集中，主要方法有：(1)增加局部結(jié)構(gòu)的尺寸，如：增加肘板板厚、面板、甲板板厚、強(qiáng)框板厚、肘板圓??；(2)調(diào)整相鄰局部結(jié)構(gòu)使剛度均勻過(guò)渡，剛度匹配合理，如：增設(shè)肘板，減小筒內(nèi)肘板尺寸；(3)增設(shè)局部結(jié)構(gòu)，改變節(jié)點(diǎn)型式，轉(zhuǎn)移高應(yīng)力區(qū)，如：增設(shè)肘板、強(qiáng)框角隅處開(kāi)圓孔、鑰匙孔。該部分對(duì)基座結(jié)構(gòu)橫向、縱向兩個(gè)方向上的構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1) 縱向構(gòu)件

對(duì)于吊機(jī)基座縱向構(gòu)件，如圖5所示，肘板板厚由36 mm增至38 mm，調(diào)整筒體外大肘板圓弧半徑、筒內(nèi)框架腹板高度及圓弧半徑等尺寸，改變結(jié)構(gòu)縱向剛度的過(guò)渡，精細(xì)有限元分析結(jié)果見(jiàn)表2。筒內(nèi)框架腹板高度、圓弧半徑增加，筒內(nèi)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力降低，筒外肘板的應(yīng)力增加；筒外肘板圓弧半徑增加，筒內(nèi)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力增加，筒外肘板的應(yīng)力降低。存在較優(yōu)的尺寸組合使得筒內(nèi)、外結(jié)構(gòu)的剛度匹配較好，筒體內(nèi)外應(yīng)力均較低。對(duì)于該文提出的7種修改方案，修改方案1、3、4、7均滿足規(guī)范強(qiáng)度要求，通過(guò)比較，結(jié)構(gòu)修改方案4比較好，修改方案4的應(yīng)力云圖如圖6所示。

表2　基座縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

表3　基座橫向向結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

圖5　基座縱向結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖　　　　　　圖6　Von-misess應(yīng)力云圖(修改方案4)

(2) 橫向構(gòu)件

橫向構(gòu)件高應(yīng)力區(qū)如圖7(a)所示，位于左右舷側(cè)強(qiáng)框架與甲板、筒體連接角隅，解決角隅應(yīng)力集中的最好方式是增設(shè)肘板，但該位置受總體布置限制不能增設(shè)肘板。該部分提出5種結(jié)構(gòu)修改設(shè)計(jì)方案，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從3表中可以看出，修改方案3滿足強(qiáng)度衡準(zhǔn)，方案3中增加高應(yīng)力結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)降低高應(yīng)力效果明顯，降低筒體內(nèi)腹板高度對(duì)降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力有利。開(kāi)圓孔方案結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力有不同程度降低，但高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移到圓弧位置，應(yīng)力水平較高。

圖7　精細(xì)有限元計(jì)算結(jié)果

4.5優(yōu)化結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核

對(duì)4.4節(jié)優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)修改方案進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，根據(jù)計(jì)算精細(xì)有限元計(jì)算結(jié)果選取如圖8所示的疲勞熱點(diǎn)，按照第3部分疲勞強(qiáng)度分析技術(shù)對(duì)修改方案進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。計(jì)算結(jié)果表明：(1)修改方案各熱點(diǎn)疲勞累積損傷的最大值為0.143，疲勞壽命為210年，均滿足規(guī)范要求；(2)優(yōu)化方案計(jì)算得到的累積損傷大幅度降低，通過(guò)減小筒內(nèi)橫向框架腹板高度、增加局部甲板及強(qiáng)框板厚等措施，大大降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，因此，調(diào)整結(jié)構(gòu)型式或尺寸使局部結(jié)構(gòu)剛度更匹配、增加局部構(gòu)件尺寸是提高疲勞壽命的重要手段；(3)縱向連接位置設(shè)置肘板，使熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移并且達(dá)到提高疲勞壽命的目的。由此可見(jiàn)，通過(guò)增設(shè)肘板轉(zhuǎn)移高應(yīng)力區(qū)，同時(shí)改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，是提高疲勞壽命首選方式。

圖8　修改方案疲勞熱點(diǎn)示意圖

熱點(diǎn)船體梁載荷引起累積損傷D1iTmaxTi1Ti2Tmin工作載荷引起損傷D2Kthick累積損傷D衡準(zhǔn)值[D]疲勞壽命/年C111.21×10-19.59×10-26.98×10-25.84×10-21.56×10-51.0169.95×10-20.25301C121.00×10-48.07×10-51.09×10-41.41×10-42.95×10-21.0824.12×10-20.25729C131.40×10-21.88×10-22.84×10-25.90×10-21.94×10-21.0165.70×10-20.25526C151.13×10-21.77×10-22.01×10-23.27×10-24.94×10-21.0168.04×10-20.25373C191.20×10-31.24×10-31.88×10-34.29×10-31.62×10-31.0164.35×10-30.1>1000C1105.00×10-47.52×10-49.80×10-41.66×10-36.65×10-41.0161.89×10-30.1>1000C1113.00×10-22.74×10-25.85×10-21.15×10-14.50×10-21.0821.43×10-10.25210C1122.87×10-24.38×10-25.10×10-28.91×10-22.69×10-21.0821.11×10-10.25269

5結(jié)論

該文總結(jié)吊機(jī)基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了吊機(jī)基座的直接設(shè)計(jì)思路及流程，并對(duì)FPSO中部吊機(jī)基座進(jìn)行直接設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要結(jié)論如下：

(1) 克令吊筒形立柱結(jié)構(gòu)與FPSO主船體縱向、橫向強(qiáng)力構(gòu)件相連接位置容易產(chǎn)生高應(yīng)力，該位置處的局部結(jié)構(gòu)需要在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注。通過(guò)結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析，基座的修改優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案滿足規(guī)范要求。

(2) 該文提出了基于精細(xì)有限元模型的屈服與疲勞強(qiáng)度譜分析相結(jié)合的結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)技術(shù)，用于吊機(jī)

基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可應(yīng)用于火炬塔、上部模塊等基座支撐結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)。采用精細(xì)有限元模型對(duì)屈服強(qiáng)度進(jìn)行校核，有效地控制了應(yīng)力集中，對(duì)控制結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有利，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段采用該設(shè)計(jì)技術(shù)可提高設(shè)計(jì)效率。

(3) 對(duì)于圓柱形與主船體相連結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)型式、尺寸或增加肘板等使結(jié)構(gòu)間的剛度匹配更合理，提供局部結(jié)構(gòu)板厚，增加局部結(jié)構(gòu)的承載能力，都是提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞性能的有效途徑。

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ZHANG Yan-chang1， CHEN Guo-jian2，WANG Pu1， LI Yong-chao1，TAO Ni-si1

(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011,China;

2. Bureau Veritas， Shanghai 200011,China)

Abstract：The strength of crane pedestals are importance to the operation of crane. Special attention should be paid to the yield and fatigue strength, in detail design phase. Taking the crane pedestals of FPSO as example, the methodology of strength assessment based on very fine mesh finite element approach and fatigue assessment combining the deterministic method and the spectral analysis method are proposed. Then the scheme of direct design of crane pedestals is figured out. Yield and fatigue strength of the basic design are analyzed and verified according to BV rules. Finally, an rational design is reached. The results show that the connection between cylinder of crane and web frame at main deck has significant high stress concentration and should be take into account specially; it is an effective way to enhance the yield and fatigue strength to harmonize the stiffness of structure by smooth the structure geometry or increase the scantling of structure element. The direct design method of crane pedestals can be adapted to the analysis on other similar offshore structures.

Keywords：FPSO；crane pedestals；direct design；finite element analysis；spectral fatigue analysis

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51209047)。 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309123)；江蘇省高校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(13KJB570002)；江蘇省高校“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目；海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(1407)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)。

中圖分類號(hào):P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2015)06-0036-06

作者簡(jiǎn)介：張延昌(1977-)，男，副教授。

收稿日期：2014-01-15 2015-01-06 2015-02-12