石科良 黃渙青 鐘星海 祝文倩 朱繼欣

摘 要：基于美國(guó)船級(jí)社規(guī)范的要求，本文介紹了FPSO軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法。以某FPSO為例，考慮其自身受到的慣性加速度，采用熱點(diǎn)應(yīng)力分析法，通過細(xì)化熱點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力，再根據(jù)S-N曲線對(duì)不同熱點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，并根據(jù)疲勞計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些建議。

關(guān)鍵詞：FPSO；軟管絞車；疲勞強(qiáng)度；熱點(diǎn)應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U663.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Based on the ABS rules requirements， this paper introduces a fatigue strength calculation method for the integration of the FPSO hose reel support structure. By the hot spot stress analysis means a FPSO is evaluated taking into account its inertia acceleration. Firstly， very fine mesh is modeled to calculate the hot spot stress， then different S-N curves are selected to evaluate the fatigue life of each hot spot. Finally， some suggestions are put forward for structure design near stress concentration area according to the fatigue calculation results.

Key words： FPSO； Hose reel； Fatigue Strength； Hot Spot Stress

1 引言

FPSO是集海上油氣生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油、生活、動(dòng)力于一體的海洋工程結(jié)構(gòu)物。它具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)/卸油能力強(qiáng)以及轉(zhuǎn)移靈活方便、重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為當(dāng)今海上油氣田開發(fā)核心設(shè)備。

相比于鋪設(shè)很長(zhǎng)的海底管道裝置，通過穿梭油輪對(duì)原油進(jìn)行運(yùn)輸，可以節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，并方便轉(zhuǎn)移至工作海域。其作業(yè)原理為通過位于首樓甲板或尾樓甲板的軟管絞車將輸油軟管與串聯(lián)穿梭油輪上的受油軟管法蘭相連，然后進(jìn)行輸油作業(yè)[2]。

由于軟管絞車自身重量大，其支撐結(jié)構(gòu)在輸油過程中，主船體運(yùn)動(dòng)加速度對(duì)其影響較大。作為FPSO卸油系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，需要對(duì)軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)及其下加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，滿足設(shè)計(jì)壽命的要求。

2 軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度計(jì)算

FPSO軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)連接疲勞強(qiáng)度分析根據(jù)美國(guó)船級(jí)社《Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structure（2003）》[3]（以下簡(jiǎn)稱《指南》）提供的簡(jiǎn)化分析方法，利用Weibull概率分布函數(shù)表示結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布范圍，通過有限元軟件求得結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力或熱點(diǎn)應(yīng)力，計(jì)算相應(yīng)的疲勞累計(jì)損傷，以此判斷結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。

2.1 設(shè)計(jì)輸入載荷

設(shè)計(jì)輸入載荷僅考慮交變載荷的影響，如船體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度；不考慮由軟管絞車自身重力或軟管拉力所引起的靜態(tài)載荷。

2.2 名義應(yīng)力分析法

若結(jié)構(gòu)形式分類符合《指南》中規(guī)定的S-N曲線，則可以采用名義應(yīng)力分析法，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析；也可以通過有限元直接計(jì)算求得，此時(shí)模型應(yīng)采用凈尺寸，扣除相應(yīng)的腐蝕余量。

網(wǎng)格大小無需過度細(xì)化：對(duì)于板單元，校核單元表面的與裂紋擴(kuò)展方向垂直的45o范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力；對(duì)于梁?jiǎn)卧x取校核梁?jiǎn)卧姘寤蜃杂蛇吿幣c裂紋擴(kuò)展方向垂直的45o范圍內(nèi)最大主應(yīng)力[4]。通過《指南》選取的S-N曲線，通常已包含對(duì)評(píng)估區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)（SCF）的影響。

名義應(yīng)力分析法，通?？梢钥焖倥袛喑瞿硞€(gè)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)幾何形狀的復(fù)雜性，往往很難明確對(duì)每個(gè)焊縫進(jìn)行分類，因此對(duì)于《指南》中沒有規(guī)定的焊縫形式（如焊趾等），此時(shí)疲勞強(qiáng)度宜采用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行分析，從而保證分析精度[5]。

2.3 熱點(diǎn)應(yīng)力分析法

熱點(diǎn)應(yīng)力可以通過名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)求得，也可以采用直接計(jì)算法求得。若評(píng)估區(qū)域的應(yīng)力是通過已求得的名義應(yīng)力乘以SCF，此時(shí)已經(jīng)考慮由于構(gòu)件幾何形狀的突變而導(dǎo)致的應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，將選取不包含應(yīng)力集中影響的S-N曲線。初次確定構(gòu)件形式的應(yīng)力集中系數(shù)（SCF），通過細(xì)化評(píng)估區(qū)域的網(wǎng)格或經(jīng)驗(yàn)公式求得。

采用直接計(jì)算法計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力需對(duì)原有限元模型進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格大小約為t x t，熱點(diǎn)處應(yīng)避免三角形單元，細(xì)化區(qū)域的骨材用板單元模擬。從細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域向外方向應(yīng)逐步過渡，并保證一定的過渡范圍。

2.4 S-N曲線的選取及應(yīng)用

軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)及連接主體暴露在空氣中，選取非管狀節(jié)點(diǎn)ABS-（A）曲線，該曲線一共有八種類型，分別是B，C，D，E，F(xiàn)，F(xiàn)2，G和W。當(dāng)采用名義應(yīng)力分析法時(shí)，根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)形狀，將其進(jìn)行歸類至某一曲線，通過應(yīng)力范圍即可確定相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，從而得到節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)壽命；當(dāng)采用熱點(diǎn)應(yīng)力分析法插值得到的熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)，《指南》推薦選用”E”曲線對(duì)疲勞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)于由于焊縫形狀和切口引起的應(yīng)力集中影響，已經(jīng)包含在所選取的S-N曲線中。

構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的疲勞性能和構(gòu)件的板厚有關(guān)，當(dāng)板厚超過某一厚度時(shí)，構(gòu)件的疲勞性能隨著板厚的增加而下降。主要由于焊趾的幾何形狀受到相連板沿著板厚的應(yīng)力梯度變化的影響，因此引入”修正系數(shù)”：當(dāng)構(gòu)件厚度不大于22 mm時(shí)，不需要進(jìn)行應(yīng)力修正；當(dāng)構(gòu)件厚度超過tR=22 mm時(shí)，修正系數(shù)為：

2.5 熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

在讀取熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)讀取板單元的表面應(yīng)力。采用《指南》中推薦的外推方法，即讀取距離為距焊縫趾端0.5 t和1.5 t處的最大主應(yīng)力σt/2和σ3t/2進(jìn)行兩點(diǎn)線性外推。最大主應(yīng)力方向與焊趾正向夾角應(yīng)在±45o范圍，若超過該角度范圍則應(yīng)直接使用垂直焊趾方向的熱點(diǎn)正應(yīng)力作為計(jì)算疲勞應(yīng)力，則熱點(diǎn)應(yīng)力σh為：

當(dāng)對(duì)板材的自由邊進(jìn)行分析時(shí)，可以在其邊緣建立面積極小的扁鋼，具體梁?jiǎn)卧某叽绱笮】梢匀”怃搶挾群驮摪宀暮穸认嗤?，扁鋼厚度極小，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響可以忽略不計(jì)。該板材自由邊的熱點(diǎn)應(yīng)力，通過讀取梁?jiǎn)卧暮铣蓱?yīng)力得到。

2.6 疲勞評(píng)估衡準(zhǔn)

當(dāng)疲勞累計(jì)損傷值D≤1.0/FDF時(shí)，則可認(rèn)為結(jié)構(gòu)形式安全。FDF為疲勞設(shè)計(jì)因子，將疲勞評(píng)估過程和結(jié)果中的不確定因素，營(yíng)運(yùn)過程中檢驗(yàn)和維修的難度等綜合考慮，《指南》對(duì)位于不同位置的結(jié)構(gòu)形式給出了參考標(biāo)準(zhǔn)。

3 計(jì)算實(shí)例

以某FPSO首樓甲板的軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)為例，該支撐結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)為：長(zhǎng)7 100 mm、寬9 400 mm、高2 176 mm，軟管絞車及下加強(qiáng)的三維模型如圖1所示。

在正常操作工況（DOC）下，軟管絞車自重約為137t，軟管沿著船首的切線方向輸油，拉力為25 t；在環(huán)境載荷工況（DEC）下，軟管被絞車收起，里面裝滿水，軟管絞車總質(zhì)量約182 t。利用MSC.Patran/Nastran軟件建立有限元模型，根據(jù)《指南》對(duì)其疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析。

3.1 疲勞熱點(diǎn)選取

軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)及下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的疲勞熱點(diǎn)主要有兩種形式：第一種為支撐結(jié)構(gòu)與首樓甲板的焊縫連接處；第二種為加強(qiáng)處連接肘板的自由邊。

選取的評(píng)估熱點(diǎn)，如表1所示；選取的疲勞熱點(diǎn)示意圖，如圖2、 3所示。

3.2 模型概述

疲勞分析計(jì)算的模型，采用嵌在首樓甲板及主船體有限元模型中的細(xì)化有限元模型直接計(jì)算，模型范圍：縱向從FR98至首部最前端；橫向從左舷至右舷；垂向從首部二甲板至軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)頂端。

在疲勞熱點(diǎn)分析處，縱骨用板單元進(jìn)行模擬。網(wǎng)格大小約為t x t，并在網(wǎng)格附近保證足夠數(shù)量的該網(wǎng)格大小，向周邊區(qū)域逐步過渡至粗網(wǎng)格；粗網(wǎng)格大小約為1/2縱骨間距。

模型采用國(guó)際單位建模（m，kg，s），鋼材材料彈性模量E=2.06x1011Pa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 850 kg/m3。對(duì)于軟管絞車下加強(qiáng)及首樓甲板，扣除1.5 mm腐蝕余量。軟管絞車設(shè)備自重用質(zhì)量點(diǎn)模擬，質(zhì)量大小為137 t。具體的模型如圖4至圖5所示。

3.3 邊界條件、載荷及工況

邊界條件應(yīng)遠(yuǎn)離計(jì)算評(píng)估區(qū)域，在位于模型FR98處和首部二層甲板處采用全約束，具體施加如圖6所示。

設(shè)計(jì)輸入載荷為正常操作工況（DOC）作為計(jì)算載荷，交變載荷為由船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度，出于保守考慮，增加10%的設(shè)計(jì)裕度，具體數(shù)值如表2所示。

工況組合考慮加速度沿各個(gè)方向變化的組合情況，具體如表3所示。

3.4 節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評(píng)估

首部軟管絞車下加強(qiáng)設(shè)計(jì)周期為25年，設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)NT為1x108，韋伯形狀參量γ取1，周期循環(huán)次數(shù)NR為4x106。其中，熱點(diǎn)2和熱點(diǎn)4需要通過附近網(wǎng)格利用拉格朗日插值方法得到，其余熱點(diǎn)則可以直接通過讀取附近板單元或自由邊上的梁?jiǎn)卧@得。

計(jì)算結(jié)果及計(jì)算過程如表4所示，部分計(jì)算應(yīng)力結(jié)果如圖7和圖8所示。

通過計(jì)算分析，該FPSO軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)和首樓甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

（1） 雖然本文主要探討了軟管絞車支撐結(jié)構(gòu)的疲勞連接強(qiáng)度，但由于板梁焊接結(jié)構(gòu)的相似性，對(duì)于其他設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估同樣適用；

（2） 構(gòu)件疲勞強(qiáng)度主要和結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件厚度及其對(duì)交變載荷的響應(yīng)有關(guān)，與材料的屈服強(qiáng)度無關(guān)，因此增加板厚是提高疲勞強(qiáng)度的方法之一。若結(jié)構(gòu)材料采用高強(qiáng)度鋼時(shí)，要特別注意疲勞強(qiáng)度是否滿足要求；

（3） 通過對(duì)不同肘板相連節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)肘板形狀對(duì)疲勞影響較大：設(shè)置軟趾的肘板產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)比未設(shè)置的肘板要小，因此可以采用設(shè)置軟趾或采用弧形肘板方法提高連接節(jié)點(diǎn)壽命。

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