謝騰騰，邢 玲，馮玉潔，劉學(xué)虎，何文濤，文曉龍

(上海藍濱石化設(shè)備有限責任公司，上海 201518)

0 引言

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)，是集石油開采、處理、儲存、運輸為一體的綜合性大型海上石油生產(chǎn)基地。與其他形式石油生產(chǎn)平臺相比，F(xiàn)PSO具有抗風浪能力強、適應(yīng)水深范圍廣、儲卸油能力大，以及可轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用等優(yōu)點，適合于遠離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)，已成為海上油氣田開發(fā)的主流生產(chǎn)方式。在海洋石油開發(fā)過程中，原油處理所產(chǎn)生的石油氣通常被燃燒掉，這不僅對環(huán)境造成了危害，還浪費了寶貴的能源。因此，具有LPG生產(chǎn)處理裝置的新型LPG FPSO(浮式石油及液化石油氣開采儲卸裝置)應(yīng)運而生[1-5]。

LPG儲罐是LPG生產(chǎn)處理裝置中的重要設(shè)備。不同于陸上的儲罐，F(xiàn)PSO上的儲罐除了承受壓力、風載荷、重量載荷、外部件的作用力載荷外，還需要考慮船體的運動、內(nèi)部液體的動壓力及晃蕩載荷，其設(shè)計計算過程較復(fù)雜。目前，海上壓力容器設(shè)計方法僅適合于小型容器，沒有專門的海上浮式大型容器的設(shè)計標準、方法和程序[1]。由于LPG儲罐重量很大(單臺凈重約220 t，操作重量約635 t)，因此在FPSO橫搖、縱搖和垂蕩過程中，罐內(nèi)液體的動壓力和晃蕩載荷，會對儲罐的罐體壁厚設(shè)計和支承結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來不可忽略的影響，因此，LPG儲罐的設(shè)計要比普通的壓力容器設(shè)計復(fù)雜很多。本文結(jié)合壓力容器建造規(guī)范與船級社規(guī)范《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》(簡稱IGC規(guī)則)等[6-9]中C型獨立液貨艙的設(shè)計方法，闡述FPSO上LPG儲罐設(shè)計的流程及關(guān)鍵點。

1 設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)

某FPSO上LPG儲罐容積700 m3，采用單圓筒形式，兩端為球形封頭，見圖1。LPG儲罐操作重量635 004 kg，沿船長度方向布置。考慮到下部模塊平臺結(jié)構(gòu)的承載能力限制，采用三鞍座支撐以減少作用在平臺梁上的集中載荷。儲罐與鞍座采用焊接連接。鞍座下面設(shè)置墊墩，鞍座與墊墩采用螺栓連接，中間鞍座為固定鞍座，兩個邊鞍座上螺栓孔為長圓孔，釋放軸向位移[10-12]，墊墩與下部模塊結(jié)構(gòu)梁焊接連接。儲罐的設(shè)計參數(shù)見表1，材料參數(shù)見表2，環(huán)境參數(shù)見表3。

圖1 LPG儲罐結(jié)構(gòu)示意

表1 LPG儲罐設(shè)計參數(shù)

表2 材料特性

1)筒體、封頭用材料SA-537M Class 1的許用應(yīng)力取ASME規(guī)范和IGC規(guī)則中的較苛刻者，為138 MPa[7-8]；支承結(jié)構(gòu)用SA-36M的許用應(yīng)力按IGC規(guī)則[8]取220 MPa。支承結(jié)構(gòu)與底部結(jié)構(gòu)的連接采用焊接連接，焊縫許用拉應(yīng)力與母材同等強度[6-7]，為114 MPa，剪應(yīng)力根據(jù)UW-15[6]取0.49倍的許用拉應(yīng)力，為55.86 MPa

表3 環(huán)境參數(shù)

1)爆炸載荷是指爆炸性氣體在罐體附近積聚、爆炸對罐體產(chǎn)生的沖擊載荷

2 設(shè)計計算

LPG儲罐的設(shè)計計算遵循壓力容器建造規(guī)范ASME BPVC Ⅷ.1和IGC規(guī)則，采用規(guī)則設(shè)計加有限元校核的方式進行。儲罐的筒體、封頭強度，接管開孔補強等按照ASME BPVC Ⅷ.1進行，可采用PV Elite進行計算。目前通用的壓力容器強度計算軟件無法準確地對本模型進行計算：PV Elite進行多鞍座計算時，單個鞍座承受載荷為總載荷/鞍座個數(shù)，與實際受力模型不符；SW6雖然可以計算對稱設(shè)置的三鞍座模型，但又難以處理船體運動載荷和船體傾角?；谝陨显颍偌由螴GC規(guī)則中對此類結(jié)構(gòu)計算的特殊要求，有必要對LPG儲罐及其支承結(jié)構(gòu)進行有限元校核。

2.1 計算載荷

鑒于船上設(shè)備載荷的特殊性，在設(shè)計計算中，應(yīng)注意以下幾點：計算內(nèi)壓=設(shè)計壓力+液體動壓力+晃蕩載荷[8-9]；船體運動、橫搖及縱搖傾角以“加速度”方式加載進行模擬，以對支承結(jié)構(gòu)進行初步設(shè)計；模型中應(yīng)充分考慮保溫、操作平臺等附屬結(jié)構(gòu)帶來的重量及迎風面積的增加[13]。

2.1.1 液體動壓力

液體動壓力為由重力和動力加速度的聯(lián)合作用所引起的內(nèi)部液體壓力，其計算應(yīng)考慮“橫向+垂向”(即橫搖工況)及“縱向+垂向”(即縱搖工況)，采用二向加速度橢圓法，取大值。計算中選取X方向為船體的縱向，以船尾向船首方向為正；Y方向為船體的橫向，以船縱中線向左舷為正；Z軸為船體的垂向，以基線向上為正；坐標原點為儲罐本體的形心截面最低點。

液體動壓力可按以下公式[8]計算：

式中pgd,i——對應(yīng)于βi的液體動壓力，MPa；

ay,az——y和z方向加速度，m/s2；

βi——橫向+垂向合成加速度矢量角，范圍為0～βmax，其中：

Zβ——從所決定的壓力點沿β方向向上量至殼體內(nèi)壁的最大液柱高度，m；

ρ——設(shè)計溫度時的最大液體密度，kg/m3，ρ=526 kg/m3。

對于橫搖工況：

Zβ=[R+(R-z)cosβi-ysinβi]

式中R——罐體半徑，m；

y，z——罐體上計算點的橫向和垂向坐標，m。

對βi，每隔0.02取一個點進行計算，可以得出橫搖工況下最大液體動壓力為0.054 MPa。

對于縱搖工況，將上式中ay替換為ax,Zβ的取值見圖2。

圖2 Zβ取值示意

取20組壓力點，經(jīng)計算可得縱搖工況下最大液體動壓力為0.074 MPa。

2.1.2 晃蕩載荷

由于罐內(nèi)液體的運動，使其在阻礙液體自由運動的筒體和封頭上產(chǎn)生動載荷，該動載荷即為液體的晃蕩載荷。根據(jù)IGC規(guī)則，晃蕩載荷在整個罐深范圍內(nèi)均勻分布，與設(shè)計壓力、液體動壓力疊加后施加到罐體上?；问庉d荷的計算按以下公式[9]進行：

Psmax=ρgHT/L

對于橫向晃蕩：

對于縱向晃蕩：

式中HT,HL——等效晃蕩高度、長度，m；

θ,φ——橫搖角、縱搖角，deg；

bs,ls——橫向、縱向有效晃蕩長度，m(對于沒有防晃動措施的儲罐，為對應(yīng)液位下的儲罐寬度和長度)；

hf——罐內(nèi)液體充裝高度，m；

h——罐高，m,h=6.4 m。

a,b,c,d,α,β,γ,δ,kL均為計算過程參數(shù)，具體計算過程或取值詳見文獻[9]。

通過迭代計算，得出最大晃蕩載荷Psmax=0.057 MPa。綜上可得，LPG儲罐的計算壓力為:1.76+0.074+0.057=1.891 MPa。按此壓力，考慮船體運動、風載荷后進行LPG儲罐的殼體壁厚設(shè)計、開孔補強設(shè)計、支承結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2 有限元校核

有限元校核部分采用ANSYS軟件中的Mechanical模塊。按照IGC規(guī)則第2篇附錄2的5.3節(jié)的規(guī)定建立模型[8]，見圖3。采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為100 mm。墊板與筒體的連接處進行網(wǎng)格細化。校核工況見表4 。

圖3 LPG儲罐模型

表4 LPG儲罐結(jié)構(gòu)有限元校核工況

圖4 最大設(shè)計工況載荷施加與邊界條件設(shè)置

壓力和風載荷以面壓力的方式施加，計算壓力施加到罐體內(nèi)壁，風壓施加到罐體外壁；船體運動載荷以慣性力方式施加；船體傾斜通過分解重力加速度的方式模擬；LPG儲罐內(nèi)件/介質(zhì)及外部附件的重量通過修改罐體材料密度模擬；支承2底部設(shè)置為固定約束，支承1和3底部約束Y向和Z向位移。圖4為最大設(shè)計工況的載荷施加與邊界條件設(shè)置情況，其余工況設(shè)置類似。

3 有限元校核結(jié)果

常規(guī)計算部分在此不再過多展開，以下對有限元校核部分進行說明。需要進行校核的部位如下：支承結(jié)構(gòu)處筒體、加強環(huán)，支承結(jié)構(gòu)自身，支承結(jié)構(gòu)與下部模塊焊接的角焊縫。

3.1 罐體及支承結(jié)構(gòu)校核

根據(jù)計算結(jié)果，對儲罐本體、內(nèi)加強圈、支承結(jié)構(gòu)按IGC規(guī)則附錄2的表5.6.2進行校核[8]，校核結(jié)果見表5。整體結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力分布云圖見圖5。

表5 強度校核結(jié)果

(a)最大設(shè)計工況

(b)靜橫傾工況

(c)橫搖工況

(d)縱搖工況

(e)爆炸工況

(f)碰撞工況

圖5 整體結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖

3.2 焊縫校核

墊墩與底部結(jié)構(gòu)之間的焊縫焊腳高度20 mm，該焊縫應(yīng)能承受各工況下最苛刻的剪切和彎曲。根據(jù)計算結(jié)果，提取底部約束處的支撐反力，計算不同工況下的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。

(1)剪應(yīng)力計算。

墊板尺寸為6700 mm×900 mm，周邊滿焊情

況下焊縫長度為15 200 mm，假定焊縫長度不小于周邊滿焊的一半，為7 600 mm，則：

校核準則：τxy≤焊縫剪切許用應(yīng)力。計算結(jié)果見表6 。

表6 焊縫剪應(yīng)力計算結(jié)果

(2)彎曲應(yīng)力計算。

將焊縫截面簡化為矩形環(huán)，可以求得焊縫截面的抗彎模量為：Wx=295 661 748.1 mm3，Wy=88 465 273.6 mm3，進而求得：

校核準則：σ≤焊縫拉伸許用應(yīng)力。計算結(jié)果見表7 。

表7 焊縫彎曲應(yīng)力計算結(jié)果

由表6可以看出，最大剪應(yīng)力工況為碰撞工況，其值為：τxy=29.42 MPa<55.86 MPa；由表7可以看出，最大彎曲應(yīng)力工況為碰撞工況，其值為：σ=51.8 MPa<114 MPa。

綜上所述，取最苛刻工況進行焊腳高核算可以得出，焊腳高度20 mm能夠滿足強度要求。

4 結(jié)語

(1)針對船上大型設(shè)備，結(jié)合壓力容器建造規(guī)范與IGC規(guī)則中的C型獨立液貨艙設(shè)計方法，采用規(guī)則設(shè)計加有限元校核的方式，對設(shè)備本體和支承結(jié)構(gòu)進行校核計算。

(2)計算中考慮設(shè)備內(nèi)部液體動壓力及晃蕩載荷的影響。

(3)有限元校核按IGC規(guī)則，計算6種工況，綜合考慮罐體內(nèi)部壓力、風載荷、船體運動載荷、船體傾角、爆炸載荷、碰撞載荷對設(shè)備本體及其支承結(jié)構(gòu)的影響。

(4)對支承結(jié)構(gòu)處筒體、加強環(huán)，支承結(jié)構(gòu)自身，支承結(jié)構(gòu)與下部模塊連接焊縫分別進行校核，可為船上大型設(shè)備的設(shè)計計算提供參考。