謝騰騰，馮玉潔，邢 玲，何文濤，文曉龍，劉學(xué)虎，孫冬來(lái)

(上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518)

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)是集石油開(kāi)采、處理、儲(chǔ)存及運(yùn)輸為一體的大型綜合性海上石油生產(chǎn)基地。與其他形式石油生產(chǎn)平臺(tái)相比，F(xiàn)PSO具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)卸油能力大、可轉(zhuǎn)移及可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開(kāi)發(fā)，已成為海上油氣田開(kāi)發(fā)的主流生產(chǎn)方式。在海洋石油開(kāi)發(fā)過(guò)程中，原油處理所產(chǎn)生的石油氣通常被燃燒掉，不僅浪費(fèi)能源，而且對(duì)環(huán)境造成危害。因此，含有液化石油氣(LPG)生產(chǎn)處理裝置的新型浮式石油及液化石油氣開(kāi)采儲(chǔ)卸裝置應(yīng)運(yùn)而生[1-9]。

LPG儲(chǔ)罐是LPG生產(chǎn)處理過(guò)程中的重要設(shè)備之一。不同于陸地上的儲(chǔ)罐，F(xiàn)PSO上的儲(chǔ)罐除了承受壓力、風(fēng)載荷、自重、介質(zhì)質(zhì)量及外部件的作用力外，還需要考慮船體的運(yùn)動(dòng)及內(nèi)部液體晃蕩產(chǎn)生的載荷，其設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程要復(fù)雜得多。目前的海上壓力容器設(shè)計(jì)方法僅適合于小型儲(chǔ)罐，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的海上浮式LPG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、方法和程序[1]。LPG儲(chǔ)罐質(zhì)量很大(單臺(tái)凈質(zhì)量約220 t，操作質(zhì)量約635 t)，F(xiàn)PSO的橫搖、縱搖和晃蕩會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐的支承結(jié)構(gòu)造成很大沖擊，因此儲(chǔ)罐支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核成為L(zhǎng)PG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

筆者結(jié)合ASME BPVC Ⅷ.1—2017《Rules for Construction of Pressure Vessels》[10]、ASME BPVC Ⅱ Part D—2017《Properties(Metric)》[11]與中國(guó)船級(jí)社規(guī)范《液艙晃蕩載荷及構(gòu)件尺寸評(píng)估指南》[12]、《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》[13](簡(jiǎn)稱IGC規(guī)則)中C型獨(dú)立液貨艙的設(shè)計(jì)方法，以某項(xiàng)目中FPSO上的LPG儲(chǔ)罐為例，對(duì)直接計(jì)算LPG儲(chǔ)罐支承結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的流程及關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1 LPG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

某項(xiàng)目中FPSO上的700 m3LPG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)為單圓筒形式，兩端為球形封頭(圖1)。LPG儲(chǔ)罐操作質(zhì)量為635 004 kg?？紤]到下部模塊平臺(tái)結(jié)構(gòu)承載能力的限制，采用三鞍座支撐形式，以減少作用在平臺(tái)梁上的集中載荷。儲(chǔ)罐與鞍座采用焊接連接。

圖1 LPG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

鞍座下部設(shè)置墊墩，鞍座與墊墩螺栓連接。中間鞍座為固定鞍座，兩邊鞍座為滑動(dòng)鞍座，滑動(dòng)鞍座上的螺栓孔為可釋放軸向位移的長(zhǎng)圓孔[14-16]，墊墩與下部模塊結(jié)構(gòu)梁焊接連接。

LPG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力1.76 MPa，設(shè)計(jì)溫度65 ℃，操作壓力0.61～1.1 MPa，操作溫度40 ℃，腐蝕裕量3 mm，焊接接頭系數(shù)1.0，介質(zhì)LPG密度526 kg/m3。儲(chǔ)罐筒體、封頭用主體材料為SA-537M Class 1，支承結(jié)構(gòu)材料為SA-36M，各材料力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 LPG儲(chǔ)罐主體及支承結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能

SA-537M Class 1的許用應(yīng)力取ASME規(guī)范和IGC規(guī)則中要求的較苛刻者，即138 MPa[11-13]。SA-36M的許用應(yīng)力按IGC規(guī)則取220 MPa[13]。

儲(chǔ)罐所處環(huán)境風(fēng)速為65.7 m/s。本次分析中坐標(biāo)原點(diǎn)位于儲(chǔ)罐本體的幾何中心處，x方向?yàn)榇w的縱向，以船尾向船首方向?yàn)檎?；y方向?yàn)榇w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。x、y、z方向上船體的運(yùn)動(dòng)加速度分別為ax=2.75 m/s2、ay=3.608 m/s2、az=-17.468 m/s2，船體最大橫搖角14.97°，船體最大縱搖角7.95°，爆炸載荷18 kPa。

2 LPG儲(chǔ)罐計(jì)算模型

結(jié)合ASME BPVC Ⅷ.1—2017和IGC規(guī)則進(jìn)行LPG儲(chǔ)罐的整體設(shè)計(jì)，按照ASCE7—2016《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》[17]計(jì)算風(fēng)載荷。儲(chǔ)罐的筒體、封頭強(qiáng)度，接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等按照ASME BPVC VIII.1—2017要求，采用PV Elite軟件進(jìn)行計(jì)算，文中不再贅述。需要注意的是，LPG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中的計(jì)算內(nèi)壓除了設(shè)計(jì)壓力、液柱靜壓力外，還應(yīng)包含液體動(dòng)壓力和晃蕩載荷[12-13]。采用ANSYS有限元軟件，按照IGC規(guī)則核算支承結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，風(fēng)載荷則通過(guò)PV Elite計(jì)算提取后進(jìn)行施加。

2.1 幾何模型

按照IGC規(guī)則第2篇附錄2中5.3節(jié)的規(guī)定[13]，根據(jù)LPG儲(chǔ)罐及鞍座結(jié)構(gòu)圖樣建立LPG儲(chǔ)罐幾何模型，見(jiàn)圖2。

利用ANSYS中的Mechanical模塊進(jìn)行LPG儲(chǔ)罐的計(jì)算分析。采用殼單元進(jìn)行儲(chǔ)罐模型的網(wǎng)格劃分，單元尺寸為100 mm，對(duì)墊板與筒體的連接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。最終模型共劃分為69 645個(gè)單元。

2.2 計(jì)算工況

LPG儲(chǔ)罐有限元計(jì)算時(shí)需考慮的工況見(jiàn)表2。

圖2 LPG儲(chǔ)罐幾何模型

爆炸工況和碰撞工況屬于偶然工況，計(jì)算內(nèi)壓取最小操作壓力，計(jì)算內(nèi)壓應(yīng)當(dāng)包含液柱靜壓力0.031 MPa。液貨動(dòng)壓力根據(jù)IGC規(guī)則計(jì)算求得[13]，橫搖液貨動(dòng)壓力為0.054 MPa，縱搖液貨動(dòng)壓力為0.074 MPa?；问庉d荷根據(jù)《液艙晃蕩載荷及構(gòu)件尺寸評(píng)估指南》[12]求得，為0.057 MPa。

表2 LPG儲(chǔ)罐有限元計(jì)算工況[13]

2.3 邊界條件

內(nèi)壓和風(fēng)載荷以Pressure的方式施加，內(nèi)壓施加到罐體內(nèi)壁，風(fēng)壓施加到罐體外壁。船體運(yùn)動(dòng)載荷以Acceleration方式施加，船體傾斜通過(guò)分解重力加速度的方式模擬。LPG儲(chǔ)罐內(nèi)件、介質(zhì)及外部附件的質(zhì)量通過(guò)修改罐體材料密度模擬，模型質(zhì)量與圖樣質(zhì)量一致。支承2底部設(shè)置為固定約束，支承1和支承3底部約束y向和z向位移。不同工況下的載荷施加與邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖3～圖8。

圖3 最大設(shè)計(jì)工況下LGP儲(chǔ)罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖4 靜橫傾工況下LGP儲(chǔ)罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖5 橫搖工況下LGP儲(chǔ)罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖6 縱搖工況下LGP儲(chǔ)罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖7 爆炸工況下LGP儲(chǔ)罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

圖8 碰撞工況下LGP儲(chǔ)罐載荷施加與邊界條件設(shè)置

3 LPG儲(chǔ)罐強(qiáng)度校核

3.1 罐體及支承結(jié)構(gòu)

有限元計(jì)算得到的不同工況下LPG儲(chǔ)罐應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖9～圖14。

圖9 最大設(shè)計(jì)工況下LPG儲(chǔ)罐應(yīng)力分布云圖

圖10 靜橫傾工況下LPG儲(chǔ)罐應(yīng)力分布云圖

圖11 橫搖工況下LPG儲(chǔ)罐應(yīng)力分布云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按IGC規(guī)則附錄2的表5.6.2[13]對(duì)儲(chǔ)罐本體、內(nèi)加強(qiáng)圈、支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果見(jiàn)表3。表3中筒體封頭薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為不大于1.5倍的材料許用應(yīng)力，即207 MPa；內(nèi)加強(qiáng)圈薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.5Rm和0.85ReL中的較小值，即241.5 MPa；支承結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)為不大于材料許用應(yīng)力，即220 MPa。

圖12 縱搖工況下LPG儲(chǔ)罐應(yīng)力分布云圖

圖13 爆炸工況下LPG儲(chǔ)罐應(yīng)力分布云圖

圖14 碰撞工況下LPG儲(chǔ)罐應(yīng)力分布云圖

3.2 墊墩與底部結(jié)構(gòu)間焊縫

LPG儲(chǔ)罐墊墩與底部結(jié)構(gòu)之間的焊縫焊腳高度為20 mm，該焊縫應(yīng)能承受各工況下最苛刻的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。焊縫材料許用拉應(yīng)力[σ]按ASME規(guī)范取114 MPa[10-11]，剪切許用應(yīng)力[τ]根據(jù)文獻(xiàn)[10]取0.49倍的許用拉應(yīng)力，即[τ]=55.86 MPa。

表3 不同工況下LPG儲(chǔ)罐強(qiáng)度校核結(jié)果

提取底部結(jié)構(gòu)約束處的支撐反力，計(jì)算得到了不同工況下LPG儲(chǔ)罐墊墩與底部結(jié)構(gòu)間焊縫的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，分別見(jiàn)表4和表5。表4、表5中Fx、Fy為x和y方向的支撐反力，τx、τy為x和y方向的剪切應(yīng)力，τxy為最大剪切應(yīng)力，Mx、My為繞x軸和y軸的彎矩，σx、σy為x和y方向的正應(yīng)力，σ為最大正應(yīng)力。

表4 不同工況下LPG儲(chǔ)罐墊墩與底部結(jié)構(gòu)間焊縫剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表5 不同工況下LPG儲(chǔ)罐墊墩與底部結(jié)構(gòu)間焊縫彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(1)剪切應(yīng)力校核 墊板尺寸為6 700 mm×900 mm，周邊滿焊情況下焊縫長(zhǎng)度為15 200 mm，假定焊縫長(zhǎng)度不小于周邊滿焊的一半，為7 600 mm，則τx=Fx/(0.7×20×7 600)、τy=Fy/(0.7×20×7 600)。由表4可知，最大剪切應(yīng)力工況為碰撞工況，其τxy=29.42 MPa<[τ]。

(2)彎曲應(yīng)力校核 將焊縫截面簡(jiǎn)化為矩形環(huán)，可以求得焊縫截面的抗彎模量Wx=295 661 748.1 mm3、Wy=88 465 273.6 mm3，進(jìn)而求得σx=Mx/Wx、σy=My/Wy。由表5可知，最大彎曲應(yīng)力工況為碰撞工況，其σ= 51.8 MPa<[σ]。

取最苛刻工況進(jìn)行焊腳高度核算可以得出，焊腳高度20 mm能夠滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

FPSO上LPG儲(chǔ)罐的支承結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是LPG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，目前國(guó)內(nèi)外船級(jí)社均無(wú)針對(duì)此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。文中結(jié)合ASME壓力容器建造規(guī)范與IGC規(guī)則中的C型獨(dú)立液貨艙設(shè)計(jì)方法，針對(duì)LPG儲(chǔ)罐的支承結(jié)構(gòu)建立有限元模型，綜合考慮罐體內(nèi)部壓力、風(fēng)載荷、船體運(yùn)動(dòng)載荷、船體傾角、爆炸載荷及碰撞載荷對(duì)支承結(jié)構(gòu)的影響，分6種工況進(jìn)行儲(chǔ)罐應(yīng)力計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)支承結(jié)構(gòu)處罐體、加強(qiáng)環(huán)，支承結(jié)構(gòu)自身，墊墩與底部結(jié)構(gòu)之間的角焊縫分別進(jìn)行強(qiáng)度校核，可為工程中FPSO上LPG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)提供參考。