黃邵軍，鄧記松，趙剛，孟嘉巖，張?zhí)?/p>

（海洋石油工程有限公司，天津300452 ）

引言

海洋平臺(tái)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置( Floating Production Storage and Offloading,FPSO)一般由船體和上部組塊構(gòu)成，由于其靈活、可移動(dòng)、抗風(fēng)浪強(qiáng)等特點(diǎn)近年來在我國深水海域的油氣開發(fā)中廣泛應(yīng)用[1，2]。不同于固定式海洋平臺(tái)，位于FPSO上的壓力容器不僅承受內(nèi)壓載荷和風(fēng)載荷，還承受由于船體運(yùn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)載荷。放置在FPSO上的臥式容器由于熱膨脹的原因，一般通過鞍座上的螺栓與墊墩聯(lián)接。因此，對(duì)于操作重量較大的臥式容器，鞍座與墊墩之間的聯(lián)接螺栓往往承受較大的運(yùn)動(dòng)載荷和傾覆力矩，按照常規(guī)的設(shè)計(jì)方法根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]選擇標(biāo)準(zhǔn)鞍座和螺栓存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。在交變的運(yùn)動(dòng)載荷作用下，對(duì)于FPSO上的臥式容器，螺栓的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度對(duì)設(shè)備的安全性至關(guān)重要。本文以某FPSO項(xiàng)目為例，結(jié)合IGC規(guī)則[4，5]，詳細(xì)闡述承受運(yùn)動(dòng)載荷的螺栓的靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞強(qiáng)度計(jì)算要點(diǎn)，供工程應(yīng)用參考。

1 典型結(jié)構(gòu)

某海洋平臺(tái)FPSO上典型臥式容器主要結(jié)構(gòu)如下圖1所示，臥式容器采用雙鞍座支撐，一端固定鞍座，另一端滑動(dòng)鞍座，鞍座通過螺栓與墊墩固定，墊墩焊接在平臺(tái)梁上。對(duì)于FPSO上臥式容器，為增加螺栓數(shù)量，一般不采用標(biāo)準(zhǔn)的鞍座布置形式，可以參考相關(guān)手冊(cè)[6]將鞍座腹板設(shè)置在中間，腹板兩側(cè)對(duì)稱布置螺栓。

圖1 典型臥式容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

以某工程項(xiàng)目為例，該典型臥式容器所處環(huán)境10min平均風(fēng)速為46.9m/s。操作狀態(tài)下由于船體晃動(dòng)引起的三向加速度分別為ax=2.44m/s2，ay=3.23m/s2，az=4.3m/s2。按圖1所示，以船體的縱向?yàn)閄方向；船體的橫向?yàn)閅方向，船體的鉛垂線方向?yàn)閆方向。鞍座與墊墩的鋼板材料為Q345B，連接螺栓材料為35CrMoA，在海洋環(huán)境中一般螺栓腐蝕裕量3mm，其力學(xué)性能按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定[7]，鞍座的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖2所示。

圖2 鞍座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 螺栓靜強(qiáng)度計(jì)算

由于FPSO上設(shè)備受到波浪載荷的影響，會(huì)產(chǎn)生一定幅度的縱傾、橫搖以及垂蕩。因此，與靜設(shè)備相比較，設(shè)備鞍座的聯(lián)接螺栓受力情況存在顯著差異。參考中國船級(jí)社《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》中第二篇附錄2的相關(guān)規(guī)定，選取基本載荷工況見表1。

表1 基本載荷工況

對(duì)于設(shè)計(jì)工況LC1，存在三個(gè)方向加速度，按規(guī)范需對(duì)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)載荷進(jìn)行組合計(jì)算，載荷組合系數(shù)如下表2所示。

表2 載荷組合工況

2.1 螺栓預(yù)緊力的確定

鞍座與墊墩之間多采用普通螺栓孔連接，即螺栓與螺栓孔之間保留一定的間隙，此種連接方式在承受橫向載荷時(shí)需要靠預(yù)緊力提供的摩擦力克服橫向剪切力。對(duì)于承受波浪載荷的設(shè)備，設(shè)備隨船體搖晃，會(huì)引起螺栓承受較大的橫向載荷。因此，防止設(shè)備在墊墩上沿螺栓孔滑移，首先需要根據(jù)不同工況計(jì)算螺栓需要的預(yù)緊力，其中迎浪工況和橫浪工況船體傾斜角度明顯小于靜橫傾工況，故本案例中僅計(jì)算設(shè)計(jì)工況與靜橫傾工況以及碰撞工況下需要的最小螺栓預(yù)緊力。

設(shè)計(jì)工況下按照表2的載荷工況進(jìn)行組合計(jì)算。

在工況LCD11的載荷組合下：

在工況LCD12的載荷組合下：

在工況LCD13的載荷組合下：

靜橫傾工況下：

碰撞工況下：

螺栓最小預(yù)緊力：

式中 n——螺栓數(shù)量

m——設(shè)備最大操作質(zhì)量，kg

μ——摩擦系數(shù)，取0.3[8]。

P——風(fēng)載荷，N

F01——設(shè)計(jì)工況下所需螺栓預(yù)緊力，N

F02——靜橫傾工況下所需螺栓預(yù)緊力，N

F03——碰撞工況下所需螺栓預(yù)緊力，N

KS——防滑系數(shù)，取1.1～1.3[9]。

2.2 螺栓拉應(yīng)力計(jì)算

拉應(yīng)力計(jì)算時(shí)，按照表1分別對(duì)設(shè)計(jì)工況與靜橫傾工況以及碰撞工況進(jìn)行計(jì)算，由于設(shè)備在橫向（圖1中Y向）抵抗傾覆的能力相較于X向較弱，因此碰撞工況按照危險(xiǎn)的橫向載荷進(jìn)行考慮。

（a）設(shè)計(jì)工況下，X向運(yùn)動(dòng)載荷在單個(gè)鞍座底截面引起的豎向載荷：

X向的地腳螺栓拉應(yīng)力為：

對(duì)于Y向運(yùn)動(dòng)載荷，螺栓組各個(gè)螺栓所示載荷與螺栓至軸線的距離成正比，從而在Y向水平載荷引起的傾覆力矩M作用下，各個(gè)螺栓的軸向拉力為：

從而，

由此可得，各螺栓承受的傾覆力矩：

因此，Y向由傾覆力矩引起的地腳螺栓拉應(yīng)力為：

Z向（向上）垂蕩載荷引起的各螺栓拉應(yīng)力：

按照表2中的載荷組合情況，將三個(gè)方向上的螺栓拉應(yīng)力進(jìn)行組合即可得到各個(gè)組合工況的螺栓拉應(yīng)力。按下式所示，LC11對(duì)應(yīng)的系數(shù)α=1，β=0，γ=1。

（b）靜橫傾工況下各螺栓的彎矩：

從而由傾覆力矩引起的地腳螺栓拉應(yīng)力為：

（c）碰撞工況下各螺栓的彎矩：

從而由傾覆力矩引起的地腳螺栓拉應(yīng)力為：

式中 HV——操作狀態(tài)下設(shè)備重心位置，mm

Abt——螺栓截面積，mm2

n——承受傾覆力矩的螺栓數(shù)量

N——單個(gè)鞍座的螺栓總數(shù)量

Mmax——各工況下螺栓承受的最大傾覆力矩，N.mm

Li——筒體軸線兩側(cè)的螺栓間距，mm

另外，在計(jì)算拉應(yīng)力時(shí)還需考慮本文中加載的螺栓預(yù)緊力，與上述各工況載荷計(jì)算得出的螺栓拉應(yīng)力進(jìn)行相加，最后根據(jù)計(jì)算的應(yīng)力選取相應(yīng)規(guī)格的螺栓。

3 螺栓疲勞強(qiáng)度計(jì)算

在縱傾、橫搖以及垂蕩載荷周期作用下，螺栓連接作為整個(gè)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，存在疲勞破壞的可能性，并且往往疲勞強(qiáng)度決定了螺栓的設(shè)計(jì)。因此，不同于陸地容器，在FPSO上的臥式容器需要對(duì)連接螺栓進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)。

3.1 計(jì)算工況

在計(jì)算疲勞載荷時(shí)，由于風(fēng)載荷的變化和螺栓預(yù)緊力的變化在短時(shí)間內(nèi)非常小，因此一般不予考慮，僅考慮船體運(yùn)動(dòng)載荷的周期性交變，載荷的組合表如下所示，+/-代表運(yùn)動(dòng)載荷的方向,大小表示載荷系數(shù)。橫搖和縱傾無論是何種方向組合，其對(duì)螺栓產(chǎn)生的傾覆力矩都是相同的，因此，對(duì)于橫搖和縱傾在載荷工況中不再區(qū)分載荷方向。垂蕩載荷正方向使得螺栓產(chǎn)生拉應(yīng)力，負(fù)方向螺栓不承受額外拉應(yīng)力，因此對(duì)于垂蕩載荷僅取載荷的正方向考慮，參考相關(guān)規(guī)范按照表3進(jìn)行載荷組合。

表3 載荷組合系數(shù)

3.2 設(shè)計(jì)壽命

螺栓設(shè)計(jì)壽命的確定與波浪載荷的周期密切相關(guān)。引起船體晃動(dòng)的波浪載荷由橫搖、縱傾以及垂蕩互相疊加而成，是較為復(fù)雜的隨機(jī)載荷。在海洋平臺(tái)的應(yīng)用中，可以采用觀測(cè)站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得到典型波浪高度和波浪周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系，按此關(guān)系繪制表格，如下圖3所示，該圖為某海洋平臺(tái)項(xiàng)目中的典型波浪散布圖。對(duì)于隨機(jī)波浪載荷，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的短期波浪散布情況進(jìn)行加權(quán)處理預(yù)測(cè)長(zhǎng)期的波浪載荷分布情況。一般而言，波浪長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)的概率密度服從威布爾分布，其表達(dá)式如下：

圖3 某項(xiàng)目波浪散布圖

其中，q為尺度參數(shù)，H為形狀參數(shù)。當(dāng)響應(yīng)值為x時(shí)，超越概率為：

對(duì)于螺栓的疲勞計(jì)算，考慮到螺栓的成本相對(duì)較小，一般工程上采取保守的方法，即選取波浪散步圖上浪高最高所對(duì)應(yīng)的周期T作為設(shè)計(jì)周期，以此計(jì)算設(shè)計(jì)壽命下的允許循環(huán)次數(shù)NT,式中DL為設(shè)計(jì)壽命（年）。NT=DL×365×24×60×60/T （21）

3.3 計(jì)算步驟

疲勞計(jì)算主要有兩種方法，一種是基于 S-N曲線和 Palmgren- Miner 線性損傷累計(jì)準(zhǔn)則的方法 （簡(jiǎn)稱 S-N 曲線法）；另一種是基于 Paris-Erdogan 裂紋擴(kuò)展理論的斷裂力學(xué)方法[10]。其中工程應(yīng)用采用S-N曲線更為廣泛，本文對(duì)于鞍座螺栓的疲勞計(jì)算，參考?jí)毫θ萜鞣治鲈O(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范[11]，采用S-N曲線法，首先，計(jì)算各個(gè)工況下最大主應(yīng)力波動(dòng)范圍Sij。由于在載荷波動(dòng)過程中，螺栓的最大主應(yīng)力方向均沿螺栓伸長(zhǎng)方向，最小主應(yīng)力為晃動(dòng)的船體恢復(fù)到初始狀態(tài)時(shí)，此時(shí)螺栓不承受運(yùn)動(dòng)載荷。由此可得：

式中，σij為對(duì)應(yīng)工況下按式1-2計(jì)算得到的地腳螺栓拉應(yīng)力。

其次，計(jì)算最大應(yīng)力幅值Salt。

式中，K為螺柱疲勞載荷強(qiáng)度減弱系數(shù)，一般取K＝4；設(shè)計(jì)疲勞曲線彈性模量E＝207000MPa，ET為螺柱在操作溫度下的彈性模量。

最后，按照S-N曲線查找對(duì)應(yīng)的疲勞壽命N，適用的疲勞曲線為JB4732-1995(2005 年確認(rèn))中圖C-4。校核準(zhǔn)則按下式：

其中，SF為疲勞壽命安全系數(shù)，海洋平臺(tái)一般SF=2.0[12]。

4 結(jié)語

本文以FPSO平臺(tái)上的典型臥式容器為例，闡述了承受運(yùn)動(dòng)載荷下的鞍座螺栓的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的計(jì)算過程，在計(jì)算過程中需要注意以下事項(xiàng)：

（1）對(duì)于FPSO上的設(shè)備而言，不論是靜強(qiáng)度計(jì)算還是疲勞強(qiáng)度計(jì)算，需參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行組合工況的計(jì)算。

（2）由于船體的晃動(dòng)，本文還對(duì)鞍座螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算，以防止周期性的運(yùn)動(dòng)載荷引起設(shè)備的往復(fù)滑動(dòng)。

（3）由于設(shè)備鞍座的連接螺栓大多采用高強(qiáng)鋼，對(duì)裂紋較為敏感。因此，在計(jì)算疲勞工況時(shí)建議參考?jí)毫θ萜飨嚓P(guān)規(guī)范并考慮螺柱疲勞載荷強(qiáng)度減弱系數(shù)。