230 000 m3LNG FPSO舱段结构强度分析

张玉奎 张 伟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

230 000 m3LNG FPSO舱段结构强度分析

张玉奎 张 伟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

针对230 000 m3浮式液化天然气生产储卸装置（LNG FPSO）货舱区结构设计，利用法国船级社（BV）开发的VeriSTARHull软件进行强度分析。该LNG FPSO应用于我国南海气田开发，需要通过单点系泊系统长期定位于作业海域，要求能够抵御各种恶劣的海况并保证设施的安全和持续作业能力。因此，对船体结构进行分析和优化是整个浮式生产系统实现功能的基本要求和关键所在。文中结合BV相关规范要求建模、加载并分析计算结果，给出结构设计中需要注意的高应力区域并提出优化建议。

浮式液化天然气生产储卸装置；舱段结构；VeriSTARHull软件；有限元法

引 言

我国南海海域的天然气资源储量巨大，但传统平台开采具有投资大、周期长和对气田储量要求规模高等一些局限性。LNG FPSO相对灵活，具有开采、处理和液化天然气的功能，并可储存和装卸LNG，有望成为未来主要的天然气资源开发方式。

本计算使用基于南海海况的三维水动力预报参数作为输入（具体预报方法和过程从略）。结构设计必须要满足南海海域“百年一遇”海况的要求，因此有必要合理布置模块支墩位置并设计加强结构，以确保整个系统安全和正常生产作业。

本文主要参照BV NR445的要求，利用VeriSTARHull软件对LNG FPSO在作业工况下的结构屈服和屈曲强度进行计算，给出主要的分析方法和流程，对结构中的高应力区域加以优化，从而满足规范的要求。

1 计算模型简介

LNG FPSO采用GTT No96薄膜型货物维护系统，为双排舱设计，由首至尾布置4组共8个 LNG货舱，具有高型深、大船宽的特点。拥有完整双底、双壳、双甲板和横向、纵向隔离舱壁。LNG FPSO基本参数见表1，总布置图参见图1。其上部有12个工艺模块，总质量达到35 000 t，本次计算共涉及8个模块，见表2。

表1 基本参数　m

图1 总布置图

表2 三舱段范围内工艺模块质量与重心

采用全宽的三舱段计算模型，包含2号、3号和4号货舱区所有主要结构，范围至端部的横向隔离舱及舱壁。VeriSTARHull整合了Femap作为前后处理软件，除了可以直接建模外也可以利用丰富的接口导入其他通用软件的模型，本计算利用MSC/Patran进行前处理。

使用壳单元模拟板结构（甲板、船壳、总舱壁、横舱壁）和主要支撑构件（强框架、水平桁、垂直桁），用梁单元模拟纵骨、主要支撑构件面板和加强筋，以骨材间距为单元尺寸，采用建造厚度建模。具体应遵循以下规则：

（1）主要支撑构件腹板高度方向至少分为3个单元；

（2）纵向构件按肋距划分，据此在强框架之间分为3个或4个单元；

（3）高应力区单元长宽比不超过3；

（4）不考虑骨材穿越孔，人孔通过扣除适宜单元进行模拟。

三舱段计算有限元模型参见图2。

图2 三舱段计算有限元模型

2 计算载况及工况

计算载荷包含静水载荷、波浪载荷、液舱压力和惯性载荷。其中静水剪力、弯矩来自装载手册，波浪剪力、弯矩和船体加速度均来自三维水动力直接计算。BV NR445 第D篇第1章第7节5.5.1 中列出了舱段计算需要考虑的载况，鉴于实际装载没有左右不对称载况，因此确定计算载况为表3所示6种。

对于每一种载况，均需要计算“a”、 “b”、 “c”、“d”4种相互独立的工况，“a”和“b”对应船体正浮状态，“c”和“d”对应船体倾斜状态。每种工况组合不同的吃水，波浪弯矩、波浪剪力、船体加速度等参数，以模拟实际运营过程中各种不利的受力情况，各载荷具体取值可参见BV NR445第D篇第1章第5节4.2.1。

表3 计算载况

其中，波浪载荷和惯性载荷通过定义“水动力环境”来实现，并整合以下内容：波浪弯矩、波浪剪力、相对波面升高、船体运动的加速度和幅值。结合构件类型和舱室的定义实现各种载荷的施加以及腐蚀的扣除，并实现不同构件类型屈服因子和屈曲因子的归一化。

3 计算结果分析

3.1 屈服因子和屈曲因子

屈服因子和屈曲因子计算结果参见下页表4（许用值都是1）。由该表可以看出，纵向的板结构中纵舱壁、内壳、内甲板、以及内底的应力水平整体不高，而上甲板、外壳作为强力构件应力水平更高一些。主要支撑构件强框架、水平桁、甲板纵桁、底纵桁和垂直桁容易产生应力集中，在设计中需要重点考虑，特别是这些构件的端部和不同类型主要支撑构件的相邻区域。屈曲强度方面内甲板、内底、甲板纵桁和底纵桁裕度较大，其他位置相对紧张。

表4的结果是在对典型应力集中区域进行细网格分析基础上得出的，因此有些构件的整体屈服因子虽然接近或达到了许用值，但设计还是可以满足规范要求的。

3.2 模块质量的影响

LNG FPSO除了作业海况恶劣、特殊的系泊系统以及设计寿命内不进坞检修等方面与LNG运输船不同，其作业功能很大程度上要取决于上部模块支撑结构的设计。为了计入模块质量的影响，首先在VeriSTARHull的菜单中输入模块的质量和重心数据（输入界面参见图3）；然后通过质量点单元模拟模块质量，再用MPC单元把质量点单元与支墩的相关节点进行连接。同时，软件也支持输入支墩处的作用力模拟模块的影响，可以把力直接加载在支墩上。

为了消除船体梁变形的不利影响，模块支墩采用固定支墩与滑动支墩组合型式。对于固定支墩和滑动支墩，质量点关联的自由度有所不同。模块连接效果参见图4。

表4 屈服因子和屈曲因子计算结果汇总

图3 模块质量输入界面

图4 不同类型支墩和模块质量的关联

由于设计初期可能缺少详细的模块质量资料，因此这里对是否加载模块质量作了对比计算，图5 — 图8分别给出典型强框架、典型横舱壁、上甲板和甲板纵桁的计算结果（左侧图均为不加载模块质量的结果）。

图5 典型强框架屈服因子

图6 典型横舱壁屈服因子

图7 上甲板屈服因子

图8 甲板纵桁屈服因子

可以看出，结果差异非常小，且主要体现在模块支墩基座附近的局部船体结构。其中对强框架和横舱壁的影响仅限于最上面一道水平桁以上部分，对上甲板的厚度取值几乎没有影响，纵桁在支墩作用处出现小范围应力升高。

综上所述，在缺少详细的模块质量资料的前提下，可以先不考虑，不会对后续设计造成大的影响。同时，也可以预先对支墩处的相应结构适当加强以减少后期修改量。

3.3 关键区域汇总

3.3.1 强框架上的高应力区域

如图9所示，给出的高应力区域的剪力水平普遍较高，屈曲问题主要出现在舷侧隔板上部区域，同时也是剪力水平最高的部位；因此对相关区域增加了板厚。强框架屈服因子参见图10。

图9 强框架高应力区域

3.3.2 水密/隔离横舱壁上的关键区域

如图11所示，这里主要是横舱壁中间区域的屈曲问题，可以通过增加板厚或增设防屈筋解决。增设防屈筋增加质量较小，而增加板厚还有减小晃荡应力的好处，可以根据实际情况灵活决定采用哪种方法或者两种方法结合使用。这里采用的是增加板厚的方法，横舱壁屈曲因子见图12。

图10 强框架屈服因子

图11 水密/隔离横舱壁上的关键区域

图12 水密/隔离横舱壁上屈曲因子

3.3.3 水密/隔离横舱壁间水平桁上的高应力区域

如图13所示，对于高剪力区域，可以增加板厚或者局部选用高强度钢；水平桁中部的屈曲问题考虑到开孔的需求，防屈筋难以布置，因此采用增加板厚的方法。水平桁屈曲因子见图14。

图13 水密/隔离横舱壁间水平桁高应力区域

图14 水平桁屈曲因子

3.3.4 垂直桁上的高应力区域

垂直桁高应力区域如图15所示，图16给出了垂直桁的屈服因子。每个半宽范围内的横舱壁布置有三根垂直桁，其中边上两根相连的甲板纵桁和底纵桁为非连续构件，只在横舱壁处前后各延伸一个强框，应力集中相对较小；中间一道垂直桁两端连接的纵桁都是纵向连续构件，上端应力集中较小，而下端应力相对较集中，应该重点关注。

对高应力区域均采用加厚板的形式进行加强，对垂直桁中部的屈曲问题也是考虑到开孔的需求，采用增加板厚的方法予以解决。

垂直桁和水密/隔离横舱壁间水平桁的结果有个相似点，就是中部应力小，屈曲是决定因素；端部应力集中较大，屈服是决定因素。

图15 垂直桁高应力区域

图16 垂直桁屈服因子

3.3.5 细网格分析

为了分析结构关键节点的详细应力分布，BV规范规定了一些需要进行细网格分析的位置。通过对部分高应力区进行细网格分析发现，如果应力不满足衡准要求，即便是粗网格单元本身形状很不好，在细网格分析中也很难满足，通常需要加强。由于布置的要求，结构形式一般难以改变。强框架和水平桁通过局部嵌入厚板可以顺利解决，如果板厚取值过大，则需选用高强钢。图17 — 图19给出部分基于细网格计算的局部板厚。

图17 强框架折角及开孔加强

图18 水平桁舷侧开孔及角隅部分加强

图19 垂直桁端部区域加强

4 结 论

通过以上计算分析，可以得到如下结论：

（1）上部模块质量对结构的影响范围和程度都很小，设计初期缺少资料的情况下可不考虑模块质量。

（2）屈服方面，需重点关注主要支撑构件的端部和不同类型主要支撑构件相邻区域，这些区域往往剪应力较大，主要减小应力的方法是增加板厚或选用高强钢。从应力结果看，水平桁上的应力集中情况整体舷侧比船舯更为严重；强框架上垂向肋板应力也是舷侧高于船舯；对垂直桁，下端部与底连续纵桁的相邻区域应力水平最高。

（3）屈曲方面，需重点关注横舱壁，可以通过增加板厚或者增设防屈筋加以解决。

本计算针对3号货舱，计算结果可直接应用到2号货舱。1号和4号货舱由于弯矩水平下降较多，故可以采用此法重新计算，同时1号货舱前舱壁区域由于存在单点系泊系统而剪力水平较大，尚需单独考虑。

［1］BV.BV NR445，Rules for the Classification of Offshore Units，Part D［S］.2014.

［2］中国船舶工业集团公司.船舶设计实用手册（结构分册）［M］.北京：国防工业出版社，2013.

［3］王璞.FPSO结构设计技术的发展［J］.船舶，2014（2）：1-8.

［4］刘元丹，苏金波，王华.FLNG系统卸载方式概述［J］.广东造船，2014（4）：55-57.

［5］童波，金强.基于南海环境条件的半潜式钻井平台设计环境参数分析［J］.船舶，2011（2）：8-14.

Strength analysis of compartment structure for 230 000 m3LNG FPSO

ZHANG Yu-kui ZHANG Wei
（Marine Design & Research Institute of China，Shanghai 200011，China）

This paper carries out the strength analysis of the cargo hold structure of a 230 000 m3LNG FPSO by using VeriSTAR Hull software that has been developed by BV.A single point mooring system is used for this LNG FPSO，which was designed to explore the gas field of South China Sea，to position in the service area for a long period of time with the ability of withstanding various terrible sea conditions and ensuring the equipment safety and the continuous operation.Consequently，it is essential and critical for the function implementation of the whole FPSO to analyze and optimize the ship hull structure.It performs the modelling and loading，and analyzes the calculation results following the relevant requirements of BV rules.The high stress regions that should be paid attention to in the structural design are finally pointed out，which can provide advices for optimization.

LNG FPSO； compartment structure； VeriSTAR Hull software； finite element method（FEM）

U661.43

A

1001-9855（2016）05-0048-09

工信部高技术船舶科研项目——浮式液化天然气生产储卸装置（LNG FPSO）总体设计关键技术研究（2013K24268）。

2016-04-26；

2016-06-06

张玉奎（1983-），男，工程师，硕士，研究方向：船舶结构设计与研究。张 伟（1986-），男，工程师，研究方向：船舶结构设计与研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.048