FPSO软管绞车支撑下加强结构疲劳强度分析

石科良 黄涣青 钟星海 祝文倩 朱继欣

摘 要：基于美国船级社规范的要求，本文介绍了FPSO软管绞车支撑结构疲劳强度计算方法。以某FPSO为例，考虑其自身受到的惯性加速度，采用热点应力分析法，通过细化热点区域网格计算热点应力，再根据S-N曲线对不同热点进行疲劳寿命评估，并根据疲劳计算结果对应力集中区域的结构设计提出一些建议。

关键词：FPSO；软管绞车；疲劳强度；热点应力

中图分类号：U663.7 文献标识码：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是集海上油氣生产、储油、卸油、生活、动力于一体的海洋工程结构物。它具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力强以及转移灵活方便、重复使用等优点[1]，已成为当今海上油气田开发核心设备。

相比于铺设很长的海底管道装置，通过穿梭油轮对原油进行运输，可以节约运营成本，并方便转移至工作海域。其作业原理为通过位于首楼甲板或尾楼甲板的软管绞车将输油软管与串联穿梭油轮上的受油软管法兰相连，然后进行输油作业[2]。

由于软管绞车自身重量大，其支撑结构在输油过程中，主船体运动加速度对其影响较大。作为FPSO卸油系统中的关键设备，需要对软管绞车支撑结构及其下加强的结构进行疲劳强度校核，满足设计寿命的要求。

2 软管绞车支撑结构疲劳强度计算

FPSO软管绞车支撑结构连接疲劳强度分析根据美国船级社《Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structure（2003）》[3]（以下简称《指南》）提供的简化分析方法，利用Weibull概率分布函数表示结构的应力分布范围，通过有限元软件求得结构的名义应力或热点应力，计算相应的疲劳累计损伤，以此判断结构疲劳强度是否满足规范要求。

2.1 设计输入载荷

设计输入载荷仅考虑交变载荷的影响，如船体运动所产生的加速度；不考虑由软管绞车自身重力或软管拉力所引起的静态载荷。

2.2 名义应力分析法

若结构形式分类符合《指南》中规定的S-N曲线，则可以采用名义应力分析法，对结构关键节点进行分析；也可以通过有限元直接计算求得，此时模型应采用净尺寸，扣除相应的腐蚀余量。

网格大小无需过度细化：对于板单元，校核单元表面的与裂纹扩展方向垂直的45o范围内的最大主应力；对于梁单元，选取校核梁单元面板或自由边处与裂纹扩展方向垂直的45o范围内最大主应力[4]。通过《指南》选取的S-N曲线，通常已包含对评估区域的应力集中系数（SCF）的影响。

名义应力分析法，通常可以快速判断出某个节点强度是否满足规范要求。但由于实际结构几何形状的复杂性，往往很难明确对每个焊缝进行分类，因此对于《指南》中没有规定的焊缝形式（如焊趾等），此时疲劳强度宜采用热点应力法进行分析，从而保证分析精度[5]。

2.3 热点应力分析法

热点应力可以通过名义应力和应力集中系数求得，也可以采用直接计算法求得。若评估区域的应力是通过已求得的名义应力乘以SCF，此时已经考虑由于构件几何形状的突变而导致的应力集中系数对节点的影响，将选取不包含应力集中影响的S-N曲线。初次确定构件形式的应力集中系数（SCF），通过细化评估区域的网格或经验公式求得。

采用直接计算法计算热点应力需对原有限元模型进行细化，网格大小约为t x t，热点处应避免三角形单元，细化区域的骨材用板单元模拟。从细化网格区域向外方向应逐步过渡，并保证一定的过渡范围。

2.4 S-N曲线的选取及应用

软管绞车支撑结构及连接主体暴露在空气中，选取非管状节点ABS-（A）曲线，该曲线一共有八种类型，分别是B，C，D，E，F，F2，G和W。当采用名义应力分析法时，根据不同的节点形状，将其进行归类至某一曲线，通过应力范围即可确定相应的循环次数，从而得到节点的设计寿命；当采用热点应力分析法插值得到的热点应力时，《指南》推荐选用”E”曲线对疲劳节点进行评估。

对于由于焊缝形状和切口引起的应力集中影响，已经包含在所选取的S-N曲线中。

构件节点的疲劳性能和构件的板厚有关，当板厚超过某一厚度时，构件的疲劳性能随着板厚的增加而下降。主要由于焊趾的几何形状受到相连板沿着板厚的应力梯度变化的影响，因此引入”修正系数”：当构件厚度不大于22 mm时，不需要进行应力修正；当构件厚度超过tR=22 mm时，修正系数为：

2.5 热点应力计算

在读取热点应力时，应读取板单元的表面应力。采用《指南》中推荐的外推方法，即读取距离为距焊缝趾端0.5 t和1.5 t处的最大主应力σt/2和σ3t/2进行两点线性外推。最大主应力方向与焊趾正向夹角应在±45o范围，若超过该角度范围则应直接使用垂直焊趾方向的热点正应力作为计算疲劳应力，则热点应力σh为：

当对板材的自由边进行分析时，可以在其边缘建立面积极小的扁钢，具体梁单元的尺寸大小可以取扁钢宽度和该板材厚度相同，扁钢厚度极小，对计算结果影响可以忽略不计。该板材自由边的热点应力，通过读取梁单元的合成应力得到。

2.6 疲劳评估衡准

当疲劳累计损伤值D≤1.0/FDF时，则可认为结构形式安全。FDF为疲劳设计因子，将疲劳评估过程和结果中的不确定因素，营运过程中检验和维修的难度等综合考虑，《指南》对位于不同位置的结构形式给出了参考标准。

3 计算实例

以某FPSO首楼甲板的软管绞车支撑结构为例，该支撑结构的主要参数为：长7 100 mm、宽9 400 mm、高2 176 mm，软管绞车及下加强的三维模型如图1所示。

在正常操作工况（DOC）下，软管绞车自重约为137t，软管沿着船首的切线方向输油，拉力为25 t；在环境载荷工况（DEC）下，软管被绞车收起，里面装满水，软管绞车总质量约182 t。利用MSC.Patran/Nastran软件建立有限元模型，根据《指南》对其疲劳强度进行分析。

3.1 疲劳热点选取

软管绞车支撑结构及下加强结构的疲劳热点主要有两种形式：第一种为支撑结构与首楼甲板的焊缝连接处；第二种为加强处连接肘板的自由边。

选取的评估热点，如表1所示；选取的疲劳热点示意图，如图2、 3所示。

3.2 模型概述

疲劳分析计算的模型，采用嵌在首楼甲板及主船体有限元模型中的细化有限元模型直接计算，模型范围：纵向从FR98至首部最前端；横向从左舷至右舷；垂向从首部二甲板至软管绞车支撑结构顶端。

在疲劳热点分析处，纵骨用板单元进行模拟。网格大小约为t x t，并在网格附近保证足够数量的该网格大小，向周边区域逐步过渡至粗网格；粗网格大小约为1/2纵骨间距。

模型采用国际单位建模（m，kg，s），钢材材料弹性模量E=2.06x1011Pa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 850 kg/m3。对于软管绞车下加强及首楼甲板，扣除1.5 mm腐蚀余量。软管绞车设备自重用质量点模拟，质量大小为137 t。具体的模型如图4至图5所示。

3.3 边界条件、载荷及工况

边界条件应远离计算评估区域，在位于模型FR98处和首部二层甲板处采用全约束，具体施加如图6所示。

设计输入载荷为正常操作工况（DOC）作为计算载荷，交变载荷为由船体运动产生的加速度，出于保守考虑，增加10%的设计裕度，具体数值如表2所示。

工况组合考虑加速度沿各个方向变化的组合情况，具体如表3所示。

3.4 节点疲劳强度评估

首部软管绞车下加强设计周期为25年，设计循环次数NT为1x108，韦伯形状参量γ取1，周期循环次数NR为4x106。其中，热点2和热点4需要通过附近网格利用拉格朗日插值方法得到，其余热点则可以直接通过读取附近板单元或自由边上的梁单元获得。

计算结果及计算过程如表4所示，部分计算应力结果如图7和图8所示。

通过计算分析，该FPSO软管绞车支撑结构和首楼甲板下加强结构疲劳强度满足规范要求。

4 结论

（1） 虽然本文主要探讨了软管绞车支撑结构的疲劳连接强度，但由于板梁焊接结构的相似性，对于其他设备的支撑结构疲劳强度评估同样适用；

（2） 构件疲劳强度主要和結构形式、构件厚度及其对交变载荷的响应有关，与材料的屈服强度无关，因此增加板厚是提高疲劳强度的方法之一。若结构材料采用高强度钢时，要特别注意疲劳强度是否满足要求；

（3） 通过对不同肘板相连节点进行分析，发现肘板形状对疲劳影响较大：设置软趾的肘板产生的应力集中系数比未设置的肘板要小，因此可以采用设置软趾或采用弧形肘板方法提高连接节点寿命。

参考文献

[1] 胡安康. FPSO浮式生产储油装置工程研究[M].哈尔滨工程大学出版 社，2012.

[2] 张君彦. FPSO软管绞车液压系统恒功率特性研究[D]. 大连海事大学， 2012.

[3] ABS，Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures [S].2003.

[4] 中国船级社. 船体结构疲劳强度指南[S]. 2007.

[5] 周张义，李芾，黄运华. 基于热点应力的焊缝疲劳强度评定研究[J]. 内燃机车，2008.