FPSO甲板舷外设备支撑结构设计与强度疲劳校核

陈曙梅

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

1 甲板舷外设备加强结构的定义

浮式生产储油轮（FPSO）结构，除规范规定的必须划分为海工区域的结构以外，根据船检或船东要求，很多甲板设备、舷外设备的加强结构也需归入海工区域。以法国BV船级社规范为例，海工结构的定义包含但不限于以下结构，见下页表1。

在FPSO船体甲板上，除布置上部模块外，还有各类设备。为合理利用甲板面积，部分设备如潜水工作站、废弃物集装箱等直接放置在舷外，并设计合适的外挂结构与船体相连。

表1 B V规范对海工区域的定义

以废弃物平台为例，本身并没有列入规范定义范围，但是船东有相关要求，故仍需按照海工区域的要求开展设计和强度校核。图1为废弃物平台的海工区域划分，图中高亮显示。

图1 海工区域定义实例示意

2 海工区域结构的屈服校核衡准

定义为海工区域的结构，腐蚀余量的定义不同，其对应的屈服衡准与船体的屈服衡准也不同。海工区域的结构强度通常至少校核两种状态，分别为作业状态和生存状态。

以BV规范为例，对于海工区域结构，合成应力的标准满足式（1）要求：

式中：Rf为材料屈服应力，MPa；а为许用应力系数（作业状态取0.6，生存状态取0.8）。

对于网格尺寸达到t×t级别的单元（t为钢板厚度），许用应力标准相应提高，可将在2t×2t范围内的单元合成应力按面积平均，平均后的合成应力小于 1.3σа。

BV规范对船体区域结构的合成应力标准，则需满足式（2）要求：

式中：Rf为材料屈服应力，MPa；γR、γm通常取 1.02。

对于网格尺寸小于100 mm×100 mm的单元，许用应力标准同样可以相应提高，可将100 mm×100 mm 范围内的单元合成应力按面积平均，平均后的合成应力σVM，根据是否与焊缝相邻，分别满足式（3）和式（4）的要求。

单元与焊缝相邻：

单元不与焊缝相邻：

BV规范对两类结构的应力标准详见表2，其他船级社对FPSO均有类似规定。由该表可看出，海工区域结构的许用标准较船体区域低。生存状态下，约为91.5 % 的船体结构许用值，对于不与焊缝相邻的精细网格区域，生存状态下的许用值仅为船体标准的83.8 %。由此也说明，海工区域结构设计的要求之严格。

3 甲板舷外设备加强的受力分析和校核工况

FPSO的甲板舷外设备加强结构多位于船体和海工的界面处，其承受载荷同样来自两个区域：一为船体载荷，二为设备功能载荷。

船体载荷成分在下页表3中列出，这些载荷均应在其加强结构设计中考虑，并在结构校核中施加在校核模型上。

表2 规范对海工区域和船体区域结构的屈服校核衡准对比MPa

表3 海工区域结构设计和校核需考虑的船体载荷

设备功能载荷有两种考虑方法：一种是由设备商提供支反力，船体方直接加载校核；另一种是提供质量重心和界面连接形式，由船体方考虑设备的质量及加速度， 供强度疲劳校核使用。特殊设备（如部分浸水的排水管），还需要额外考虑莫里森载荷。

以废弃物平台为例，该平台放置5个废弃物集装箱，其设备载荷应包含集装箱落脚位置，质量、重心以及重心处生存状态和作业状态下的加速度。

甲板舷外设备加强结构的强度校核，会根据结构位置和受力特点选取主控装载。表4为实例FPSO考虑的强度校核工况。

表4 实例F P S O考虑的强度校核工况

4 甲板舷外设备加强结构的设计和校核实例

结合对此类结构的设计和校核可发现，甲板舷外设备的加强结构设计的重点是该舷外结构与主甲板连接节点的设计，结构主控载荷为船体载荷。

以某FPSO的废弃物平台为例，其初始设计根据设备放置，设计为桁架结构。其优点是省材料、形式简单，缺点是与船体连接处易产生较大应力集中。初始设计形式见图2和图3。

图2 实例的初始设计——桁架式（俯视图）

图3 实例的初始设计——桁架式（空间视图）

之后，为提高甲板面积利用率，将原来的废弃物设备完全移出主船体，并将废弃物平台改为板加筋结构。由于附近还有其他设备的结构加强，该平台的设计空间有限，与主船体连接的过渡结构无法扩大，民致连接节点不可避免会产生硬点。为解决该问题，硬点处设计为软趾。

第二版设计的平台结构如图4和图5所示。

图4 实例的第二版设计——板架式（俯视图）

图5 实例的第二版设计——板架式（空间视图）

经校核，该结构与连接船体的肘板趾端处应力集中严重（见图4划圈处），而扣除应力集中点，其他结构均能满足设计要求。应力集中处的合成应力结果详见下页图6，疲劳校核工况的主应力结果见下页图7。

图7所示的应力集中点，计算其疲劳寿命为31.2年，实例FPSO的设计疲劳寿命则需达到92年，因此该加强结构无法满足设计要求。

综合考虑强度和疲劳计算结果，对实例在第二版基础上，改进设计出第三版，见下页图8。

第三版设计在第二版基础上，进行了两处改动：

（1）将连接肘板改小，原肘板两边长比为7 : 9。改进后和船体连接的边长不变，将与平台连接的边长改小，边长比改7 : 6。

图6 实例的第二版设计强度计算结果

图7 实例的第二版设计疲劳主应力结果

图8 实例的第三版设计——趾端优化（俯视图）

（2）将肘板趾端形式优化。第二版采用的趾端软趾形式见图9，为该实例FPSO的标准趾端，趾端高度长度比为1 : 1。

图9 实例的标准趾端设计（俯视图）

改进后将趾端长度拉长，长高比增加到1.5 : 1。经疲劳损伤计算，将原来趾端圆弧半径由100 mm增加到400 mm，趾端自由边处疲劳寿命才达到实际FPSO的要求。改进后的趾端形式见图10。

图10 实例修改后的趾端设计（云线圈出处）

最终计算得到的强度和疲劳结果分别如图11、表5和表6所示。

表5列出了各装载工况在生存状态下的合成应力结果。可知，按BV规范要求，平均应力满足海工区域的细网格应力衡准。

表6列出了节点疲劳结果。可知，最危险处的疲劳寿命为103年，满足设计要求。

图11 实例第三版设计的局部最大合成应力

表5 实例F P S O废弃物平台的屈服强度校核结果（生存状态）

表6 实例第三版设计的节点疲劳结果

5 甲板舷外设备加强结构的疲劳校核和设计改进

从实例不难发现，此类设备加强的重点是与船体连接处的节点，节点的最终形式由疲劳校核确定。校核实例的疲劳节点根据强度计算结果选取。不仅要校核主船体连接处，也要校核趾端本身，比如焊接节点的腹板与面板连接处，非焊接节点的趾端圆弧自由边处。

疲劳校核方法很多，具体方法不再赘述。实例FPSO采用确定性方法，考虑拖航状态、在位状态和作业期间的装卸货周期，分别计算高周疲劳和低周疲劳，得到FPSO生命周期内疲劳累积总损伤。累积损伤必须满足规范对海工区域的要求。

本文以实例FPSO的废弃物平台为例，总结了以下6条海工区域结构疲劳寿命的改善方法：

（1）改变趾端的高度与长度比

具体见图9和图10，对改善趾端处船体结构的应力集中非常有效。

（2）改善趾端的圆弧

具体见图9和图10，圆弧半径增大，显著提高趾端自由边的疲劳寿命。

（3）改善腹板与面板连接处的面板倾角

如图4和图8，通过改变肘板两臂长，改善了面板倾角，明显降低趾端应力水平。

（4）采用合理的焊接方式

将高应力区焊接节点的焊接方式，从角焊缝改为全焊透，有助于提高疲劳寿命。

（5）避免结构突变，将棱角尽量打磨出圆弧

如图9和图10，趾端的焊接留根，和与面板的焊接留根，均有R15的磨圆。给合该节点的计算结果，磨圆处理的结构对比未处理的结构，应力集中情况明显改善。

（6）提高局部区域板厚

即采用降低名义应力的方法，减少累计损伤。应注意设计过程中，尽量以增加主船体的局部区域板厚为主，舷外设备加强结构尽可能不强于局部船体结构，以确保FPSO主体结构安全。

以上方法在结构设计中可根据设备加强特点，灵活使用。

6 甲板舷外设备加强结构的设计原则

通过对大量类似结构的研究，结合实际的设计和校核经验，FPSO甲板舷外设备加强结构的设计原则可总结如下：

（1）尽可能利用船体强构件，重要的受力点和支撑点应放在强力结构处；

（2）尽量减少总纵强度参与度；

（3）充分考虑其他设备的布置，合理利用空间；

（4）关键节点形式由疲劳校核确定；

（5）尽量将最危险最易破坏点避开主船体结构。

FPSO甲板的每一处设备加强结构均有各自的特点和其独有的校核方法。本文仅选择校核相对简单的废弃物平台为例，对类似的海工区域结构从设计、强度校核和疲劳校核做粗略介绍。该类结构的主控载荷为船体梁载荷，结构靠近船舯，主控载荷为垂向弯矩；结构靠近首部，主控载荷为加速度。该结论可在其他类似结构设计中应用。

需按海工区域标准设计的结构，大都受力复杂，设计界面也是关键问题。实际设计中，应根据最基本的设计、计算方法推民变通，并结合本文的结论，具体问题具体分析。