LNGC改造FSRU结构改造可行性分析

2021-06-29刘剑楠夏华波兰庆世韦晓强吴昊

船海工程 2021年3期

刘剑楠，夏华波，兰庆世，韦晓强，吴昊

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

FSRU是浮式液化天然气储存再气化装置，FSRU由于建设速度快、投资低、环境友好等特点而倍受青睐。随着清洁能源市场的蓬勃发展，市场对FSRU的需求稳步提升。LNG船改造为FSRU，由于船舶作业工况和环境条件的变化，对改造后的FSRU的船体结构提出了新的要求。能否在原LNG船船体结构的基础上，通过适当的改造，满足FSRU的作业要求，需要在船体总纵强度、局部结构强度和系泊设备结构强度等技术方面进行分析论证。本文以某薄膜型LNG运输船为例，对改造FSRU从船体结构方面进行分析，为相关项目的前期研究和工程的建造提供参考。

1 改造方案

改造目标LNG运输船的主要参数见表1。

表1 改造目标LNG运输船主要参数

该LNG运输船采用蒸汽轮机驱动推进方式，动力系统设备主要有主锅炉、主透平、透平发电机、柴油发电机、应急发电机；液货系统有4个薄膜型LNG液货舱、泵塔、主液货泵、扫舱喷淋泵、应急液货泵、挥发气回气压缩机、燃气压缩机等。

根据ABS“液化天然气再气化船入级与建造指南”，对于营运的常规LNG船通过加装再气化装置改造为FSRU，只需满足ABS的LNG船入级与建造规范及IGC Code之相关规定，并重点关注系统与布置的设计，使再气化装置得以安全运作。主要改造内容是在艏部增加再气化模块，舯部增加压缩机室和艉部增加电站模块。见图1。

船体改造评估主要包括再气化装置、护舷、系泊等增加的设备对船体结构的影响，以及规范中防撞要求对船体改造的影响。以ABS船级社“液化天然气再气化船入级与建造指南”为指导，拟针对以下主要结构改造项目分别进行技术评估：主船体结构强度校核评估[1]；再气化模块支撑结构加强；护舷结构加强设计方案；新增系泊设备结构加强方案；液货舱晃荡分析。

2 主船体结构强度校核评估

改造FSRU主要为靠岸气化工况，使用航行工况较少，原则上应该使用实际波浪载荷计算结果和规范法计算对比，采用数值较大的作为结构计算输入。FSRU靠岸工况作业环境条件温和，远不及作为航行工况的北大西洋环境恶劣，故船体结构采用规范法进行计算校核。

2.1 船体梁载荷

根据原有LNG船数据资料，本船改装前船体(船中区域)梁载荷计算如下。沿船长各横剖面的中拱波浪弯矩Mw(+)和中垂波浪弯矩Mw(-)应按下列各式计算：

Mw(+)=+190FMCL2BCb×10-3

Mw(-)=-110FMCL2B(Cb+0.7)×10-3

(1)

式中：FM为弯矩分布系数；Cb为方形系数；L为船长；B为船宽。

计算结果见表2。

表2 改装前航行状态LNG船船体梁载荷 kN·m

本船改装主要的工作为在艏部增加再气化模块和在艉部增加电站模块。主要结构件未作改动，只有局部舱室，如机舱、艏部柴油舱等进行改造和局部加强。改装后要求具备自航能力，且为无限航区。根据新增的模块重量载荷分布以及初步装载手册，改装后船体梁航行状态载荷计算方法同上，具体计算结果见表3、4。根据ABS船级社的《浮式海工液化气体终端入级与建造指南》，系泊状态波浪弯矩的取值不小于无限航区海况下波浪弯矩值的85%。

表3 改装后航行状态FSRU船体梁载荷 kN·m

表4 系泊状态LNG船船体梁载荷 kN·m

2.2 船体梁总纵强度评估

按照ABS船级社“液化天然气再气化船入级与建造指南”规范规定，在甲板处和龙骨处的船中最小剖面模数W0应不小于按下式计算所得之值:

W0=n1CL2B(Cb+0.7)k×10-6

(2)

式中：n1为航行系数；k为材料系数；Cb为方形系数；L为船长；B为船宽。

规范规定的船中剖面对水平中和轴的惯性矩I应不小于按下式计算所得之值。

(3)

(4)

(5)

其中：Wd为甲板处的剖面模数；Wb为龙骨处的剖面模数；船体梁的许用弯曲应力[σ]按下述规范要求确定。

[σ]=175/kMPa，船中0.4L区域；

[σ]=125/kMPa，船端0.1L区域。

其余区域用线性内插法求得，其中k为材料系数。

本FSRU船中区域的甲板和底部区域主要采用普通钢，因而其材料系数k=1，可以得到其许用应力为[σ]=175/k=175 MPa。

(6)

根据初步装载手册，通过包络方法可以得到船中最大的中拱和中垂静水弯矩值，考虑一定设计裕量，得出其实际的设计弯矩，并与规范允许值进行比较。

(7)

剖面的设计弯矩值小于规范允许值，则其弯曲强度校核满足规范要求。

改装为FSRU总纵强度评估结果见表5。船体梁各个位置实际剖面系数据来源于ABS规范计算软件。

表5 FSRU船体梁总纵强度评估结果

本船改造为FSRU后，经初步评估，系泊状态和航行状态船体梁总纵强度满足要求。GTT内甲板应力压载工况满足要求，考虑到GTT的应力限制120 MPa是基于殷瓦钢疲劳缘故，且改装后FSRU部分时段服役于码头，GTT内甲板应力可以接受。

2.3 晃荡分析

FSRU作为连接陆地天然气用户和LNG运输船的中转站，是常年漂浮在固定海域的海上存储终端。由于FSRU长期漂浮在近海上经受波浪冲击，使得液货舱内的LNG不断晃动，一旦其运动的固有周期接近船体运用固有周期时，将出现液货舱晃荡共振，对LNG货舱造成较大破坏，严重威胁FSRU的安全和可靠性。其次，根据FSRU操作工况，FSRU的货舱无装载液位限制，因此需对FSRU液货舱晃荡进行专项分析研究，并通过液货舱晃荡试验进行验证[2]。

根据ABS船级社“浮式海工液化气体终端入级与建造指南”的要求，通常需要对围护系统、泵站、船体结构等进行晃荡计算[3]。采用Safe-LNG规范计算软件对LNG船在不限液位的工况下进行了液舱晃荡计算，计算结果显示本船液货舱纵向舱壁板基本都能满足晃荡压力要求。液舱晃荡分析模型见图2。

图2 液舱晃荡分析模型

本船系泊状态，船体运动显著小于无限航区。根据与ABS船级社进行的技术咨询，FSRU模式下环境参数β值可取为无限航区的85%，初步评估全船液舱构件的尺寸将满足晃荡压力的要求。

3 再气化模块支撑结构加强

14.7万m3LNG船改造为FSRU，需要在艏部安装再气化装置。根据总布置设计，再气化装置将安装在第一货舱穹顶甲板上，分为左中右3个模块布置在第一货舱靠前的位置，通过模块支撑座与主船体结构连接，见图3。

图3 再气化装置模块布置示意

固定左右2个在气化装置的是由再气化装置厂家设计的梁架，梁架通过支撑座与船体结构相连，并焊接牢固。一个模块下面分别对应4个支撑座，支撑座尽可能布置在船体强框架和甲板纵骨相交的位置处。图4为支撑座示意，支撑座端部支撑肘板的圆弧大小根据计算结果进行设计，以确保支撑座的强度满足船级社要求[4-5]。

图4 再气化装置模块支撑座示意

基于局部有限元强度分析，船体结构与支撑座相连的部分有局部构件的，其形式和尺寸需重新设计并作校核。在改造过程中，以重新设计的结构替换原船体对应的结构。

4 护舷结构加强设计方案

4.1 靠泊对舷侧结构影响的比较

作为FSRU，其靠泊的码头一般为jetty形式，jetty型的靠泊垫相对靠近海面，作用于船体的位置也相应在水线附近。相比而言，常规码头的靠泊垫位置较高，通常在基线15.5 m到22.6 m的位置，甚至有更高的可以作用到舷顶列板上。作为常规性LNG船，14.7万m3LNG船的设计已经满足停靠常规LNG港口码头的能力[6]。

由于水线附近舷侧外板及其上纵骨的尺寸相对于靠近舷顶位置的舷侧构件尺寸要大，因此考虑到14.7万m3LNG船的舷侧结构在靠泊常规港口码头时其结构强度已经足够，那么当靠泊jetty型码头时因为对应构件尺寸更大，其舷侧结构的强度也应足够、更有所富余。

4.2 FSRU靠泊载荷分析方法

相比于常规的LNG船，FSRU靠泊形式更加多样。它既可以单独停靠在jetty型岸站，也可以一边停靠在jetty型岸站、而另一边则停靠一艘常规LNG运输船。由于系泊缆绳等设备有极限破断载荷限制，其并非能在所有海况下均如此停靠。FSRU的靠泊会由海况限制，当海况很恶劣时，其必须与旁靠的LNG运输船脱开。甚至在更加恶劣的海况下，FSRU也必须与jetty岸站脱离。

根据系泊系统的设计及相应海况的限制条件，运用流体力学和结构动力学计算FSRU单靠jetty型岸站时的靠泊垫的最大反作用力和FSRU旁靠LNG船并于jetty岸站相靠时的岸站和船间靠泊垫的最大反作用力。不同靠泊形式的系泊分析模型见图5。

图5 FSRU靠泊jetty岸站系泊分析模型示意

4.3 护舷结构强度分析方法

将FSRU靠泊载荷分析的结果与岸站靠泊垫设计载荷作对比分析，选取合理的载荷和作用在船体的范围[7]。运用结构有限元方法，建立双舷侧外板的局部有限元模型，进行加载计算，见图6。分析并评估舷侧外板和其上纵骨的结构强度。

图6 舷侧结构在靠泊载荷下的强度分析示意

4.4 改为FSRU对护舷结构的影响

14.7万m3LNG船改为FSRU，岸站靠泊作用在船体上的范围向下移至水线附近。由于舷侧结构越靠近船底，板厚和纵骨尺寸越大，因此原设计的舷侧构件强度仍然能够满足改为FSRU后的使用要求。

工程实施阶段，需对船舶的构件尺寸作测定，明确现有构件的尺寸大小，以及和原设计尺寸的差距，再做具体的计算分析评估。因为原设计尺寸下的强度是有所富余的，所以可能无需对船侧结构做额外加强。但若测定得到的构件尺寸腐蚀较大，则需要考虑更换相应构件，或新增结构加强设计等方法。

5 新增系泊设备结构加强方案

5.1 FSRU与LNG运输船系泊设备的差异

FSRU需长期定点在jetty岸站边工作运营，当遭遇恶劣海况，FSRU的系泊安全难以保证时，FSRU与其旁靠LNG船，和FSRU与靠泊jetty岸站之间的系泊缆绳，必须迅速解除脱开。常规系泊设备难以完成此类操作，只有快速释放钩才能达到迅速释放缆绳的功能。所以，FSRU本身需配置一定数量的快速释放钩设备。

同时，对应所靠泊jetty岸站系缆墩位置等布置条件，要考虑现有船上导缆孔的位置是否满足缆绳布置要求，并可能做相应调整。根据现有甲板布置情况，尽可能小的做改动，以布置足够数量的快速释放钩和对应匹配的导缆孔设备。

14.7万m3LNG船改为FSRU的艉部系泊甲板和艏部主甲板的系泊设备布置如图7所示。同时在FSRU的船体平行段主甲板上也设有快速释放钩设备。

图7 艉部系泊甲板和艏部主甲板的系泊设备布置

5.2 加装快速释放钩与调整导缆孔对船体结构的强度分析

系泊设备的甲板下方对应有局部的加强结构，因此加装快速释放钩和调整导缆孔的位置势必会影响原有甲板下的船体结构，需设计快速释放钩下的加强结构和对应导缆孔位置的加强结构。

对应基座圆环和肘板的位置，在甲板下方需设计延伸支撑结构。同样的，导缆孔基座在甲板下也需有对应的结构支撑。设计的快速释放钩为双钩形式，因此快速释放钩受到的系泊牵引力约为导缆孔的2倍，水平牵引力较大，基座下甲板的强度也需校核保证。

用局部有限元分析的方法，计算和评估系泊设备载荷作用下船体结构的强度。模型范围包括新增快速释放钩和导缆孔的基座，以及其下对应的船体结构。图8为尾部甲板和其下支撑加强构件的有限元网格模型示意，图9为快速释放钩和导缆孔的基座的有限元网格模型示意。

图8 尾部甲板和其下支撑加强构件的有限元网格模型示意

图9 快速释放钩和导缆孔的基座有限元网格模型示意

5.3 新增系泊设备对结构的影响

14.7万m3LNG船改为FSRU，快速释放钩主要用于应急情况下快速释放系泊缆绳，使LNG船快速驶离。快速释放钩除机械机构外，还需带有缆绳张力监测系统、就地超负荷报警、桥楼张力显示与遥控释放系统等配套设施。生产操作运营中可与船岸通讯系统中的环境监测、低速靠泊等系统组成一套完整的系统。根据本项目的总体布置，在靠海的右舷配置10套双式快速释放钩。对应这些设备下方的甲板和其上构件均需重新设计，包括甲板和基座下延伸的加强构件。

由于需与快速释放钩匹配使用，因此舷侧导缆孔位置有所调整的地方，其下方的结构也需做相应加强设计。

最后通过有限元分析方法，施加系泊设备载荷，对新设计结构的强度进行校核计算，以满足所入级船级社的规范要求。