FLNG上部模块结构设计探讨

李江 林煜

摘要：随着FLNG等大型浮式油气装置模块化建造技术的需要，上部工艺处理单元需采用模块化的设计，即设备、管道、仪表、电器等都集成在模块里由模块结构进行支撑，模块结构基本采用框架结构体系，通常按钢结构规范设计。

Abstract： At the request of modularized fabrication of FLNG topside， the engineering of topside process unit should be modularized， the items of all disciplines are integrated into modules and supported by module structure， module structure is normally designed as space frame system based on steel structure codes.

关键词：设计工况;设计荷载;结构分析和校核

Key words： design load case;design load;structure analysis and member strength check

中图分类号：U473.2+1                                 文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0223-03

0  引言

FLNG的海洋工作环境、浮式船体和一些大型工艺设备，特别是FLNG上广泛用于发电和液化的内燃机设备，均属于对运行环境要求比较高的动设备，会给模块结构设计带来很大差异和挑战。模块结构设计要求必须要适应海洋环境，这样才能既保证整个FLNG安全，又保证内燃机等这些大型工艺设备正常运营。

1  模块结构设计工况

模块结构设计工况需要考虑从建造到FLNG服役期间可能会遭遇到的所有工况，一般包括：

1.1 建造工况

建造过程需要考虑的工况与模块的具体建造工艺紧密相关，通常包括：

①SPMT运输;

②海上运输;

③吊装。

1.2 在位工况

模块在位过程所遭遇的工况与海洋环境、浮式装置的状态密切相关，需要从这两方面来考虑，通常包括：

①操作工况：是指在常遇的海洋环境下浮式装置处于正常的运营工作状态时的工况，属于一种高概率的频遇工况，因此所用的海洋环境数据为一年一遇的情况，同时也应基于此概率的海洋环境数据来考虑浮式装置船体的变形和运动响应。

②极端工况：是指在极端的海洋环境下浮式装置依然能够处于正常的运营工作状态时的工况，属于一种低概率的罕遇工况，因此所用的海洋环境数据为百年一遇的情况，同理浮式装置船体的变形和运动响应也应基于此概率的海洋环境数据来考虑。

1.3 拖航工况

当浮式装置因为工作地点的变更，需要从原来工作地点拖航到新工作地点过程中会遭遇的工况，由于拖航时间一般比较长（可能是1个月或数月），因此通常所用的极端环境数据为十年一遇的情况，浮式装置船体的变形和运动响应也是基于此概率的海洋环境数据来考虑。

1.4 意外工况

是指浮式装置在运营过程中出现意外事故时的工况，例如物料吊运操作时出现吊物脱落，易燃介质泄露可能引起的火灾爆炸，极端低温介质（如LNG）泄露等意外事故。

2  模块结构设计荷载

2.1 模块结构设计荷载主要分为永久荷载、可变荷载、环境荷载、间接荷载和偶然荷载等

①永久荷载：是在各种设计工况下固定不动、也不会随时间而发生较大变化的荷载，通常是指模块内所有物体重量，一般分为干重和湿重。干重是指模块内部设备和管道等不含操作介质时的重量，而湿重则是包含操作介质时的重量。

②可变荷载：是指能够移动或随时间而变化的荷载，通常是指物料运输存放、设备维修和人员走动等产生的荷载。

③环境荷载：是指与环境有关的荷载，通常包括风、雨和积雪等荷载。

④间接荷载：是指作用于结构物使之产生内力响应的外部强迫位移和运动等，也常称为间接作用。FLNG模块结构的间接荷载通常指船体的运动和变形施加在模块上的外作用。

⑤偶然荷载：是指意外工况下偶然事故而产生的荷载或作用。如爆炸时产生的冲击荷载，火灾和低温介质泄露对模块结构产生的作用。

2.2 设计工况下的荷载组合

由于每种设计工况下都会同时出现各种不同类型荷载的共同作用，为了找出该设计工况下模块结构的最大内力响应，需要进行不同荷载的组合，荷载组合需要遵循的基本原则是：

①匹配性：进行荷载组合时使用的不同荷载需要与该工况相匹配，该工况下不可能出现的荷载不应参与组合，由于环境产生的荷载应与该工况下的环境条件相一致。

②兼容性：进行组合的荷载存在同时出现的可能性，不可能同时出现的荷载不应进行组合。

③通常情况下，各设计工况的基本荷载组合可以参考表1。

3  模块结构分析计算

模块结构分析计算常用方法有：静态线弹性分析，静态非线性（塑性）分析，动态线弹性分析和动态非线性（塑性）分析等。在进行模块结构分析计算时需要考虑荷载的类型、相应工况下结构设计目标来选择合适的分析计算方法。

①荷载类型：对于静载荷通常采用静态分析方法，而对诸如设备振动和爆炸、冲击等属于动荷载可采用动态分析方法。

②结构设计目标：模块结构设计目标与设计工况紧密相关，对于上面提到的建造工况、在位工况和拖航工况的各设计工况中结构设计目标是不允许出现结构的损坏，因而结构内力应控制在结构材料的线弹性范围内，故采用线弹性分析方法。而对于意外工况结构设计目标是允许单个构件出现损坏，但为保证人员和财产最大安全不允许出现整体结构的坍塌，也就是说在意外工况发生停止后，虽然某些构件需要修复，但模块的整体结构依然能够承受相应可能的荷载，故采用非线性（塑性）分析方法。

由于结构的动态分析和非线性（塑性）分析比较复杂，有时候为了简化结构计算也可采用一些偏于安全的等效方法分别转化为静态分析和线弹性分析。例如将爆炸冲击荷载转化为等效静荷载而对结构进行静态分析;意外工况下通过逐步删除进入材料塑性的构件而对余下的结构采用线弹性分析方法来校核模块整体结构的安全性。

4  模块结构校核

模块结构校核需要根据具体的设计工况确定校核内容，通常有强度校核、正常使用极限状态校核和疲劳校核等，在进行强度校核时应根据设计工况出现的概率对衡准条件进行适当的修正。

①强度校核实质就是构件的极限承载力校核，即构件在荷载组合作用下的内力应低于构件的设计承载力，从而保证结构的安全可靠，任何设计工况均需要进行强度校核。强度校核依据钢结构相关规范进行，常用的有AISC和API等规范。

在进行强度校核时应根据具体设计工况出现的概率对构件的设计承载力进行合理修正，对于上述极端工况和意外工况均属于低概率的罕遇工况，可以相应提高构件的设计承载力，极端工况通常可以提高1/3，意外工况提高2/3。而正常操作工况属于高概率的频遇工况，则不应提高设计承载力，建造过程中相关的工况也规定不应提高。

②正常使用极限状态校核，是校核在相应的设计工况下结构是否能保证模块各功能正常使用的要求，通常通过控制结构的变形来校核。

③疲劳校核，由于受船体变形和运动的影响，模块结构某些部位会产生周期性的交变应力，因此对结构的关键部位应进行疲劳校核。疲劳属于一种结构的累积损伤，应该采用频遇工况下的结构内力响应进行校核。

5  模块结构设计实例

以下以某FLNG的典型上部模块为例，简述FEED阶段模块结构设计和计算过程（模块结构计算采用BENTLEY公司SACS软件）。

5.1 模块结构布置

根据模块的设备布置图和重量报告来规划主要结构框架（主梁、主柱和斜撑等）的布置。布置结构主框架的时候，立柱的位置要避开设备，不要与设备产生碰撞（如有确需结构与设备布置图中设备发生冲突的情况可通过协商来进行设备或结构调整），设备放置的地方应根据设备基座的形式及位置布置合适的承力构件，总体要根据设备、管道或其他维修要求等因素综合考虑，使主要结构框架布置均匀，结构的整体刚度均匀，载荷能够以最直接的线路传递到主要构件，同时尽可能保证整体结构的整齐美观。

5.2 模块结构计算

模块的结构布置完成后，便可根据结构布置草图在SACS软件中搭建结构模型，结合各种荷载工况进行结构强度校核，所以在搭建模型之前要预估各构件的截面规格。可以根据工程师以往的设计经验选取，也可以根据已有荷载数据通过简单的力学计算大概选取一个截面，或者参考已有的类似项目。

①SACS软件搭建结构模型（如图1所示）。

首先应用SACS软件按照结构布置草图和预估的构件截面规格搭建结构模型，建模时要注意使用统一的点、构件、基础荷载和工况组合的命名规则。构件建模过程中要特别注意根据构件实际支撑形式修正计算长度。

模型完成后向模型中加载永久荷载、可变荷载、环境数据和其他间接作用，以及边界条件等。

永久荷载包括各专业的重量，比如：设备干重和操作重、管道干重和操作重、结构以及其他各专业重量;

可变荷载包括活荷载、设备维修荷载和货物存放荷载;

环境数据和其他间接作用包括风速和船体的变形，这些数据的输入一定要注意分别对应上文第2条叙述的各设计环境工况;

边界条件需要根据模块在船体甲板上的支撑形式进行设定。

②创建海况输入文件，海况文件包括船体运动数据，荷载组合和许用应力调整系数：

船体运动数据通常由船体专业根据水动力计算分析后提供，主要用于计算生成由于船体运动加速度带来的惯性力;

荷载组合时要特别注意风和船体运动导致的惯性力的组合，两者方向一致时叠加为最严格组合;

许用应力按上文第4条叙述根据不同的工况进行系数调整;

吊装分析时，校核与吊耳相连的构件采用1.5的动力系数，校核其他构件采用1.15的动力系数。此两种工况分别与重心偏移工况相组合，许用应力系数为1。

③构件校核。

完成模型和海况文件可后在SACS里进行建造工况、在位工况和拖航工况下各种荷载组合的静力分析，并對构件从强度和变形（刚度）两方面进行校核。

强度校核是为了保证构件在各设计工况下的极限承载力能满足模块结构安全需要。由于模块框架结构由细长杆件组成，通常需要从屈服和屈曲两方面进行强度校核。SACS软件里面是以各项UC值形式来综合反映构件的屈服和屈曲强度，只有整个模块结构的每根构件的各项UC值均小于1.0才表示模块结构强度满足要求。如果出现任意一项UC值小于1.0情况，需要对该构件的截面或整体结构进行调整并重新计算使各项UC值均满足要求，因此构件的强度校核是反复调整优化和计算校核的过程。强度校核一般依据美国钢结构规范AISC 335-89和API-RP-2A中的许用应力法（WSD）进行。

變形校核是为了保证结构满足模块正常使用极限状态的要求，通常包括人员操作舒适和设备运行两方面。人员操作舒适对变形的要求依据项目设计规格书进行校核;设备运行要求是指某些设备（比如某些动设备）对其支撑结构的变形有具体要求以保证设备正常运行，因此需要依据设备商的要求进行校核。

④节点计算。

主梁、主柱和斜撑之间连接节点是结构的关键部位之一，需要进行相应的计算。管节点可以在SACS软件里依据API-RP-2A规范进行校核，而其他非管节点可以根据AISC的相应规范利用计算表格进行核算。

⑤疲劳校核。

船体周期性运动和变形会对模块结构会产生周期性荷载，因此需要对关键部位进行疲劳校核。疲劳不同于强度，它是一种结构累积损伤，因此只需考虑上述的频遇工况，即操作工况和拖航工况。疲劳校核要求是疲劳寿命满足FLNG服役年限的要求，疲劳校核可以参考各船级社规范推荐的简化疲劳分析或谱分析法。

5.3 其他

在完成上述5.2的分析计算和校核后，还需要进行模块结构意外工况下的分析计算。与其他工况不同的是，意外工况对结构的影响可能是荷载（比如起吊重物脱钩和爆炸的冲击荷载），也可能是使某些构件的材料短时间内快速失效而使构件丧失承载力（比如火灾造成的高温和极端低温介质LNG泄露造成的低温），应先根据安全分析报告来确定结构受影响的部位，采用不同的方法对这两类影响分别进行结构的分析计算：

①起吊重物脱钩和爆炸冲击。

按照上文第3条可采用动力分析或等效静载荷的静力分析方法。一般在FEED设计阶段可采用等效静载的静力分析方法，而在详细设计阶段可进一步采用动力分析方法。需要说明的是这种工况下可以充分利用构件的材料塑性但要保证不出现断裂，在SACS软件里通常采用将反应许用应力利用系数UC值由1.0提高到1.67的方法。

②火灾和低温介质泄露。

这种工况下会造成受影响构件的材料高温软化或低温脆断，构件基本丧失承载力，因此将这些构件从结构里去除后进行结构分析计算。如果结构能满足要求可不需要进一步处理，否则需要对受影响构件进行保护措施，如涂刷防火涂料或防低温图层等。

6  结束语

FLNG模块结构设计涉及内容非常多，本文通过具体项目的设计过程总结简要描述模块结构设计全过程中的主要要点和注意事项，为从事模块结构设计工程师提供整体性的参考。项目不同设计要求自然不同，还需要设计工程师根据具体的项目按要求进行设计，另外模块结构设计过程中还有许多技术细节也是非常的重要，在这里难以全面详细叙述，设计工程师可根据实际工作中遇到的具体问题查阅本文涉及的参考文献。

参考文献：

[1]AISC 335 -89， Specification for Structural Steel Buildings – Allowable Stress Design and Plastic Design.

[2]API-RP-2A-WSD 22nd Edition， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms Working Stress Design.

[3]DNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures.

[4]DNV-RP-C204 Design Against Accident Loads.

[5]DNV-RP-C205 Environmental Conditions and Environmental Loads.