FLNG 上部模块支墩设计探讨

2022-01-17刘欣李江

石油化工建设 2021年6期

刘欣李江

惠生（南通）重工有限公司江苏南通 226000

1 模块与甲板支墩连接形式

1.1 固定焊接形式

模块支腿通过焊接固定在甲板支墩上，见图1（a）。设计理念源自普通钢架结构，与结构设计中的固支连接相似。固定焊接形式的最大优点是建造安装方便、成本较低，最大缺点是船体的弯曲变形不能被释放，变形会通过支腿对模块结构产生不利影响，同时连接处焊缝容易产生疲劳裂纹。

1.2 铰支焊接形式

模块支腿通过插入板与船体主甲板直接焊接，见图1（b）。插入板通常沿船宽方向布置，支腿和船体主甲板之间能够产生相对转动，支腿在船长方向是铰接，能够释放船体弯曲的纵向变形对模块结构产生的不利影响，但船体的弯曲变形依然会对支腿插入板与船体甲板间的连接焊缝疲劳产生较大影响。铰支焊接具有安装建造方便、成本较低的优点。

1.3 弹性铰支形式

模块通过垂向弹性垫支撑在支墩上，四周设置侧面限位挡块，竖直方向设置止升爪，见图1（c）。弹性铰支形式限制了模块基座各个方向的线位移，通过弹性垫释放弯矩和角位移，与结构设计中的铰支连接相似。弹性铰支形式最大的优点是模块支墩处结构梁允许转动，可以释放船体弯曲变形对模块结构的不利影响，模块对支墩的弯矩的作用，减少支墩焊缝疲劳裂纹的产生。弹性铰支形式的缺点是建造安装复杂、成本较高。

1.4 弹性滑动形式

弹性滑动形式与弹性铰支形式相似，但只在船宽方向的两个侧面设置限位挡块而取消了船长方向的限位挡块，见图1（d）。船长方向模块可以在支墩上自由滑动，与结构设计中的滑动铰支连接相似。弹性滑动形式的最大优点是可以通过模块基座的滑动释放船体弯曲沿船长方向的变形对模块的影响，减少支墩疲劳裂纹产生。缺点是建造安装复杂、成本较高。

图1 模块与甲板支墩连接形式

2 模块支墩设计

2.1 模块支墩设计基本原则

（1）船体弯曲变形和疲劳的影响程度。当船体的弯曲变形对模块影响较小时（如服役海况良好，船体的尺度较小或模块在船长方向的尺寸较小），可以采用固支焊接的支墩，并设置多个支腿（通常多于4 个）支撑。当船体的弯曲变形对模块影响较大时（如服役海况恶劣，船体的尺度较大且模块在船长方向的尺寸较大），需要通过模块与支墩间的连接来释放船体弯曲变形对模块的不利影响，通常采用铰支焊接、弹性铰支或弹性滑动的支墩。

①铰支焊接形式一般采用多个支腿支撑模块，但这种连接形式对支墩疲劳的改善有限。

②随着浮式装置和模块尺寸、重量的大型化，支墩连接处的疲劳处理成为结构设计中越来越重要的部分。通常设置4 个支墩，采用弹性铰支和弹性滑动组合形式，一端的两个支墩采用弹性铰支连接形式，另一端的两个支墩采用弹性滑动的连接形式。FLNG 上部模块支墩设计位置见图2。这种4 支墩的组合形式能够完全释放船体弯曲变形对模块结构的不利影响，极大改善疲劳性能。

图2 FLNG上部模块支墩设计位置

（2）在布置模块支墩位置时，支墩处荷载较大，为了保证支墩受力能够安全有效地传递给船体，尽量将支墩设置在船体甲板纵桁、横向强框架或纵横舱壁交汇处，以便充分利用这些船体甲板强力构件，避免更多的结构加强，以降低结构钢材量。

（3）在模块支墩设计的初始阶段，应充分考虑构件的各种强度成分。如选用船体纵向构件时，既需要考虑船体总纵强度、又需要考虑局部强度。

（4）模块甲板支墩、支墩与甲板连接结构以及支墩下部加强区域均属于应力较高和疲劳敏感部位，高应力区域可以考虑采用高强度钢，并对肘板趾端等部位进行合理优化来改善疲劳性能。

（5）模块支墩下加强结构的开孔应尽量避开高应力区域，如果不能避开应做开孔补强。

2.2 模块支墩结构强度分析校核

在按2.1 基本原则进行模块支墩形式选择和结构设计时，还需要采用FEM 有限元方法对支墩进行结构强度的计算分析进行校核，验证设计是否合理有效。强度分析内容包括屈服、屈曲（稳定性）和疲劳。船级社相关规范对有限元模型的范围选取、建立以及载荷的选取均有明确要求。

（1）船体弯曲变形会对模块的结构设计及支反力产生影响，船体应将模块支墩位置处的变形提供给模块结构设计使用，将这些变形与相关荷载进行组合后对模块结构进行分析和支反力计算。

（2）模块设计方在进行模块结构分析和支反力计算时需要考虑船体运动产生的惯性力。

（3）模块支墩支反力的计算和支墩结构强度校核时，需要考虑FLNG 服役期间的所有设计工况，包括正常操作、极端、拖航工况和意外工况等，这些工况的定义可以参考船级社相关规范。

（4）在进行模块支墩下方的船体结构强度分析校核时，需要考虑承受模块支墩传递的局部荷载，还需要考虑船体梁荷载。因此，在有限元建模时，支墩附近一定范围内的船体结构需要同时建入模型并施加相应工况下船体梁的荷载。另外，对需要校核疲劳的部位应注意按船级社规范要求采用细化网格有限元模型。

（5）FLNG 上部模块的重量较重，导致船体通常处于中垂弯曲状态，支墩结构大多处于较高的压应力状态，需要特别注意校核结构的屈曲强度（稳定性）。

（6）模块支墩的屈服、屈曲和疲劳校核需要依据不同超越概率海况下的支反力。屈服和屈曲强度是结构极限承载力的校核，应按规范要求采用百年一遇海况的支反力。而疲劳强度是结构累计失效的校核，应采用一年一遇海况的支反力。

3 模块支墩实例

3.1 支墩形式和位置选取

FLNG 船体的总长×型宽×型深为350m×60m×35m，船中部管廊的两侧布置上部工艺模块。模块尺度较大，为30m×20m，且重量在3000～4000t。服役海况和拖航海况均比较恶劣、波浪荷载较大，因此船体弯曲变形较大，垂向变形达600mm；船体运动较大，船宽方向加速度达0.45g（g 为重力加速度）。

船体弯曲变形较大、模块长度较长，如采用固定形式的支墩，船体变形将会被施加给模块结构，带来不利影响，船体中拱和中垂状态的周期变化也会对支墩的疲劳带来很大影响。另一方面，由于船体运动响应较大，模块重量较大，导致模块支反力较大，会对支墩的疲劳带来很大影响。因此，采用4 个支墩，形式为弹性铰支和弹性滑动，通过支墩最大限度地释放船体弯曲变形和运动带来的不利影响。

支墩位置确定需要结合甲板结构的布置，与船体专业协调后布置在纵横舱壁交汇处或甲板纵桁与横向强框架交汇处。模块长度较长，可以通过支墩位置使模块端部适当尺度悬挑。

3.2 支墩结构设计

在支墩形式和位置确定后，船体将船体弯曲变形和运动数据提供给模块设计，模块设计可以进行模块结构的计算并提供支反力和支墩处的模块结构形式给船体。模块支反力数据对支墩的结构设计和强度分析非常重要，设计时需要特别注意不同海况的组合。支墩形式和位置、支反力、模块支墩处结构形式确定后，可以进行支墩结构的设计，首先确定支墩的结构形式，该项目支墩受力较大，因而采用箱型支墩。确定支墩结构形式后可以对结构进行适当的简化分析计算以大致确定尺寸，并依据相关规范确定结构材料。

3.3 支墩强度分析

进行支墩强度有限元分析时，有限元模型范围在船长方向应延伸至支墩两边以外2～3 个强框架位置，支墩结构采用相对细化网格，肘板趾端等疲劳敏感部位采用2t×2t（t 为板厚）网格。在对有限元模型施加荷载时，需要注意对船体的纵向构件施加船体梁总纵弯曲荷载。根据分析结果分别校核屈服、屈曲和疲劳强度。支墩强度分析见图3。