FPSO关键管路甲板上浪与砰击载荷计算

石银辉，宁俊，徐新

(大连中远海运重工有限公司，辽宁 大连 116113)

砰击是波浪与运动浮体相互作用产生的激烈冲击现象。根据波浪与浮体发生冲撞位置的不同，砰击一般分为底部砰击、外张砰击和甲板上浪3种类型[1]。由于波浪砰击现象十分复杂，是极难求解的强非线性问题[2]，国内外学者开展了大量研究工作，主要集中在砰击预报的理论研究、模型的试验研究和近年来兴起的数值模拟方面。本文基于前人的研究成果，依托大连中远海运重工有限公司为MODEC公司改装的FPSO Sangomar项目，分析波浪砰击对泡沫、货油、海水提升等关键性管路造成的影响，提出甲板上浪与砰击载荷的计算方法以及管路应力分析中的载荷加载方案，为管道工程的设计提供依据。

1 波浪砰击评估范围及分类

1.1 受波浪砰击的关键性管路

根据管道的流体介质、尺寸、材料、系统设计参数及作用载荷等关键特征，将管道划分为3类：1类管道不需要进行正式的应力分析；2类管道可利用图表法、解析法、支架跨距表等进行简化的分析，且最终需取得管道应力工程师的认可；3类管道需综合考虑所承受载荷及作业工况进行详细的应力分析[3]。本文仅对布置在船艏、船艉或舷侧位置的3类管道进行波浪砰击校核介绍，该FPSO项目会遭受波浪砰击的关键性管路尺寸及位置见表1。

表1 受波浪砰击的关键管路

1.2 波浪砰击载荷评估分类

根据波浪与浮体发生冲撞位置的不同，在应力校核中将这种冲撞区分为甲板上浪和砰击。甲板上浪是指浮体遭遇波浪，来波超越干舷冲上甲板的现象[4]；砰击是波浪与船底结构或具有外张形式的船侧结构的冲击[5]。由于波浪砰击力的大小与结构的几何形状、所处位置、暴露环境等因素有关，本文按图1、2所示分类对管路系统进行波浪砰击载荷评估，船体结构按图3所示划分为船艏、船艉及舷侧3部分。

图1 甲板上浪载荷评估划分

图2 砰击载荷评估划分

图3 船体结构位置划分

2 甲板上浪与砰击载荷计算分析

在项目设计建造阶段分析甲板上浪及砰击对结构物的影响并进行结构优化是抵御砰击的有效手段，但目前相关文献对此鲜有报导。本文根据图1、2的分类方法，基于表2的环境条件，对FPSO的关键性管路及典型结构物进行甲板上浪或砰击载荷计算。

表2 甲板上浪与砰击载荷分析环境条件

2.1 甲板上浪

根据甲板上浪试验报告：拖航工况，有义波高Hs=8 m、谱峰周期Tp=10～20 s，舷侧不出现甲板上浪的情况；操作工况，有义波高Hs=6.9 m、谱峰周期Tp=10～20 s，满载(水线高20.0 m)情况下舷侧的最大浪越舷为1.6 m，近似满载(水线高18.5 m)情况下舷侧的最大浪越舷0.1 m，保守设计，取1.6 m作为舷侧最大浪越舷。

拖航工况，有义波高Hs=8 m、谱峰周期Tp=14 s、浪向角135°的斜浪航行条件下，船艉最大浪越舷2.3 m；操作工况，非满载情况下甲板上浪的发生风险很低。

甲板上浪情况下，FPSO各部位最大浪越舷与结构物所受冲击载荷见表3。

表3 最大浪越舷与冲击载荷

由于该FPSO艏部伸出一个大的转塔支撑结构(turret support structure， TSS)，艏部甲板的上浪风险很低，此处仅对舷侧和艉部甲板上浪载荷进行分析。

2.1.1 艉部区域甲板上浪

1)板结构。根据甲板上浪试验报告，对于低艉甲板上的大型平板结构，在最大浪越舷时的最大设计压力取20.5 kPa。甲板某位置的上浪高度与该位置大的平板结构所受的冲击压力存在如下关系。

P=3.9H2

(1)

H=(0.001y2-0.060 8y+1.139 9)h

(2)

式中：H为平板竖直结构处的上浪高度；y为平板结构到FPSO边缘的距离；h为浪越舷高(2.3 m)。

对于安装在低艉甲板、沿舷侧布置的系缆绞车，可以视为大的平板结构，按照上述说明计算甲板上浪冲击载荷。

2)细长结构。结构高度小于浪越舷高度的情况推荐采用溃坝理论，在甲板上浪水流高度上的水流速度分布视为恒定的。对于比浪越舷高度低的细长结构，可采用下列公式计算冲击载荷。

(3)

(4)

(5)

H=(0.001y2-0.0608y+1.1399)h

(6)

(7)

式中：Ftotal为总冲击力；Mtotal为总力矩；Cd为阻力系数；ρ为水密度；D为结构直径，m；T为波浪周期(14 s)；h为浪越舷高(2.3 m)；fb为干舷高(7.84 m)；u为横向速度；Hs为细长型结构距甲板的高度；H为在距离FPSO边缘y位置的上浪高度。

对于安装在低艉甲板的细长结构，根据式(3)～(7)计算极端情况下的最大冲击力和力矩，结果见表4。

表4 低艉甲板细长结构波浪载荷

以布置在低艉甲板的货油卸载管路为例，圆柱的阻力系数Cd为0.5，各管段的最大冲击力保守计算结果见表5。

表5 低艉甲板货油卸载管路甲板上浪冲击力

利用CAESAR II应力分析软件建立低艉甲板货油卸载管路的应力计算模型，采用分段加载的方式将计算得到的最大甲板上浪冲击力加载在各管段上，载荷相同的管段颜色一致，见图4。

图4 低艉甲板货油卸载管路应力计算模型

此处仅以管径762 mm的管段为例，说明上浪冲击载荷加载方式：在该管段模型上点选初始单元，双击均布载荷复选框，分别在3个向量列输入X/Y/Z方向的均布载荷，其中上浪冲击作用方向为X向，在向量1列选取载荷单位F/L，输入冲击力169 N/cm, 向量2和向量3列选取载荷单位G′s，分别输入Y/Z方向的船体加速值。

2.1.2 舷侧区域甲板上浪

1)板结构。根据甲板上浪试验报告，在最可能出现最大浪越舷的情况下，相应的冲击压力为4 kPa，该值适用于距离舷侧10 m以内大的平板结构。

2)细长结构。对于舷侧区域结构高度小于浪越舷高度的情况同样采用溃坝理论，依据2.1.1中公式计算细长结构的最大载荷和弯矩。对于主甲板上安装的消防管、泡沫管、玻璃钢管、海水提升管等细长圆柱型结构，所受的最大冲击载荷和阻力系数可根据表6、7获取。

表6 主甲板细长结构冲击载荷

表7 水动力载荷计算的阻力系数

以布置在主甲板舷侧的环形泡沫管路(管径114 mm)为例说明细长结构所受甲板上浪载荷的计算。根据表6可知在距离艉垂线91.0 m处的载荷最大，圆柱的阻力系数Cd为0.5，最大载荷44×Cd×D=2.5 kN。

利用CAESAR II应力分析软件建立环形泡沫系统的应力计算模型，采用同2.1.1节相同的上浪冲击载荷加载方式，局部模型见图5。

图5 主甲板环形泡沫管路应力计算模型

因沿船宽方向的管路受波浪冲击影响较小，在应力计算时可忽略不计，仅将计算所得的最大甲板上浪载荷加载到沿船长方向的管路上。在对管系进行应力、管道振动等内容的力学分析时：若因上浪载荷影响造成局部应力过大，可通过选取对应位置的上浪载荷来降低输入力值达到消除局部应力集中的目的；若因上浪载荷影响造成局部应力集中、局部共振、支架承受载荷过大，可通过改变管路走向、减小支架间距、增加支架或合理设置限位支撑的方式降低其应力水平，增强管路抗冲击强度。布置在舷侧的消防管路、玻璃钢管及海水提升管路亦可按照上述方式进行计算。

2.2 砰击

砰击主要包括艏底砰击和外张砰击。受此类砰击影响的结构有船艏TSS底部和侧面，低艉甲板延伸结构，舷侧区域舷外板型结构和细长型结构。因船艏底部、船艉延伸部分及舷外板型结构属于结构专业的范畴，本文不展开介绍，仅对舷外细长型结构所受的砰击载荷计算进行说明。

2.2.1 舷外水平细长结构砰击载荷

舷外水平细长圆柱结构上的波浪冲击见图6。水面以上部分结构的载荷在波浪冲击条件下进行评估，水面以下部分结构在水动阻力条件下进行评估，两者中的主导载荷用于结构校核计算。

图6 水平细长结构波浪冲击示意

1)冲击载荷。Kaplan在1992年给出了一种预测水平细长结构砰击力时程的方法。假设波浪垂直于圆柱的水平轴传播，圆柱单位长度竖直方向上的冲击力为[6]

(8)

圆柱单位长度水平方向上的冲击力为

(9)

2)水动阻力条件。对于全浸没结构，水动阻力为

Fd=0.5ρCdAu2

(10)

式中：Fd为单位长度的冲击力；ρ为水的密度；Cd为波浪冲击系数；A为浸水部分的面积；u为结构物与波浪相对速度。

海水提升系统中的海水、生产水排舷外管布置在船舶舷侧，需要考虑波浪拍击的影响，排舷外管的应力计算模型及管路放样模型见图7。对于图示水平管段(管径323.85 mm)，因其位于水线以上，所受横向冲击力Fx根据式(9)计算值为35.13 kN/m，所受垂向冲击力Fz根据式(8)计算值为46.02 kN/m。

2.2.2 舷外竖直细长结构砰击载荷

舷外竖直细长圆柱结构上的波浪砰击见图8。

图8 竖直管路受波浪砰击示意

波浪传播引起的水平载荷，根据竖直细长结构的形状系数，可应用线性波理论来估算。波浪撞击圆柱时，高度z处的波浪砰击力Fx可通过下式计算。

Fx(z,t)=0.5ρCsDu2

(11)

式中：Fx为单位长度的砰击力；ρ为水的密度；Cs为波浪冲击系数；D为直径；u为结构物与波浪相对速度。

冲击系数可由下式计算。

(12)

式中：D为直径；0

同样以海水提升系统中的海水、生产水排舷外管为例。在管路应力计算时，参数通常取保守值，水线以下部分波浪最大速度ux为9.1 m/s，uy为8.9 m/s，Cs(D)取0.8，根据式(12)计算水动阻力载荷Fx为11.11 kN/m，Fy为10.63 kN/m；水线以上部分波浪最大速度ux为8.3 m/s，uy为8.8 m/s，Cs(D/2)取0.766，根据式(12)计算砰击载荷Fx为8.76 kN/m，Fy为9.85 kN/m。结合2.2.1水平管段的计算结果，采用与2.1.1节相同的分段输入方式将水线以上部分所受的冲击载荷和水线以下部分所受的阻力载荷加载到管线上。因波浪砰击的影响，该段管路的支架间距较支架跨距表的要求有所减小，且需要在竖直管段增加止动支架来限制轴向位移及避免弯头部位的应力集中，另外也可通过修改管路材料及壁厚的方式增加管路的抗冲击强度。

3 结论

基于溃坝理论对舷侧和船艉区域细长结构的甲板上浪冲击载荷计算方法进行介绍，同时基于线性波理论估算的波浪在不同位置的可能最大相对速度，根据DNVGL-RP-C205推荐公式计算舷外水平及竖直细长结构的砰击载荷。针对布置于主甲板、舷外、船艏及艉部低艉甲板的关键性管路，利用CAESAR II软件建立管路的应力计算模型，采用保守的方法将得到的局部最大甲板上浪或砰击载荷分段加载到管路上，以便更全面地评估管路的抗冲击能力并优化管道布置，为后续类似船型的规范化应用提供参考依据。