单点载荷作用下FLNG弯扭强度研究*

张倩倩 胡志强 陈 刚 赵晶瑞

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室 上海 200240; 2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心 上海 200240; 3.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；4.中海油研究总院 北京 100028)

单点载荷作用下FLNG弯扭强度研究*

张倩倩1,2胡志强1,2陈 刚1,3赵晶瑞4

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室 上海 200240; 2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心 上海 200240; 3.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；4.中海油研究总院 北京 100028)

利用有限元分析技术和SESAM软件，以中海油研究总院与中国船舶海洋工程设计研究院联合设计的FLNG为研究对象，建立了FLNG有限元模型、质量模型及水动力模型；针对压载、满载及75%装载工况，开展了FLNG波浪载荷长期预报，获取了极端海况条件设计波参数；利用DeepC软件开展耦合分析，获得了FLNG系泊系统单点载荷；考虑静水、波浪诱导载荷及系泊单点载荷联合作用，研究了FLNG弯扭结构强度。研究表明：FLNG结构刚度较高，在百年一遇海况下结构变形控制在较理想范围内，货舱区域应力水平较低；单点载荷对整船变形及装置货舱段结构强度影响较小；货舱围护系统在整船弯扭变形中较为安全。

FLNG；弯扭强度；有限元分析法；波浪载荷预报；单点系泊载荷

FLNG 是一种专门用于开采海上天然气的新型浮式装置，它是依靠系泊系统长期定位于作业海域，因此必须拥有抵御百年一遇台风的能力[1]。FLNG属于大型的船型海洋工程结构物，其结构强度特点研究可以参考FPSO和海洋平台的结构强度研究方法。目前，国内关于FLNG结构强度方面的研究并不充分，张东伟 等[2]采用数值模拟方法研究了FLNG舷侧结构的抗撞性能，通过在舷侧模型中详细建立围护系统模型，并根据围护系统的失效提出了FLNG碰撞的极限状态；江建协 等[3-4]分别采用规范校核总纵强度和局部有限元分析法研究了FPSO强度特点，分析装置运动及波浪诱导载荷规律；杨贵强[5]研究了FPSO的总纵强度计算方法，认为FPSO的船型及承受的波浪条件不同于普通船舶，恶劣海况下必须用直接计算法进行强度评估；徐亦斌 等[6]对内转塔式FPSO进行了局部强度分析；张海彬[7]研究了FPSO和半潜式平台线性及非线性波浪载荷计算方法，认为锚泊系统对FPSO的运动和波浪载荷影响随着水深的增加有增大趋势；张海彬 等[8-10]研究了半潜式平台的波浪载荷预报、整体结构强度分析及关键结构极限强度的计算方法；孙立强 等[11-12]采用有限元法和设计波法，忽略风和流的影响，分析了风暴自存工况下非对称主体结构半潜式重型起吊平台总体强度，并结合冰载荷研究了深水半潜式钻井平台总体强度；曹剑锋 等[13]基于Ansys/AQWA软件，对极大型浮式结构物进行水动力响应分析及波浪载荷预报，分析其总体强度；杨川 等[14]综合考虑风、浪和流联合作用，将设计波浪载荷及风力、流力和系泊力作用下的总体结构有限元计算结果叠加，研究了Spar平台总体强度。上述研究中，海洋工程结构物及常规船舶的整体弯扭强度研究均没有考虑货舱围护系统，FPSO、半潜式平台和超大型浮式结构物的总体强度研究通常不把单点载荷作用和波浪诱导作用联合考虑，常规船亦是无需考虑系泊载荷。FLNG结构与传统海洋工程结构物及常规船型均有较明显的区别，因此，整体结构变形是否会对液舱围护系统产生影响以及单点载荷会在多大程度上影响总纵强度水平是FLNG结构强度研究的重点。

本文以中海油研究总院与中国船舶海洋工程设计研究院联合设计的FLNG为研究对象，利用有限元技术和SESAM软件，针对压载、满载和75%装载工况分别在频域和时域分析中研究FLNG的波浪诱导载荷及系泊载荷，计算得到组合工况下FLNG弯扭强度，综合分析装置内壳应力水平及变形，评估货舱围护系统的安全性，并总结FLNG弯扭强度特点。

1 FLNG有限元模型

本文以中海油研究总院与中国船舶海洋工程设计研究院联合设计的FLNG为研究对象，使用SESAM软件对FLNG进行全船有限元分析，FLNG弯扭强度分析基本计算流程见图1。该FLNG总长340 m，型宽61 m，型深37 m，选取压载、满载和75%装载情况进行研究，其主尺度参数见表1。

图1 FLNG弯扭强度分析基本流程Fig.1 Flow chart of global bending-torsion strength analysis of FLNG

表1 FLNG主尺度参数Table 1 Main dimensions of FLNG

1.1 水动力模型

将FLNG外壳定义为湿表面，取O-XYZ右手直角坐标系，坐标原点在装置尾部基线处，沿着船长方向指向船首为X方向，指向左舷为Y方向，沿着型深方向为Z方向，如图2所示。

图2 FLNG水动力模型Fig.2 Hydrodynamic model of FLNG

1.2 结构质量模型

建立FLNG有限元模型，模型纵向构件包括甲板、外板、内底板、内壳纵舱壁、中纵舱壁、纵桁、纵骨等，横向构件包括横向框架、横舱壁等。梁单元模拟纵骨、扶强材，板单元模拟装置的内外板、舱壁及桁材等其他构件。FLNG质量为15万t，其中装置钢结构质量约为7.4万t，围护系统质量约为0.5万t，上部模块质量约为3.5万t，管路、电气、舾装、设备等其他部分质量约为3.6万t，通过调整舱段密度及设置质量点的形式调整空船质量模型。FLNG全船有限元模型包括465 748个节点和697 654个单元，如图3所示。为方便了解其货舱结构，截取中间舱段模型，如图4所示。

图3 FLNG有限元模型Fig.3 Finite element model of FLNG

图4 FLNG装置中LNG段有限元模型Fig.4 Finite element model of FLNG device LNG cargo

针对压载、满载及75%装载工况，在SESAM/Hydrod模块中分别根据实际装载工况的液舱装载量情况调整全船的质量模型，使得最终质量模型的重心及质量分布符合实际装置在该装载工况下的位置及分布。

2 计算工况和外载荷分析

FLNG采用单点系泊系统定位方式，在海洋环境中将承受重力、浮力、风、浪、流等载荷的作用，单点处的载荷体现了FLNG在风、海流和波浪平均漂移力作用下的结构响应。FLNG装置湿表面的水动压力以及液舱内LNG、LPG等货油、淡水和压载水的静载荷和运动引起的惯性载荷，通过SESAM程序可以自动将其加载到有限元模型上。

2.1 波浪诱导载荷

研究FLNG弯扭结构强度，需要对其多个受力状态进行分析，如最大垂向弯曲、最大垂向剪切和最大扭矩等。FLNG的质量分布与常规船不同，上部生产模块重心较高，而LNG密度较小，使得FLNG的重心比较高，极端海况条件下装置上部生产模块摇荡比较剧烈，装置运动幅度较大，惯性力较大，上部模块与甲板之间连接可能引起甲板区域结构处于高应力水平，故有必要对其进行加速度预报。选取船中(1/2L)垂直弯矩及剪力，距船尾1/4L、3/4L处扭矩及垂直剪力以及左右舷舷顶列板与甲板边板相交点处A、B、C、D共4个点(图5)的垂向加速度作为选取设计波的控制参数，如表2所示。

图5 FLNG设计波控制参数选取点A、B、C、D位置示意图Fig.5 Positions A,B,C and D of FLNG design wave control paramters

表2 FLNG设计波控制参数的选取Table 2 FLNG design wave selection of control parameters

由于FLNG内转塔在船首，采用单点系泊定位，船首与波浪的夹角通常在较小范围之内，其浪向角搜索范围是145°～180°，共8个浪向；波浪频率搜索范围是0.05～1.50 rad/s，间隔0.05 rad/s，共30个频率，分别计算相应特征波浪载荷的传递函数。以满载工况为例，FLNG的垂荡运动、横摇运动、船中垂直弯矩、距船尾1/4L截面扭矩及垂直剪力和C点垂向加速度的传递函数如图6所示。

采用南海波浪散布图[15]和JONSWAP谱，谱峰因子为2.4，各个浪向等概率作用在装置上，进行波浪载荷长期预报获得重现期为100年的装置垂直弯矩、垂直剪力、扭矩及加速度值，并获得主要计算工况的等效设计波。限于篇幅，本文仅展示如表3～5所示的部分设计波参数。

通过长期预报得到压载、满载及75%装载工况的垂直弯矩、垂直剪力及扭矩(100年重现期)沿船长的分布曲线，如图7所示,图中站号为从船尾至船首，纵向从0站到20站(FLNG长340 m，每站17 m)。从图7可以看出，FLNG最大垂直弯矩出现在船中位置，垂直剪力在距船尾1/4L及3/4L附近出现峰值，扭矩在距船尾1/4L附近出现峰值。

图6 FLNG满载工况下运动及载荷传递函数Fig.6 Motion and load transfer functions for FLNG full load working condition

表3 压载工况下FLNG主要计算工况的设计波参数Table 3 Design wave parameters of mainly calculate conditions for FLNG ballast condition

表4 满载工况下FLNG主要计算工况的设计波参数Table 4 Design wave parameters of main calculate conditions for FLNG full load

表5 75%装载工况下FLNG主要计算工况的设计波参数Table 5 Design wave parameters of main calculate conditions for 75% load

图7 长期预报值沿FLNG长方向分布(100年重现期)Fig.7 Long term prediction values distribution along FLNG hull(100 year return period)

2.2 单点系泊载荷

FLNG单点系泊系统能够使装置在海洋环境中规避较大的风浪，处于受力相对较小的状态。系泊系统的受力主要取决于风、浪、流的联合作用，FLNG在这3个力的合力及系泊力的共同作用下保持动态平衡状态[16]。

本研究中采用的系泊系统锚链分为3组，每组5根锚链，总共15根锚链，每组之间夹角为120°，每组内2根锚链夹角为5°，如图8所示。根据频域范围分析FLNG的运动特性，建立FLNG装置与系泊系统耦合的数值分析模型，如图9所示。利用DeepC模块模拟百年一遇台风海况3 h下的环境条件，获得系泊锚链顶端张力时历结果。由于FLNG波浪诱导载荷是通过一百年长期预报获得，故取百年一遇海洋环境参数研究系泊载荷，如表6所示。根据不同设计波的浪向，取风、浪、流组合场景，使得该场景下的浪向与波浪诱导载荷浪向相一致。

图8 FLNG锚链布置图[17]Fig.8 FLNG mooring system

图9 FLNG与系泊系统耦合的数值分析模型Fig.9 FLNG numerical analysis model of coupling with mooring systems

表6 海洋环境参数Table 6 Parameters of the environmental conditions

在波浪载荷整船强度计算中，采用的是准静态计算方法，等效为某一时刻规则波作用在装置上的强度，故对于单点载荷也应选取为某一时刻的载荷，使其与波浪载荷计算一致。根据FLNG运动时历，选取各个工况下首摇为0的时刻，使得该时刻下的波浪方向与船首夹角和设计波一致，提取该时刻下各个锚链的张力分量，计算获得作用于装置上的系泊系统单点载荷，如表7所示。

表7 FLNG单点系泊载荷分量Table 7 Components of FLNG single mooring loads

3 整船强度特点分析

3.1 整船变形分析

根据是否考虑单点载荷情况，分别获得FLNG斜浪弯扭变形云图及装置梁弯扭最大变形量，如图10、表8所示。计算结果表明，FLNG整体变形量在合理范围内，单点载荷作用轻微地减小了整体的最大变形量，但对整体的变形影响并不大。由于FLNG所有肋位均布置强框架，故装置结构刚性较高，装置变形不大。FLNG的LNG舱居于船中，LPG和凝析油舱位于船尾，其质量分布特殊，船中较轻，首尾质量相对较大，使得装置的中拱静水弯矩较大，故极端海况下装置的中拱变形状态较为危险。由于单点载荷作用点位于装置梁的首端，垂直向下的分量较大，使得装置产生中垂变形，从而抵消一部分极端海况下装置的中拱变形，而载荷作用点距离船首约束点较近，而距离船中较远，故对整船的变形影响较小。

3.2 应力结果分析

图10 B1工况下FLNG梁变形图Fig.10 FLNG beam deformation graphs for B1 condition

表8 考虑单点载荷和不考虑单点载荷FLNG梁最大变形量Table 8 Considering a single point load and not considering single point load FLNG beam deformation

分析计算结果可知，FLNG货舱区域整体应力水平较低，如图11所示。由于FLNG货舱围护系统采用NO96型，装置梁的惯性矩储备比较好，采用双层底、双层甲板、双层横舱壁以及双层纵向隔离舱壁的布置，非常有利于减小主要支撑构件的跨距和增加主要支撑构件的翼板宽度；采用双排LNG液货舱，且每档肋位处均设置强框架，抵抗弯扭能力较强，因此结构的刚度和强度都大。在FLNG结构设计中，由于其整体强度十分富裕，则应当以局部强度作为控制工况。

图11 B1工况下FLNG中舱段主要构件应力分布Fig.11 B1 conditions FLNG tank in the period of the stress distribution of main components

各个工况计算结果表明，取距FLNG船船尾1/4L截面处扭矩、船中垂直弯矩、距船尾3/4L甲板边板处垂向加速度为载荷控制参数，进行强度计算的应力结果偏大，该工况下各主要构件的最大Von Mises应力如表9所示。结果表明，相对于迎浪而言，斜浪工况对FLNG结构强度的要求较高。由此可知，FLNG重心高，上部模块质量大，装置运动引起的惯性力对于下部装置结构产生较大的影响，斜浪状态下这种影响最为明显。

表9 典型压载工况下FLNG主要构件最大Von Mises应力Table 9 Maximum Von Mises stresses of the main components for the typical ballast conditions

通过对比发现，将单点载荷作用考虑到装置弯扭强度分析中，装置中货舱区各主要构件的最大Von Mises应力反而比不考虑单点载荷情况下的应力小2 MPa左右，但单点载荷对装置系泊点附近区域影响较大。由上述分析可知，单点载荷作用可以抵消部分中拱变形，减小承担中拱变形的装置中段结构应力水平，其作用点距离船首约束点较近，作用力臂较小，而船中距离船首约束点较远，因此单点载荷对船中货舱区结构强度的影响并不大，对船首系泊点附近结构影响较大。所以，在FLNG货舱舱段强度分析中，不考虑系泊系统单点载荷的结果反而偏于保守，而船首局部结构强度分析中必须要考虑单点载荷作用。

对于75%装载工况，仅装置中间2个压载舱内装满，恰好处于FR170和FR210处的水密舱壁之间，该处压载舱舱壁单向承受压载水载荷，其底边舱肋板处于高应力区。当大构件承受较大载荷时，如果存在结构不连续性，必然会产生应力集中现象，故需要对这些部位进行详细建模，开展局部详细应力分析，若强度不够，则需要采取局部加强措施，如局部钢板加强或增加加强筋等。FLNG区别于LNG运输船的最大特点之一就是各个液货舱装载量的不确定性，故需要针对多种装载工况进行结构强度计算，建议对于类似单侧承载较大液体载荷的舱壁都进行局部详细应力分析，并校核其强度是否足够。对于压载、满载工况，压载水舱均空或者均满，舱与舱之间的横舱壁受到双侧压载水的挤压，总体合力较小。同样，单方向上的液货压力会使横舱壁变形很大，但在相邻横舱壁之间的隔离空舱设有横向桁材，传递两侧舱壁的挤压，使得液舱舱壁整体变形不大，且应力水平不高。

3.3 围护系统安全性评估

FLNG货舱围护系统采用NO96型，这是区别于FPSO最大的特点之一，围护系统设备商对LNG液货舱的内壳应力附有特殊的要求，且围护系统不能承受大的变形。FLNG货舱围护系统的研究可以参照LNGC相关的规范和研究成果。图12a为压载斜浪扭转工况下FLNG装置内壳应力分布，内壳最大Von Mises应力为95.1 MPa，舱段内壳材料为普通钢Q235，经计算屈服利用因子小于0.5。综合分析其他工况计算结果，内壳满足纵向应力小于120 MPa,屈服利用因子小于0.75的条件，认为货舱区域装置内壳应力水平可以满足设备商的要求[18-19]。另外，Han[20]在研究LNGC船冰碰撞时，认为装置内壳的最大变形量为70 cm。本研究中的装置舱段内壳相对变形量很小，以B1工况中纵舱壁为例，如图12b、c所示，Y方向相对变形量不足8 mm，Z方向相对变形量小于40 mm，远小于70 cm。因此，在极端海况下FLNG船货舱围护系统在整船弯扭变形中比较安全。

图12 FLNG装置B1工况舱段内壳应力分布及中纵舱壁变形Fig.12 Stress distribution of inner hull and deformation of the middle longitudinal bulkhead for B1 condition

4 结论

1) 由于FLNG每个肋位均为强框架结构，总体结构强度较大，故其抵抗总纵弯曲的能力较强，在百年一遇风浪海况下整船变形在合理范围之内，货舱区域应力水平较低。

2) FLNG重心高，运动引起的惯性力对下部装置结构产生较大影响，斜浪状态下这种影响最为明显。

3) 单点载荷对船中货舱区结构强度的影响并不大，而对船首系泊点附近结构强度的影响较大,因此在FLNG货舱舱段强度分析中不考虑系泊系统单点载荷的结果偏于保守，船首局部结构强度分析中必须要考虑单点载荷的计算。

4) FLNG抵抗弯扭载荷过程中，装置内壳的应力水平较低且相对变形量较小，围护系统安全。

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(编辑：叶秋敏)

Bending-torsional strength of FLNG with single point loads

ZHANG Qianqian1,2HU Zhiqiang1,2CHEN Gang1,3ZHAO Jingrui4

(1.StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China; 2.CollaborativeInnovationCenterforAdvancedShipandDeep-SeaExploration(CISSE),Shanghai200240,China; 3.MarineDesign&ResearchInstituteofChina,Shanghai200011,China; 4.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Based on the finite element analysis methodology and SESAM software, the finite element model, mass model and hydrodynamic model of the FLNG designed by CNOOC Research Institute and Marine Design & Research Institute of China were established.For ballast, full load and 75% load scenarios, the long term predictions of wave loads were performed through the coupling analysis.Meanwhile, the design wave parameters were acquired under the extreme sea conditions.Bending-torsional strength of the FLNG vessel was investigated, considering the still water and wave-induced loads with single point mooring loads simultaneously.It is concluded that the structural rigidity of FLNG is satisfying and strain level of cargo area is within the safety range under the 100-year wave condition.The deformation of the global hull and structural strength of the cargo hold are less affected by single point loads.The security of the cargo containment system under bending-torsional deformation of global hull can be guaranteed.

FLNG; bending-torsional strength; finite element method; wave load prediction; single point load

*国家自然基金重点项目“畸形波的动力学机理及其对深海平台强非线性作用研究 (编号：51239007) ”部分研究成果。

张倩倩，女，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院在读硕士研究生，主要研究方向为船舶与海洋工程结构物结构强度。地址：上海市闵行区东川路800号(邮编：200240)。E-mail:zqq_137@sjtu.edu.cn。

1673-1506(2017)01-0124-09

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.019

张倩倩,胡志强,陈刚，等.单点载荷作用下FLNG弯扭强度研究[J].中国海上油气，2017,29(1)：124-132.

ZHANG Qianqian,HU Zhiqiang,CHEN Gang,et al.Bending-torsional strength of FLNG with single point loads[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):124-132.

U661.43

A

2016-06-14 改回日期：2016-07-25