FSRU动力模块及支撑结构强度评估

向小斌

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

0 引言

浮式储存再气化装置（Floating Storage and Re-gasification Unit，FSRU）是集液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）接收、存储、转运、再气化外输等多种功能于一体的特种装备。在LNG再气化过程中，需要庞大的电力消耗，因此在FSRU上往往会配置一个动力模块为LNG 的再气化提供能源支持。

FSRU 无论停靠码头在FSRU 模式下还是作为液化天然气船（Liquefied Natural Gas Carrier，LNGC）在航行模式下，由于船会随着不同的海况，产生变形及应力响应，其上配置的模块在船舶运动状态下也会产生相应的结构响应，结构的安全是船舶海上航行的基石，在设计初期就要对结构在可能的各种状态进行强度分析，从而保证结构的强度及安全。

本文以某LNG 船改装为FSRU 加装的动力模块为研究对象，根据其运营，运输过程中经历的极限状态进行模块，模块支撑件及主船体结构有限元直接计算，得到合理可行的结构设计方案。

1 动力模块及FSRU 基本情况

本动力模块长18 m、宽24 m、总高31 m，共分6 层。根据使用需要每层高度略有不同，最下层为发电机间，第2 层为发电机控制及为发电机正常工作的配置区域，第3 层为高、低压电力配置及变电区域，第4 层及以上为锅炉、焚烧炉等辅助设施配置区域。模块采用普通碳钢建造，模块支撑构件部分高应力区部分采用高强度钢。

模块重量重心及FSRU 主尺度见表1 和表2。

表1 模块各部分质心

表2 FSRU 主尺度

2 动力模块有限元模型

本文采用Sesam Genie 进行有限元建模，分析工具为Sestra，后处理工具为Xtract。在结构线弹性范围内进行强度分析。

模型包含了动力模块，模块支撑结构及主船体结构，具体范围如下：垂向从船舶基线到模块顶端，横向范围为船舶左舷到右舷，纵向范围为艉封板到18 号肋位。

模型坐标系选取如下：x轴正向沿船体纵向指向艏部，y轴正向沿船宽方向指向左舷，z轴正向垂直于基线指向上方。

有限元整体模型见图1，模型完全按照结构设计尺寸等比例建模，模型中主要设备采用质量单元进行模拟，其余结构采用板或梁单元进行模拟，见图2～图4。

图1 整体有限元模型示意图

图2 动力模块发电机质量模拟示意图

图3 动力模块电气主要设备模拟示意图

图4 动力模块轮机主要设备模拟示意图

3 分析输入条件

根据本船入籍要求，对于在码头系泊工作模式采用英国劳氏船级社（Lloyd's Register of Shipping，LR）相关规范[1]进行强度评估；对于运输模式则采用LR 对LNG 运输船的相关要求进行强度评估。

计算主要考虑的载荷为永久性载荷（Permanent Load，PL），功能性载荷（Functional Load，FL），可变载荷（Live load，LL），码头系泊加速度（Site Inertial Load，SIL），航行加速度（Transit Inertial Load，TIL），风载荷（Wind Load，WL），船体梁变形（Hull Deformation，HD），碰撞载荷（Accidental Load，AL），上浪载荷（Green sea load，GL）等。

3.1 永久性载荷及功能性载荷

永久性载荷主要为结构、电缆、舾装件、设备等的自重，见表1；功能性载荷主要为设备运转时产生的动态载荷。由于模块处于设计阶段，质量未完全确定，在设计时需考虑裕度如下：

1）焊接材料及油漆系数取0.03。

2）质心移动系数取0.05。

3）质量裕度系数取10%。

根据设备资料，设备运转时的动态载荷可忽略不计。在实际分析中，对于主要设备取10%设备自重作为其运转时的动态载荷进行考虑。

用于模块整体强度计算的模块总质量及重心位置见图5，模块整体质量约为1 500 t。

图5 模块质心模拟

3.2 可变载荷

可变载荷主要为人员行走时的载荷，参照LR规范[1]的相关要求，实取5 kN/m2，在有限元模型中以面载荷的形式加载于甲板非设备区域。

3.3 加速度载荷

在FSRU 模式时根据工作海域海洋环境数据进行加速度直接计算，得到FSRU 状态下的加速度。在LNG 运输船模式时根据相关规范[2]推荐公式进行加速度计算，FSRU 模式及LNGC 模式下加速度值见表3。

表3 模块运动加速度

3.4 风载荷

根据海洋环境数据，在FSRU 模式下，工作海域的风速取28.2 m/s，作为LNG 船全球航行时风速取36.0 m/s。风压载荷参照LR 规范[1]进行计算：

式中：Cs为形状系数，取1；Ch为高度系数，按照高度分布取1.0～1.3；Vref为计算点处风速。

在有限元模型中，风载荷以面压力的形式施加在模型外表面。

3.5 船体梁变形

由于动力模块在艉部，下部线型非常尖瘦，静水弯矩及波浪弯矩均可以忽略，艉部结构可视为悬臂梁结构，在结构自重作用下主要变形形式为梁变形。

3.6 船体碰撞载荷

根据国际海事组织（International Marine Organization，IMO）[3]的相关要求，碰撞载荷取艏向0.50g（g为重力加速度，取9.81 m/s2），艉向0.25g。

3.7 上浪载荷

在FSRU 模式下，由于工作海域浪高较小，无法打到甲板上，因此未考虑上浪载荷。

在LNG 运输船模式下，上浪载荷根据LR 相关规范[1]进行计算。在艉部区域，距基线21.5 m 处，上浪载荷约50 kN/m2。并考虑上浪载荷沿垂向线性分布，上浪最大高度约26 m。

4 组合计算工况

将第3 节所述各项载荷，即永久性载荷、功能性载荷、可变载荷、码头系泊加速度、航行加速度、风载荷、船体梁变形、碰撞载荷、上浪载荷等按照船舶在FSRU模式和LNGC模式这两种模式下进行结构受力组合。模块计算组合工况见表4。

表4 模块计算组合工况

考虑模块在FSRU 模式时在码头系泊状态下计算工况，由于该工况环境载荷较小，选取主要运动方向进行工况组合，按照逆时针方向每90°设为一个工况，见工况LC-b01～LC-b04。

考虑模块在LNGC 模式时全球航行状态下计算工况，由于该工况环境载荷较为恶劣，为细致评估结构受力响应，在主要运动方向基础上再增加4个中间运动方向进行工况组合，按照逆时针方向每45°设为一个工况，见工况LC-b11～LC-b18；

考虑模块在FSRU 模式时在码头系泊状态下艏艉方向遭遇碰撞时的计算工况。见工况LC-c025g和LC-c050g。

5 结构许用应力

本模块及主船体主体结构采用屈服应力为235 MPa 的普通碳钢。模块与船体连接结构部分包含2 种材料，一种为屈服应力235 MPa 的普通碳钢，另一种材料为屈服应力355 MPa 的高强度钢，根据LR 相关规范[1]，结构剪切应力安全系数取1.89，梁结构轴向应力安全系数取1.25，结构组合应力安全系数取1.11，许用应力见表5。

表5 结构许用应力 单位：MPa

6 分析结果

采用Sesam Genie 有限元分析软件，计算得到模块在不同工况下的结构响应。普通钢结构和高强度钢结构最大组合应力云图分别见图6 和图7。对于普通钢结构，最大组合应力发生在主船体横向框架支柱肘板处；对于高强度钢结构，最大组合应力发生在模块与主船体连接肘板处，此处应力集中较为明显，设计及分析时需要重点关注。普通钢结构和高强度钢结构各工况最大结构应力统计分别见表6 和表7，在各种环境载荷条件下，结构各工况最大响应满足表5 所列许用应力的要求。

图6 普通钢结构最大组合应力云图（单位：Pa）

图7 高强度钢结构最大组合应力云图（单位：Pa）

表6 普通钢结构各工况最大结构应力统计 单位：MPa

表7 高强度钢结构各工况最大结构应力统计 单位：MPa

7 结论

本文通过对FSRU 动力模块及其支撑结构的直接计算分析，得到了所有结构在工作、航行状态下极限海况的结构响应。通过对计算结果的分析，针对结构的不足采取了加强及优化措施，保障了模块在实际使用中的完整性和安全性。

传统计算模式得到的约束处支反力过大，本计算对模块、模块支撑件和船体结构一体建模，既可对分项结构进行强度评估，又达到了整体强度评估的要求，还能有效节省加强材料。

在整个模块的建模过程中，采用质量单元模拟主要设备的方法，既满足了分析的要求，又达到了设备受力自动分配到支撑结构的效果，显著减少了人工分解受力带来的巨大工作量，有效保证了受力分配的可靠性。