劉劍楠，夏華波，蘭慶世，韋曉強(qiáng)，吳昊

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

FSRU是浮式液化天然氣儲(chǔ)存再氣化裝置，F(xiàn)SRU由于建設(shè)速度快、投資低、環(huán)境友好等特點(diǎn)而倍受青睞。隨著清潔能源市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)FSRU的需求穩(wěn)步提升。LNG船改造為FSRU，由于船舶作業(yè)工況和環(huán)境條件的變化，對(duì)改造后的FSRU的船體結(jié)構(gòu)提出了新的要求。能否在原LNG船船體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)?shù)母脑?，滿足FSRU的作業(yè)要求，需要在船體總縱強(qiáng)度、局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和系泊設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等技術(shù)方面進(jìn)行分析論證。本文以某薄膜型LNG運(yùn)輸船為例，對(duì)改造FSRU從船體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，為相關(guān)項(xiàng)目的前期研究和工程的建造提供參考。

1 改造方案

改造目標(biāo)LNG運(yùn)輸船的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 改造目標(biāo)LNG運(yùn)輸船主要參數(shù)

該LNG運(yùn)輸船采用蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)方式，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備主要有主鍋爐、主透平、透平發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)；液貨系統(tǒng)有4個(gè)薄膜型LNG液貨艙、泵塔、主液貨泵、掃艙噴淋泵、應(yīng)急液貨泵、揮發(fā)氣回氣壓縮機(jī)、燃?xì)鈮嚎s機(jī)等。

根據(jù)ABS“液化天然氣再氣化船入級(jí)與建造指南”，對(duì)于營(yíng)運(yùn)的常規(guī)LNG船通過(guò)加裝再氣化裝置改造為FSRU，只需滿足ABS的LNG船入級(jí)與建造規(guī)范及IGC Code之相關(guān)規(guī)定，并重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)與布置的設(shè)計(jì)，使再氣化裝置得以安全運(yùn)作。主要改造內(nèi)容是在艏部增加再氣化模塊，舯部增加壓縮機(jī)室和艉部增加電站模塊。見(jiàn)圖1。

船體改造評(píng)估主要包括再氣化裝置、護(hù)舷、系泊等增加的設(shè)備對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響，以及規(guī)范中防撞要求對(duì)船體改造的影響。以ABS船級(jí)社“液化天然氣再氣化船入級(jí)與建造指南”為指導(dǎo)，擬針對(duì)以下主要結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目分別進(jìn)行技術(shù)評(píng)估：主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核評(píng)估[1]；再氣化模塊支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；護(hù)舷結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案；新增系泊設(shè)備結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案；液貨艙晃蕩分析。

2 主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核評(píng)估

改造FSRU主要為靠岸氣化工況，使用航行工況較少，原則上應(yīng)該使用實(shí)際波浪載荷計(jì)算結(jié)果和規(guī)范法計(jì)算對(duì)比，采用數(shù)值較大的作為結(jié)構(gòu)計(jì)算輸入。FSRU靠岸工況作業(yè)環(huán)境條件溫和，遠(yuǎn)不及作為航行工況的北大西洋環(huán)境惡劣，故船體結(jié)構(gòu)采用規(guī)范法進(jìn)行計(jì)算校核。

2.1 船體梁載荷

根據(jù)原有LNG船數(shù)據(jù)資料，本船改裝前船體(船中區(qū)域)梁載荷計(jì)算如下。沿船長(zhǎng)各橫剖面的中拱波浪彎矩Mw(+)和中垂波浪彎矩Mw(-)應(yīng)按下列各式計(jì)算：

Mw(+)=+190FMCL2BCb×10-3

Mw(-)=-110FMCL2B(Cb+0.7)×10-3

(1)

式中：FM為彎矩分布系數(shù)；Cb為方形系數(shù)；L為船長(zhǎng)；B為船寬。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 改裝前航行狀態(tài)LNG船船體梁載荷 kN·m

本船改裝主要的工作為在艏部增加再氣化模塊和在艉部增加電站模塊。主要結(jié)構(gòu)件未作改動(dòng)，只有局部艙室，如機(jī)艙、艏部柴油艙等進(jìn)行改造和局部加強(qiáng)。改裝后要求具備自航能力，且為無(wú)限航區(qū)。根據(jù)新增的模塊重量載荷分布以及初步裝載手冊(cè)，改裝后船體梁航行狀態(tài)載荷計(jì)算方法同上，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、4。根據(jù)ABS船級(jí)社的《浮式海工液化氣體終端入級(jí)與建造指南》，系泊狀態(tài)波浪彎矩的取值不小于無(wú)限航區(qū)海況下波浪彎矩值的85%。

表3 改裝后航行狀態(tài)FSRU船體梁載荷 kN·m

表4 系泊狀態(tài)LNG船船體梁載荷 kN·m

2.2 船體梁總縱強(qiáng)度評(píng)估

按照ABS船級(jí)社“液化天然氣再氣化船入級(jí)與建造指南”規(guī)范規(guī)定，在甲板處和龍骨處的船中最小剖面模數(shù)W0應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得之值:

W0=n1CL2B(Cb+0.7)k×10-6

(2)

式中：n1為航行系數(shù)；k為材料系數(shù)；Cb為方形系數(shù)；L為船長(zhǎng)；B為船寬。

規(guī)范規(guī)定的船中剖面對(duì)水平中和軸的慣性矩I應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得之值。

(3)

(4)

(5)

其中：Wd為甲板處的剖面模數(shù)；Wb為龍骨處的剖面模數(shù)；船體梁的許用彎曲應(yīng)力[σ]按下述規(guī)范要求確定。

[σ]=175/kMPa，船中0.4L區(qū)域；

[σ]=125/kMPa，船端0.1L區(qū)域。

其余區(qū)域用線性內(nèi)插法求得，其中k為材料系數(shù)。

本FSRU船中區(qū)域的甲板和底部區(qū)域主要采用普通鋼，因而其材料系數(shù)k=1，可以得到其許用應(yīng)力為[σ]=175/k=175 MPa。

(6)

根據(jù)初步裝載手冊(cè)，通過(guò)包絡(luò)方法可以得到船中最大的中拱和中垂靜水彎矩值，考慮一定設(shè)計(jì)裕量，得出其實(shí)際的設(shè)計(jì)彎矩，并與規(guī)范允許值進(jìn)行比較。

(7)

剖面的設(shè)計(jì)彎矩值小于規(guī)范允許值，則其彎曲強(qiáng)度校核滿足規(guī)范要求。

改裝為FSRU總縱強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表5。船體梁各個(gè)位置實(shí)際剖面系數(shù)據(jù)來(lái)源于ABS規(guī)范計(jì)算軟件。

表5 FSRU船體梁總縱強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

本船改造為FSRU后，經(jīng)初步評(píng)估，系泊狀態(tài)和航行狀態(tài)船體梁總縱強(qiáng)度滿足要求。GTT內(nèi)甲板應(yīng)力壓載工況滿足要求，考慮到GTT的應(yīng)力限制120 MPa是基于殷瓦鋼疲勞緣故，且改裝后FSRU部分時(shí)段服役于碼頭，GTT內(nèi)甲板應(yīng)力可以接受。

2.3 晃蕩分析

FSRU作為連接陸地天然氣用戶和LNG運(yùn)輸船的中轉(zhuǎn)站，是常年漂浮在固定海域的海上存儲(chǔ)終端。由于FSRU長(zhǎng)期漂浮在近海上經(jīng)受波浪沖擊，使得液貨艙內(nèi)的LNG不斷晃動(dòng)，一旦其運(yùn)動(dòng)的固有周期接近船體運(yùn)用固有周期時(shí)，將出現(xiàn)液貨艙晃蕩共振，對(duì)LNG貨艙造成較大破壞，嚴(yán)重威脅FSRU的安全和可靠性。其次，根據(jù)FSRU操作工況，F(xiàn)SRU的貨艙無(wú)裝載液位限制，因此需對(duì)FSRU液貨艙晃蕩進(jìn)行專項(xiàng)分析研究，并通過(guò)液貨艙晃蕩試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[2]。

根據(jù)ABS船級(jí)社“浮式海工液化氣體終端入級(jí)與建造指南”的要求，通常需要對(duì)圍護(hù)系統(tǒng)、泵站、船體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行晃蕩計(jì)算[3]。采用Safe-LNG規(guī)范計(jì)算軟件對(duì)LNG船在不限液位的工況下進(jìn)行了液艙晃蕩計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示本船液貨艙縱向艙壁板基本都能滿足晃蕩壓力要求。液艙晃蕩分析模型見(jiàn)圖2。

圖2 液艙晃蕩分析模型

本船系泊狀態(tài)，船體運(yùn)動(dòng)顯著小于無(wú)限航區(qū)。根據(jù)與ABS船級(jí)社進(jìn)行的技術(shù)咨詢，F(xiàn)SRU模式下環(huán)境參數(shù)β值可取為無(wú)限航區(qū)的85%，初步評(píng)估全船液艙構(gòu)件的尺寸將滿足晃蕩壓力的要求。

3 再氣化模塊支撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

14.7萬(wàn)m3LNG船改造為FSRU，需要在艏部安裝再氣化裝置。根據(jù)總布置設(shè)計(jì)，再氣化裝置將安裝在第一貨艙穹頂甲板上，分為左中右3個(gè)模塊布置在第一貨艙靠前的位置，通過(guò)模塊支撐座與主船體結(jié)構(gòu)連接，見(jiàn)圖3。

圖3 再氣化裝置模塊布置示意

固定左右2個(gè)在氣化裝置的是由再氣化裝置廠家設(shè)計(jì)的梁架，梁架通過(guò)支撐座與船體結(jié)構(gòu)相連，并焊接牢固。一個(gè)模塊下面分別對(duì)應(yīng)4個(gè)支撐座，支撐座盡可能布置在船體強(qiáng)框架和甲板縱骨相交的位置處。圖4為支撐座示意，支撐座端部支撐肘板的圓弧大小根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保支撐座的強(qiáng)度滿足船級(jí)社要求[4-5]。

圖4 再氣化裝置模塊支撐座示意

基于局部有限元強(qiáng)度分析，船體結(jié)構(gòu)與支撐座相連的部分有局部構(gòu)件的，其形式和尺寸需重新設(shè)計(jì)并作校核。在改造過(guò)程中，以重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)替換原船體對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

4 護(hù)舷結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案

4.1 靠泊對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)影響的比較

作為FSRU，其靠泊的碼頭一般為jetty形式，jetty型的靠泊墊相對(duì)靠近海面，作用于船體的位置也相應(yīng)在水線附近。相比而言，常規(guī)碼頭的靠泊墊位置較高，通常在基線15.5 m到22.6 m的位置，甚至有更高的可以作用到舷頂列板上。作為常規(guī)性LNG船，14.7萬(wàn)m3LNG船的設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足?？砍Ｒ?guī)LNG港口碼頭的能力[6]。

由于水線附近舷側(cè)外板及其上縱骨的尺寸相對(duì)于靠近舷頂位置的舷側(cè)構(gòu)件尺寸要大，因此考慮到14.7萬(wàn)m3LNG船的舷側(cè)結(jié)構(gòu)在靠泊常規(guī)港口碼頭時(shí)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)足夠，那么當(dāng)靠泊jetty型碼頭時(shí)因?yàn)閷?duì)應(yīng)構(gòu)件尺寸更大，其舷側(cè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也應(yīng)足夠、更有所富余。

4.2 FSRU靠泊載荷分析方法

相比于常規(guī)的LNG船，F(xiàn)SRU靠泊形式更加多樣。它既可以單獨(dú)?？吭趈etty型岸站，也可以一邊?？吭趈etty型岸站、而另一邊則?？恳凰页Ｒ?guī)LNG運(yùn)輸船。由于系泊纜繩等設(shè)備有極限破斷載荷限制，其并非能在所有海況下均如此?？?。FSRU的靠泊會(huì)由海況限制，當(dāng)海況很惡劣時(shí)，其必須與旁靠的LNG運(yùn)輸船脫開(kāi)。甚至在更加惡劣的海況下，F(xiàn)SRU也必須與jetty岸站脫離。

根據(jù)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及相應(yīng)海況的限制條件，運(yùn)用流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算FSRU單靠jetty型岸站時(shí)的靠泊墊的最大反作用力和FSRU旁靠LNG船并于jetty岸站相靠時(shí)的岸站和船間靠泊墊的最大反作用力。不同靠泊形式的系泊分析模型見(jiàn)圖5。

圖5 FSRU靠泊jetty岸站系泊分析模型示意

4.3 護(hù)舷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法

將FSRU靠泊載荷分析的結(jié)果與岸站靠泊墊設(shè)計(jì)載荷作對(duì)比分析，選取合理的載荷和作用在船體的范圍[7]。運(yùn)用結(jié)構(gòu)有限元方法，建立雙舷側(cè)外板的局部有限元模型，進(jìn)行加載計(jì)算，見(jiàn)圖6。分析并評(píng)估舷側(cè)外板和其上縱骨的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖6 舷側(cè)結(jié)構(gòu)在靠泊載荷下的強(qiáng)度分析示意

4.4 改為FSRU對(duì)護(hù)舷結(jié)構(gòu)的影響

14.7萬(wàn)m3LNG船改為FSRU，岸站靠泊作用在船體上的范圍向下移至水線附近。由于舷側(cè)結(jié)構(gòu)越靠近船底，板厚和縱骨尺寸越大，因此原設(shè)計(jì)的舷側(cè)構(gòu)件強(qiáng)度仍然能夠滿足改為FSRU后的使用要求。

工程實(shí)施階段，需對(duì)船舶的構(gòu)件尺寸作測(cè)定，明確現(xiàn)有構(gòu)件的尺寸大小，以及和原設(shè)計(jì)尺寸的差距，再做具體的計(jì)算分析評(píng)估。因?yàn)樵O(shè)計(jì)尺寸下的強(qiáng)度是有所富余的，所以可能無(wú)需對(duì)船側(cè)結(jié)構(gòu)做額外加強(qiáng)。但若測(cè)定得到的構(gòu)件尺寸腐蝕較大，則需要考慮更換相應(yīng)構(gòu)件，或新增結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)等方法。

5 新增系泊設(shè)備結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

5.1 FSRU與LNG運(yùn)輸船系泊設(shè)備的差異

FSRU需長(zhǎng)期定點(diǎn)在jetty岸站邊工作運(yùn)營(yíng)，當(dāng)遭遇惡劣海況，F(xiàn)SRU的系泊安全難以保證時(shí)，F(xiàn)SRU與其旁靠LNG船，和FSRU與靠泊jetty岸站之間的系泊纜繩，必須迅速解除脫開(kāi)。常規(guī)系泊設(shè)備難以完成此類(lèi)操作，只有快速釋放鉤才能達(dá)到迅速釋放纜繩的功能。所以，F(xiàn)SRU本身需配置一定數(shù)量的快速釋放鉤設(shè)備。

同時(shí)，對(duì)應(yīng)所靠泊jetty岸站系纜墩位置等布置條件，要考慮現(xiàn)有船上導(dǎo)纜孔的位置是否滿足纜繩布置要求，并可能做相應(yīng)調(diào)整。根據(jù)現(xiàn)有甲板布置情況，盡可能小的做改動(dòng)，以布置足夠數(shù)量的快速釋放鉤和對(duì)應(yīng)匹配的導(dǎo)纜孔設(shè)備。

14.7萬(wàn)m3LNG船改為FSRU的艉部系泊甲板和艏部主甲板的系泊設(shè)備布置如圖7所示。同時(shí)在FSRU的船體平行段主甲板上也設(shè)有快速釋放鉤設(shè)備。

圖7 艉部系泊甲板和艏部主甲板的系泊設(shè)備布置

5.2 加裝快速釋放鉤與調(diào)整導(dǎo)纜孔對(duì)船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

系泊設(shè)備的甲板下方對(duì)應(yīng)有局部的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，因此加裝快速釋放鉤和調(diào)整導(dǎo)纜孔的位置勢(shì)必會(huì)影響原有甲板下的船體結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)快速釋放鉤下的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)導(dǎo)纜孔位置的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

對(duì)應(yīng)基座圓環(huán)和肘板的位置，在甲板下方需設(shè)計(jì)延伸支撐結(jié)構(gòu)。同樣的，導(dǎo)纜孔基座在甲板下也需有對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)支撐。設(shè)計(jì)的快速釋放鉤為雙鉤形式，因此快速釋放鉤受到的系泊牽引力約為導(dǎo)纜孔的2倍，水平牽引力較大，基座下甲板的強(qiáng)度也需校核保證。

用局部有限元分析的方法，計(jì)算和評(píng)估系泊設(shè)備載荷作用下船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。模型范圍包括新增快速釋放鉤和導(dǎo)纜孔的基座，以及其下對(duì)應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)。圖8為尾部甲板和其下支撐加強(qiáng)構(gòu)件的有限元網(wǎng)格模型示意，圖9為快速釋放鉤和導(dǎo)纜孔的基座的有限元網(wǎng)格模型示意。

圖8 尾部甲板和其下支撐加強(qiáng)構(gòu)件的有限元網(wǎng)格模型示意

圖9 快速釋放鉤和導(dǎo)纜孔的基座有限元網(wǎng)格模型示意

5.3 新增系泊設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

14.7萬(wàn)m3LNG船改為FSRU，快速釋放鉤主要用于應(yīng)急情況下快速釋放系泊纜繩，使LNG船快速駛離。快速釋放鉤除機(jī)械機(jī)構(gòu)外，還需帶有纜繩張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、就地超負(fù)荷報(bào)警、橋樓張力顯示與遙控釋放系統(tǒng)等配套設(shè)施。生產(chǎn)操作運(yùn)營(yíng)中可與船岸通訊系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)、低速靠泊等系統(tǒng)組成一套完整的系統(tǒng)。根據(jù)本項(xiàng)目的總體布置，在靠海的右舷配置10套雙式快速釋放鉤。對(duì)應(yīng)這些設(shè)備下方的甲板和其上構(gòu)件均需重新設(shè)計(jì)，包括甲板和基座下延伸的加強(qiáng)構(gòu)件。

由于需與快速釋放鉤匹配使用，因此舷側(cè)導(dǎo)纜孔位置有所調(diào)整的地方，其下方的結(jié)構(gòu)也需做相應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

最后通過(guò)有限元分析方法，施加系泊設(shè)備載荷，對(duì)新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，以滿足所入級(jí)船級(jí)社的規(guī)范要求。

6 結(jié)論

1)改造后的總縱強(qiáng)度應(yīng)滿足規(guī)范要求。

2)改造后的貨艙段船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力須滿足貨艙供應(yīng)廠商的要求。

3)貨艙晃蕩分析結(jié)果須滿足規(guī)范和廠家要求，根據(jù)具體計(jì)算結(jié)果決定是否改動(dòng)。

4)再氣化模塊的底座應(yīng)設(shè)在原船強(qiáng)力構(gòu)件處，同時(shí)應(yīng)對(duì)支撐處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理。

5)護(hù)舷結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果和具體工程實(shí)施階段的腐蝕情況決定。

6)新增系泊設(shè)備處需進(jìn)行相應(yīng)的局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。LNG船改造為FSRU，船體結(jié)構(gòu)總體方面不需要較大改動(dòng)，工作主要集中于船體局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

針對(duì)LNGC改造FSRU于結(jié)構(gòu)方面的分析，供FSRU相關(guān)項(xiàng)目的前期研究和實(shí)現(xiàn)FSRU工程化應(yīng)用參考。