李江 林煜

摘要：隨著FLNG等大型浮式油氣裝置模塊化建造技術的需要，上部工藝處理單元需采用模塊化的設計，即設備、管道、儀表、電器等都集成在模塊里由模塊結構進行支撐，模塊結構基本采用框架結構體系，通常按鋼結構規(guī)范設計。

Abstract： At the request of modularized fabrication of FLNG topside， the engineering of topside process unit should be modularized， the items of all disciplines are integrated into modules and supported by module structure， module structure is normally designed as space frame system based on steel structure codes.

關鍵詞：設計工況;設計荷載;結構分析和校核

Key words： design load case;design load;structure analysis and member strength check

中圖分類號：U473.2+1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0223-03

0 ?引言

FLNG的海洋工作環(huán)境、浮式船體和一些大型工藝設備，特別是FLNG上廣泛用于發(fā)電和液化的內(nèi)燃機設備，均屬于對運行環(huán)境要求比較高的動設備，會給模塊結構設計帶來很大差異和挑戰(zhàn)。模塊結構設計要求必須要適應海洋環(huán)境，這樣才能既保證整個FLNG安全，又保證內(nèi)燃機等這些大型工藝設備正常運營。

1 ?模塊結構設計工況

模塊結構設計工況需要考慮從建造到FLNG服役期間可能會遭遇到的所有工況，一般包括：

1.1 建造工況

建造過程需要考慮的工況與模塊的具體建造工藝緊密相關，通常包括：

①SPMT運輸;

②海上運輸;

③吊裝。

1.2 在位工況

模塊在位過程所遭遇的工況與海洋環(huán)境、浮式裝置的狀態(tài)密切相關，需要從這兩方面來考慮，通常包括：

①操作工況：是指在常遇的海洋環(huán)境下浮式裝置處于正常的運營工作狀態(tài)時的工況，屬于一種高概率的頻遇工況，因此所用的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)為一年一遇的情況，同時也應基于此概率的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)來考慮浮式裝置船體的變形和運動響應。

②極端工況：是指在極端的海洋環(huán)境下浮式裝置依然能夠處于正常的運營工作狀態(tài)時的工況，屬于一種低概率的罕遇工況，因此所用的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)為百年一遇的情況，同理浮式裝置船體的變形和運動響應也應基于此概率的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)來考慮。

1.3 拖航工況

當浮式裝置因為工作地點的變更，需要從原來工作地點拖航到新工作地點過程中會遭遇的工況，由于拖航時間一般比較長（可能是1個月或數(shù)月），因此通常所用的極端環(huán)境數(shù)據(jù)為十年一遇的情況，浮式裝置船體的變形和運動響應也是基于此概率的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)來考慮。

1.4 意外工況

是指浮式裝置在運營過程中出現(xiàn)意外事故時的工況，例如物料吊運操作時出現(xiàn)吊物脫落，易燃介質泄露可能引起的火災爆炸，極端低溫介質（如LNG）泄露等意外事故。

2 ?模塊結構設計荷載

2.1 模塊結構設計荷載主要分為永久荷載、可變荷載、環(huán)境荷載、間接荷載和偶然荷載等

①永久荷載：是在各種設計工況下固定不動、也不會隨時間而發(fā)生較大變化的荷載，通常是指模塊內(nèi)所有物體重量，一般分為干重和濕重。干重是指模塊內(nèi)部設備和管道等不含操作介質時的重量，而濕重則是包含操作介質時的重量。

②可變荷載：是指能夠移動或隨時間而變化的荷載，通常是指物料運輸存放、設備維修和人員走動等產(chǎn)生的荷載。

③環(huán)境荷載：是指與環(huán)境有關的荷載，通常包括風、雨和積雪等荷載。

④間接荷載：是指作用于結構物使之產(chǎn)生內(nèi)力響應的外部強迫位移和運動等，也常稱為間接作用。FLNG模塊結構的間接荷載通常指船體的運動和變形施加在模塊上的外作用。

⑤偶然荷載：是指意外工況下偶然事故而產(chǎn)生的荷載或作用。如爆炸時產(chǎn)生的沖擊荷載，火災和低溫介質泄露對模塊結構產(chǎn)生的作用。

2.2 設計工況下的荷載組合

由于每種設計工況下都會同時出現(xiàn)各種不同類型荷載的共同作用，為了找出該設計工況下模塊結構的最大內(nèi)力響應，需要進行不同荷載的組合，荷載組合需要遵循的基本原則是：

①匹配性：進行荷載組合時使用的不同荷載需要與該工況相匹配，該工況下不可能出現(xiàn)的荷載不應參與組合，由于環(huán)境產(chǎn)生的荷載應與該工況下的環(huán)境條件相一致。

②兼容性：進行組合的荷載存在同時出現(xiàn)的可能性，不可能同時出現(xiàn)的荷載不應進行組合。

③通常情況下，各設計工況的基本荷載組合可以參考表1。

3 ?模塊結構分析計算

模塊結構分析計算常用方法有：靜態(tài)線彈性分析，靜態(tài)非線性（塑性）分析，動態(tài)線彈性分析和動態(tài)非線性（塑性）分析等。在進行模塊結構分析計算時需要考慮荷載的類型、相應工況下結構設計目標來選擇合適的分析計算方法。

①荷載類型：對于靜載荷通常采用靜態(tài)分析方法，而對諸如設備振動和爆炸、沖擊等屬于動荷載可采用動態(tài)分析方法。

②結構設計目標：模塊結構設計目標與設計工況緊密相關，對于上面提到的建造工況、在位工況和拖航工況的各設計工況中結構設計目標是不允許出現(xiàn)結構的損壞，因而結構內(nèi)力應控制在結構材料的線彈性范圍內(nèi)，故采用線彈性分析方法。而對于意外工況結構設計目標是允許單個構件出現(xiàn)損壞，但為保證人員和財產(chǎn)最大安全不允許出現(xiàn)整體結構的坍塌，也就是說在意外工況發(fā)生停止后，雖然某些構件需要修復，但模塊的整體結構依然能夠承受相應可能的荷載，故采用非線性（塑性）分析方法。

由于結構的動態(tài)分析和非線性（塑性）分析比較復雜，有時候為了簡化結構計算也可采用一些偏于安全的等效方法分別轉化為靜態(tài)分析和線彈性分析。例如將爆炸沖擊荷載轉化為等效靜荷載而對結構進行靜態(tài)分析;意外工況下通過逐步刪除進入材料塑性的構件而對余下的結構采用線彈性分析方法來校核模塊整體結構的安全性。

4 ?模塊結構校核

模塊結構校核需要根據(jù)具體的設計工況確定校核內(nèi)容，通常有強度校核、正常使用極限狀態(tài)校核和疲勞校核等，在進行強度校核時應根據(jù)設計工況出現(xiàn)的概率對衡準條件進行適當?shù)男拚?/p>

①強度校核實質就是構件的極限承載力校核，即構件在荷載組合作用下的內(nèi)力應低于構件的設計承載力，從而保證結構的安全可靠，任何設計工況均需要進行強度校核。強度校核依據(jù)鋼結構相關規(guī)范進行，常用的有AISC和API等規(guī)范。

在進行強度校核時應根據(jù)具體設計工況出現(xiàn)的概率對構件的設計承載力進行合理修正，對于上述極端工況和意外工況均屬于低概率的罕遇工況，可以相應提高構件的設計承載力，極端工況通?？梢蕴岣?/3，意外工況提高2/3。而正常操作工況屬于高概率的頻遇工況，則不應提高設計承載力，建造過程中相關的工況也規(guī)定不應提高。

②正常使用極限狀態(tài)校核，是校核在相應的設計工況下結構是否能保證模塊各功能正常使用的要求，通常通過控制結構的變形來校核。

③疲勞校核，由于受船體變形和運動的影響，模塊結構某些部位會產(chǎn)生周期性的交變應力，因此對結構的關鍵部位應進行疲勞校核。疲勞屬于一種結構的累積損傷，應該采用頻遇工況下的結構內(nèi)力響應進行校核。

5 ?模塊結構設計實例

以下以某FLNG的典型上部模塊為例，簡述FEED階段模塊結構設計和計算過程（模塊結構計算采用BENTLEY公司SACS軟件）。

5.1 模塊結構布置

根據(jù)模塊的設備布置圖和重量報告來規(guī)劃主要結構框架（主梁、主柱和斜撐等）的布置。布置結構主框架的時候，立柱的位置要避開設備，不要與設備產(chǎn)生碰撞（如有確需結構與設備布置圖中設備發(fā)生沖突的情況可通過協(xié)商來進行設備或結構調整），設備放置的地方應根據(jù)設備基座的形式及位置布置合適的承力構件，總體要根據(jù)設備、管道或其他維修要求等因素綜合考慮，使主要結構框架布置均勻，結構的整體剛度均勻，載荷能夠以最直接的線路傳遞到主要構件，同時盡可能保證整體結構的整齊美觀。

5.2 模塊結構計算

模塊的結構布置完成后，便可根據(jù)結構布置草圖在SACS軟件中搭建結構模型，結合各種荷載工況進行結構強度校核，所以在搭建模型之前要預估各構件的截面規(guī)格?？梢愿鶕?jù)工程師以往的設計經(jīng)驗選取，也可以根據(jù)已有荷載數(shù)據(jù)通過簡單的力學計算大概選取一個截面，或者參考已有的類似項目。

①SACS軟件搭建結構模型（如圖1所示）。

首先應用SACS軟件按照結構布置草圖和預估的構件截面規(guī)格搭建結構模型，建模時要注意使用統(tǒng)一的點、構件、基礎荷載和工況組合的命名規(guī)則。構件建模過程中要特別注意根據(jù)構件實際支撐形式修正計算長度。

模型完成后向模型中加載永久荷載、可變荷載、環(huán)境數(shù)據(jù)和其他間接作用，以及邊界條件等。

永久荷載包括各專業(yè)的重量，比如：設備干重和操作重、管道干重和操作重、結構以及其他各專業(yè)重量;

可變荷載包括活荷載、設備維修荷載和貨物存放荷載;

環(huán)境數(shù)據(jù)和其他間接作用包括風速和船體的變形，這些數(shù)據(jù)的輸入一定要注意分別對應上文第2條敘述的各設計環(huán)境工況;

邊界條件需要根據(jù)模塊在船體甲板上的支撐形式進行設定。

②創(chuàng)建海況輸入文件，海況文件包括船體運動數(shù)據(jù)，荷載組合和許用應力調整系數(shù)：

船體運動數(shù)據(jù)通常由船體專業(yè)根據(jù)水動力計算分析后提供，主要用于計算生成由于船體運動加速度帶來的慣性力;

荷載組合時要特別注意風和船體運動導致的慣性力的組合，兩者方向一致時疊加為最嚴格組合;

許用應力按上文第4條敘述根據(jù)不同的工況進行系數(shù)調整;

吊裝分析時，校核與吊耳相連的構件采用1.5的動力系數(shù)，校核其他構件采用1.15的動力系數(shù)。此兩種工況分別與重心偏移工況相組合，許用應力系數(shù)為1。

③構件校核。

完成模型和海況文件可后在SACS里進行建造工況、在位工況和拖航工況下各種荷載組合的靜力分析，并對構件從強度和變形（剛度）兩方面進行校核。

強度校核是為了保證構件在各設計工況下的極限承載力能滿足模塊結構安全需要。由于模塊框架結構由細長桿件組成，通常需要從屈服和屈曲兩方面進行強度校核。SACS軟件里面是以各項UC值形式來綜合反映構件的屈服和屈曲強度，只有整個模塊結構的每根構件的各項UC值均小于1.0才表示模塊結構強度滿足要求。如果出現(xiàn)任意一項UC值小于1.0情況，需要對該構件的截面或整體結構進行調整并重新計算使各項UC值均滿足要求，因此構件的強度校核是反復調整優(yōu)化和計算校核的過程。強度校核一般依據(jù)美國鋼結構規(guī)范AISC 335-89和API-RP-2A中的許用應力法（WSD）進行。

變形校核是為了保證結構滿足模塊正常使用極限狀態(tài)的要求，通常包括人員操作舒適和設備運行兩方面。人員操作舒適對變形的要求依據(jù)項目設計規(guī)格書進行校核;設備運行要求是指某些設備（比如某些動設備）對其支撐結構的變形有具體要求以保證設備正常運行，因此需要依據(jù)設備商的要求進行校核。

④節(jié)點計算。

主梁、主柱和斜撐之間連接節(jié)點是結構的關鍵部位之一，需要進行相應的計算。管節(jié)點可以在SACS軟件里依據(jù)API-RP-2A規(guī)范進行校核，而其他非管節(jié)點可以根據(jù)AISC的相應規(guī)范利用計算表格進行核算。

⑤疲勞校核。

船體周期性運動和變形會對模塊結構會產(chǎn)生周期性荷載，因此需要對關鍵部位進行疲勞校核。疲勞不同于強度，它是一種結構累積損傷，因此只需考慮上述的頻遇工況，即操作工況和拖航工況。疲勞校核要求是疲勞壽命滿足FLNG服役年限的要求，疲勞校核可以參考各船級社規(guī)范推薦的簡化疲勞分析或譜分析法。

5.3 其他

在完成上述5.2的分析計算和校核后，還需要進行模塊結構意外工況下的分析計算。與其他工況不同的是，意外工況對結構的影響可能是荷載（比如起吊重物脫鉤和爆炸的沖擊荷載），也可能是使某些構件的材料短時間內(nèi)快速失效而使構件喪失承載力（比如火災造成的高溫和極端低溫介質LNG泄露造成的低溫），應先根據(jù)安全分析報告來確定結構受影響的部位，采用不同的方法對這兩類影響分別進行結構的分析計算：

①起吊重物脫鉤和爆炸沖擊。

按照上文第3條可采用動力分析或等效靜載荷的靜力分析方法。一般在FEED設計階段可采用等效靜載的靜力分析方法，而在詳細設計階段可進一步采用動力分析方法。需要說明的是這種工況下可以充分利用構件的材料塑性但要保證不出現(xiàn)斷裂，在SACS軟件里通常采用將反應許用應力利用系數(shù)UC值由1.0提高到1.67的方法。

②火災和低溫介質泄露。

這種工況下會造成受影響構件的材料高溫軟化或低溫脆斷，構件基本喪失承載力，因此將這些構件從結構里去除后進行結構分析計算。如果結構能滿足要求可不需要進一步處理，否則需要對受影響構件進行保護措施，如涂刷防火涂料或防低溫圖層等。

6 ?結束語

FLNG模塊結構設計涉及內(nèi)容非常多，本文通過具體項目的設計過程總結簡要描述模塊結構設計全過程中的主要要點和注意事項，為從事模塊結構設計工程師提供整體性的參考。項目不同設計要求自然不同，還需要設計工程師根據(jù)具體的項目按要求進行設計，另外模塊結構設計過程中還有許多技術細節(jié)也是非常的重要，在這里難以全面詳細敘述，設計工程師可根據(jù)實際工作中遇到的具體問題查閱本文涉及的參考文獻。

參考文獻：

[1]AISC 335 -89， Specification for Structural Steel Buildings – Allowable Stress Design and Plastic Design.

[2]API-RP-2A-WSD 22nd Edition， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms Working Stress Design.

[3]DNV-RP-C203， Fatigue Design of Offshore Steel Structures.

[4]DNV-RP-C204 Design Against Accident Loads.

[5]DNV-RP-C205 Environmental Conditions and Environmental Loads.