FPSO结构典型节点疲劳可靠性分析

摘要

随着陆地上油气资源的长期、大规模开采，世界范围内的油气勘探与开发己转向了广袤的海洋。在海洋资源开发逐渐向深海领域挺进过程中，FPSO以其优越的经济性、可靠性、海域适应性等优点，已迅速成为当今海洋石油开发的主流设施，其安全、可靠性和高效性等越来越受到人们的重视。 FPSO长期系泊于定位海域，一般没有进坞维修的可能，并且除了受到不间断的海浪作用外，还可能遭受台风的袭击。普通航行船舶有进出港情况，疲劳载荷作用期一般取服役期的85％，而FPSO多为永久性系泊，疲劳载荷作用贯穿整个服役期。在此过程中，船体结构承受不间断的交替变化的载荷，再加上高强度钢的广泛使用，使得疲劳破坏问题更加突出，因此FPSO的疲劳设计更为严格。 虽然FPSO问世近30多年，但专门针对FPSO的设计、建造、检验和操作维护等方面的标准或规范仍处于初步探索阶段，目前只有挪威、美国、英国等国的少数著名船级社制定了归属在海洋工程部的较为简单的FPSO 设计与建造规范。FPSO 不同于普通船舶，其设计除了要遵循船级社的规范、国际海事组织(IMO)公约以及国际海上石油合作论坛(OCIMF)的要求外，一般还要涉及诸多专业协会的许多特殊的技术标准。 目前，FPS0的船体主要是按照船级社的油船设计规范进行结构设计或改装的。近些年来，在实际的疲劳强度设计与评估中主要采用S-N曲线法和断裂力学方法。对于船体构件局部细节或是已探得存在缺陷的结构，采用断裂力学方法可以较准确地估算出其寿命，然而对于船体结构大范围的疲劳强度校核或设计阶段的疲劳强度校核则 曲线法更具有优势。考虑到工作量和可行性等问题，本文采用 曲线法对FPSO船体纵骨和疲劳热点展开疲劳校核工作。FPSO由于其特定的工作环境特点，不能完全按照规范经验公式进行载荷计算，对其进行波浪载荷和运动的长期统计预报是必要的。 本文使用挪威船级社（DNV）的SESAM程序系统对某FPSO建立三维湿表面有限元模型和质量模型，进行了满载和压载工况下该FPSO的运动与波浪载荷计算；首先选取中横剖面为校核面，对纵骨进行疲劳寿命分析，并选取寿命薄弱点进行可靠性预测，然后选取典型疲劳热点，进行有限元建模，求得热点应力幅值，然后进行热点疲劳寿命计算，分析热点的疲劳可靠性。主要内容包括： 1. 总结了国内外在FPSO船体疲劳强度和可靠性研究方面的进展，阐述了对FPSO船体疲劳可靠性研究的意义。 2. 比较了疲劳分析的常用方法：S-N曲线方法和断裂力学方法。由于断裂力学方法针对存在缺陷的结构，并且涉及的因素较多，计算复杂。对于船体大范围的疲劳强度校核或设计初的疲劳强度校核则S-N曲线法更具有优势，所以本文采用了S-N曲线方法。另外对结构可靠性及其计算方法做了阐述，为下文计算疲劳可靠度打下基础。 3. 分析FPSO的结构特点和工作特点，在PATRANPRE中建立三维湿表面有限元模型以及不同工况下的质量模型，以DNV/SESAM程序为工具，采用三维势流理论对FPSO进行波浪诱导载荷和运动加速度的长期预报统计，得到疲劳寿命计算所需要的载荷。 4. 选取中横剖面为校核面，利用NAUTICS对校核截面进行建模，考虑腐蚀厚度和纵骨节点的具体形式，施加载荷，选取S-N曲线，计算纵骨节点的疲劳寿命。对纵骨节点进行疲劳寿命分析，并选取寿命薄弱点进行可靠性分析，为设计维修提供参考数据。 5. 选取典型疲劳热点，建立精细网格有限元模型，施加边界条件和疲劳载荷，计算热点处的应力，按照线性外推插值法求得热点应力幅值，计算疲劳热点的寿命，选取受力较大点进行疲劳可靠性分析。