FPSO船体梁极限强度分析与有效生命期预报_郭昌捷.pdf

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1、第44卷第6期2004年11月大 连 理 工 大 学 学 报Journal of Dalian University of TechnologyVol.44,No.6Nov.2 0 0 4文章编号:1000-8608(2004)06-0839-05收稿日期:2003-11-10;修回日期:2004-09-28.基金项目:国家自然科学基金资助项目(70073044).作者简介:郭昌捷*(1941-),男,教授.FPSO 船体梁极限强度分析与有效生命期预报郭 昌 捷*1,任 刚1,张 道 坤1,马 延 德2,侯 颖1(1.大连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连116024;2.大连新船重工,辽宁

2、大连116012)摘要:利用理想单元法(ISUM)研究了浮式生产储油船(FPSO)完整船体与受损结构船体梁极限强度.考虑了腐蚀及碰撞对船体结构强度的影响,评估了腐蚀状态下船体极限强度随时间的变化;在人为因素风险分析基础上对该船船体有效生命期进行了预报.分析表明,船体梁极限强度是影响船舶安全的重要因素,对 FPSO 进行风险分析和安全评估是必要而且可行的.另一方面,将工程技术与管理科学结合起来研究安全问题是合理有效的途径.主要结论对于海事界实施综合安全评估,提高船舶或海洋结构物安全性具有理论意义和应用价值.关键词:船体梁极限强度;人为因素;风险分析;有效生命期;综合安全评估(FSA)中图分类号:

3、U661.4文献标识码:A0 引 言船体强度理论研究和海上事故分析表明,船体梁极限强度不足是造成重大海损的主要原因之一 1、2.所有事故中,约 80%是人为因素(humanfactors)所致.因此,科学地考虑人为因素是改进船舶安全的合理有效途径.本文以“文昌”号浮式生产储油船(FPSO)为例,针对极限强度,考虑人为因素,进行风险分析与有效生命期预报,为实施综 合 安 全 评 估(formal safety assessment,FSA)3提供背景条件.1 船体梁极限强度分析与安全评估1.1“文昌”号船体结构数据文昌号用于南中国海石油加工和储藏,工作区域海况恶劣,且需服役10 a后才能进坞检修

4、,故在全生命期内保证其极限强度十分重要.该 FPSO 分舱简图如图 1 所示,其主尺度如下:两柱间长 250.0 m;型宽 46.0 m;型深 24.6m;吃水 16.5 m;方型系数 0.900 2.图 1 FPSO 船体分舱布置简图Fig.1 Division of hull for FPSO1.2 研究内容与技术路线本文研究内容包括 3 部分:完整船体计算模型和结构破损形态建立、相应船体梁极限强度分析以及腐蚀对船体梁极限强度的影响.研究过程中关注对人为因素风险分析与综合安全评估的探讨.其技术路线如下:(1)首先针对FPSO舱室布置和结构特点,建立适应极限强度分析要求的完整及受损船体的结构

5、形态(scenario)或模型.(2)应用理想单元法(ISUM)程序软件对FPSO 实船进行计算分析,得出完整、破损和考虑腐蚀影响的船体梁极限弯矩设计值.(3)进行 FSA,预报有效生命期并提出控制风险、适时维修加强或报废的决策建议.1.3 结构形态建立1.3.1 完整结构形态 根据FPSO 舱室布置和结构特点,建立适应极限强度分析要求的结构形态和计算模型.为减少模型化和数据准备工作量,建立对完整船体及受损结构都适用的统一计算模型.此时采用理想单元法十分方便.首先将船体结构划分为各种理想化的单元模型,如加筋板单元、非加筋板单元、梁-柱单元、硬单元、虚单元等.该方法的优点在于单元数量较少,计算快

6、捷,完整船体和受损结构可用同一计算模型 4.结合本 FPSO 的横剖面图,按照各板材、骨材的具体情况,划分单元并按不同单元顺序编号,得到完整船体单元划分如图 2,简化图如图 3所示.图 2 单元划分图Fig.2 Division of elements图 3 完整结构单元划分简化图Fig.3 Division of elements for intact structure1.3.2 受损结构形态(1)结构破损模型的要求结构破损模型的建立必须合理,且模型可适应于对船体进行风险分析(risk analysis).风险系指事故的发生频率和后果严重性的组合乘积.大量海难事故统计分析表明,对船舶安全构

7、成风险 的 事 故 主 要 是 碰 撞 和 搁 浅(collision andgrounding)2 种类型.两者发生频率较高,而且很可能导致结构能力降低和载荷增加双重不利后果.本 FPSO 因常年在深海作业,发生搁浅的可能性极小,故本文只考虑由于人为因素或操作失误造成碰撞事故类型.(2)碰撞损伤的部位和范围当前研究包括确定型和概率型 2 种破损模型,后者尚处在研究中.在当今破损资料较缺乏的情况下,本文参照有关资料 5、6建立确定型破损模型.为了进行风险分析,此种破损应具有较大发生频率且可能导致船体严重破坏,亦即可能对船舶安全构成风险.据此危险,剖面的范围必须包括船体梁弯矩或切力的峰值,其破损

8、范围位于舷侧外板顶部和强力甲板边板及其相连接的强力构件.具体情况详述如下.由碰撞造成的船体结构损伤部位设定发生在距首柱0.15 L 之后和距尾柱0.2 L 之前任一位置处的干舷上,至少应考察 2 个位置:一个在船中弯矩峰值区域,另一个在高切力区域.碰撞损伤的范围设定在强力甲板边板及其向下舷侧外板的上部,假设下列构件遭受破损并从剖面模数或承载能力计算中予以扣除,即在计算模型中设为虚单元(见图 4)(a)舷侧外板垂向范围:从舷顶列板上缘向下 4.0 m 或 D/4,取其较大者,其中 D 为规范规840大 连 理 工 大 学 学 报第 44 卷定的型深.(b)从舷侧外板向内壳扩展,包括边板在内的强力

9、甲板板.(c)舷侧纵骨和平台,破损区域扩展到双舷侧宽度的 75%,即图 4 中的34b.(d)所有附加在破损板上的甲板纵骨、舷侧纵骨和纵向加强筋.参照以上规定,本 FPSO 确定如下.(a)2 个 计 算 剖 面:船 中 区 域(弯 矩 峰值)FR145;高 切 力 区 域(切 力 峰值)FR077.(b)破损范围:破损高度 h=D/4=24.6/4=6.15 m;破损宽度b=0.7h=0.76.15 m=4.305 m.实取h=6.150 m,b=4.900 m.图 4 破损范围示意图Fig.4 Range of damage 以完整结构模型为基础,将上述受损构件(含板及附加其上的纵骨和加强

10、筋)设为虚单元(其板厚或骨材面积取为微小值),即可得到受损模型单元划分简图(见图 5,为清楚起见,已将受损构件即虚单元扣除).图 5 受损结构单元划分简图Fig.5 Division of damaged structure elements1.4 船体构件腐蚀对船舶安全的影响除上述损伤外,构件腐蚀或磨损对船体安全也有重要影响.本文依据有关油船构件腐蚀统计参数预报 FPSO 有效生命期.考虑到本 FPSO 已采取一流防腐技术,年间蚀耗率按照轻微腐蚀处理,见表 1.表 1 纵向强力构件年间蚀耗率 CrTab.1 AnnualcorrosionratioCrforlongitudinalstren

11、gth membersNo构件名称或部位Cr/(mm a-1)强度1甲板板0.116HS234567外板干舷区水线附近水下部分舭部列板船底板平板龙骨0.1080.1690.1080.1410.1570.262HSNSNSHSHSHS8910货油舱间纵舱壁板下列板中列板上列板0.2000.1500.212HSHSHS111213货油舱/压载舱间纵舱壁板下列板中列板上列板0.2200.1800.232HSNSHS14甲板下纵骨0.142HS151617舷侧纵骨上部中部下部0.1200.1100.110HSNSHS181920纵壁纵骨上部中部下部0.1430.1400.143HSNSHS21船底纵骨

12、0.104HS2223船底旁桁材腹板面板0.1100.160HSHS 注:HS 为高强度钢;NS 为普通强度钢1.5 船体梁极限弯矩、总纵弯矩计算与风险分析及安全评估综上,针对本 FPSO 特点,选取 FR145(静水弯矩最大处)和 FR077(静水切力最大处),利用ISUM 软件,计算出各种结构形态下船体梁的极限弯矩;同时在装载计算书规定的典型工况中分别选取最危险的中拱和中垂静水弯矩(考虑人为失误),并与波浪弯矩组合得到总纵弯矩(风险载荷),据此进行安全评估.主要结果如表 2、3 所示.841第 6 期郭昌捷等:FPSO 船体梁极限强度分析与有效生命期预报表 2 船体梁极限弯矩及安全评估(F

13、R145)Tab.2 U ltimate bending moment&safety assessmentfor hull girder(FR145)结构形态工况Mt106kN mMu106kN mKn全新结构中垂中拱-9.766+9.296-13.14+16.091.5341.6111.3451.730完整老龄 10 a中垂中拱-9.766+9.296-12.03+14.601.4451.5181.2311.571完整老龄 20 a中垂中拱-9.766+9.296-10.83+12.8541.3391.4071.1091.383破损老龄 10 a中垂中拱-10.371+9.615-11.05

14、6+11.3411.2081.3031.0661.179破损老龄 20 a中垂中拱-10.371+9.615-9.923+10.2241.1151.2020.9571.063 注:Mt为总纵弯矩;Mu为极限弯矩;K 为安全系数;n 为强度储备系数表 3 船体梁极限弯矩及安全评估(FR077)Tab.3 U ltimate bending moment&safety assessmentfor hull girder(FR077)结构形态工况Mt106kN mMu106kN mKn全新结构中垂中拱-5.859+5.577-15.437+15.8942.7912.9322.6352.761完整老龄

15、 10 a中垂中拱-5.859+5.577-14.387+14.2062.5672.6972.4552.547完整老龄 20 a中垂中拱-5.859+5.577-13.123+13.0422.3392.4582.3402.338破损老龄 10 a中垂中拱-6.441+5.946-12.794+13.1382.2952.4861.9862.210破损老龄 20 a中垂中拱-6.441+5.946-11.399+11.8452.0922.2661.7701.992 注:K=RyZd/Mt 10-1,Ry为材料屈服极限,MPa;Zd为船体典型横剖面甲板剖面模数,cm2m2 船体有效生命期预报及决策建

16、议2.1 有效生命期预报通过上述计算,得到各典型工况下的极限弯矩.由表 2 可见,不论是否发生破损,FR077 肋位处的安全性总要好于 FR145 肋位处,因此进行有效生命期预报时,以 FR145 肋位处为准即可.使用 20 a 后,如果 FR145 肋位处发生破损,过载系数小于 1.0,此时极限弯矩已不能够承担作用在船体梁上的总纵弯矩.由于该 FPSO 的设计有效生命期为 20 a,此时关心的是在考虑破损和腐蚀的情况下该有效生命期是多少年.为此,可利用上述计算得出的各极限弯矩同总纵弯矩进行比较,预报受损船体有效生命期.由于计算极限弯矩时考虑的主要因素为船体构件的腐蚀,如认为腐蚀率按照线性变化

17、,则可以利用回归方法得到船体生命期的回归方程,进而求得船体有效生命期.于是,以生命期(y/a)为横坐标,极限弯矩(Mu/(kN m)为纵坐标,得出Mu-y曲线,由此预报船体有效生命期如表 4 所示.2.2 降低风险、提高安全性决策建议由表 4 可见:在设计使用生命期内,如船体主要强力构件无破损,其强度足以保证;考虑腐蚀影响,中拱状态下船体强度也足以保证服役年限,但中垂状态下船体有效生命期为 16.8 a.对此,根据 FSA 有关要求和具体实际,建议利用第10 a 进坞检修的机会对船体进行彻底检查,对受损或腐蚀严重构件予以加强或换新,并采取更好防腐措施;另外,在达到一定服役年限后,根据实际情况明

18、确列出配载禁区 7,在高海况下禁止装/卸载操作,作业中务必严格遵守规定的装/卸载顺序,防止人为操作失误,规避风险装载状态.表 4 船体有效生命期预报T ab.4Prediction of available lifetime for hull工 况结构形式y/a中 垂完整30.9中 拱完整36.9中 垂破损16.8中 拱破损24.83 结 语(1)基于风险分析的 FSA 方法主要特点在于:可以预见性地控制风险,即对事故采取先行预报、主动控制的事先预防式处理方法;全面地而不是局部地考虑系统的安全;充分考虑人为因素的影响以及人与系统的相互作用;不仅提出减少风险的措施,而且对这些措施的费效比进行评估

19、,进而提出决策建议.而极限强度是影响船舶安全的重要环节,有关研究可为实施 FSA 提供理论背景和技术条件.842大 连 理 工 大 学 学 报第 44 卷(2)分析表明,对FPSO进行风险分析和FSA不仅必要而且可行.当然,全面而科学地实施风险分析和 FSA 涉及诸多方面,包括应用数学、工程技术和管理科学的广阔领域 8,本文只是初步探讨.今后的任务是深入开展有关课题的研究,特别注意将工程技术与管理科学有机结合起来,更加有效地增进船舶及海洋结构物的安全.(3)设计部门和科研单位有关各方需要更新传统观念和科研思路,改进现行设计规则和方法,特别应加快基于风险分析规范的研究步伐,为创建船舶安全文化、提

20、高海事界整体安全水平而共同努力.参考文献:1 WATANABE Iwao,OHT SUBO Hideomi.AnalysisoftheaccidentoftheMVNakhodka.Part1.Estimation of wave loads J.J Marine Sci andTechnol,1998(3):171-180.2 YAOTetsuya,SUMIYoichi,T AKEMOTOHiroyasu,et al.Analysis of the accident of the MVNakhodka.Part 2.Estimation of structural strengthJ.J M

21、arine Sci and Technol,1998(3):181-193.3 中国船级社.综合安全评估应用指南 Z.北京:中国船级社,1999.4 GUO Chang-jie,LI Jiang-jun,ZHANG Dao-kun,etal.Residual strength study for damaged hull andrisk analysis and formal safety assessment J.SciFoundation in China,2002,10(1):19-22,34.5 ABS.ABS Safehull System for Tankers Guide for

22、Assessing Hull-Girder Residual Strength for TankersZ.Houston:ABS,1995.6 郭昌捷,唐翰岫.受损船体极限强度分析与可靠性评估J.中国造船,1998(4):49-56.7 郭昌捷,马骏.油船配载控制与剩余强度研究J.大连理工大学学报,1995,35(6):867-872.(GUOChang-jie,MAJun.Distributionloadingcontrol and residual strength of oil-tanker J.JDalian Univ Technol,1995,35(6):867-872.)8 张圣坤

23、,白勇,唐文勇.船舶及海洋工程风险评估M.北京:国防工业出版社,2003.Ultimate strength analysis of hull girderand prediction of available lifetime for FPSOGUOChang-jie*1,RENGang1,ZHANGDao-kun1,MAYan-de2,HOUYing1(1.School of Naval Archit.&Mar.Eng.,Dalian Univ.of Technol.,Dalian116024,China;2.Dalian New Shipbuilding Heavy Ind.Co.,Lt

24、d,Dalian116012,China)Abstract:The ultimate strength of intact hull and damaged structure hull of the Floating ProductionStorage and Offloading(FPSO)is studied by Idealized Structure Unit Method(ISUM)and consideringthe influence of the corrosion and collision on structure.Furthermore,the changes of u

25、ltimatestrength with time are also assessed under certain corrosion condition;the available lifetime has beenpredicted based on human factor and risk analysis for the ship.T he analyses show that the ultimatestrength of hull girder has a remarkable influence on ship safety,and it is necessary and fe

26、asible forFPSO to carry out risk analysis and safety assessment.On the other hand,it is rational and effectiveto combine engineering technique with management science for studying safety.The main conclusionsare of theoretical significance and practical values to carry out formal safety assessment(FSA)andimprove safety of ship and marine structures for the maritime circles.Key words:ultimate strength of hull girder;human factor;risk analysis;available lifetime;formalsafety assessment(FSA)843第 6 期郭昌捷等:FPSO 船体梁极限强度分析与有效生命期预报