FPSO延寿疲劳评估和疲劳寿命改善设计

以“南海胜利”FPSO原作业区的第三次延寿项目为研究对象，对纵骨与横舱壁、横向强框的连接节点，舱内桁材大肘板趾端节点，模块支墩与主甲板连接处的肘板趾端节点，以及与内转塔装置连接处的结构节点，分别采用了简化疲劳方法、热点应力法及谱疲劳分析法，对不同部位节点进行疲劳评估，并针对疲劳高危节点，通过合理的结构形式改造，进行结构的疲劳寿命改善设计。本文旨在探索疲劳评估方法与寿命改善设计在FPSO延寿改造中的应用。     

FPSO典型节点疲劳寿命分析

FPSO在服役期间长期承受由波浪等引起的不断变化的交变载荷,为保证其安全工作,有必要对FPSO进行疲劳寿命分析。首先选取FPSO的舭部与船底连接处(典型节点一)以及肋板与纵舱壁连接的肘板趾端(典型节点二)作为疲劳校核的典型节点部位;然后通过建立典型节点一和典型节点二精细网格有限元模型进行局部应力分析,由线性插值法得到典型节点处的热点应力;最后基于双壳油船共同结构规范(JTP)中的S-N曲线疲劳分析方法,对两处典型节点进行疲劳寿命分析,得到疲劳寿命满足船东50年寿命要求的结论。     

FPSO纵骨疲劳寿命分析

FPSO(Floating Production Storage and Offloading)长期系泊于定位海域,在服役期内没有进坞维修的可能。而在这个过程中,其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,使其疲劳破坏问题更加突出,因此其疲劳设计更为严格。本文以一大型浮式生产储油船为例,选取了典型剖面,采用简化的计算法进行纵骨的疲劳分析,给出了纵骨疲劳寿命计算的基本过程并且对船体结构中几种常见的节点连接方式的纵骨进行了疲劳寿命计算,通过分析比较,发现肘板软趾对疲劳寿命影响很大,从而找出最佳的端部节点连接形式,为工程设计提供依据。     

基于谱分析法的FPSO剩余疲劳寿命研究

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一。多年来,船舶结构的疲劳断裂问题一直是造船界广泛关注的问题[1]。对于由大型油船改装而成的FPSO而言,预测并延长其服役寿命是很关键的。本文通过谱分析法对船体疲劳损伤度进行计算,分别对油船和FPSO阶段进行计算从而得到FPSO剩余疲劳寿命。通过建立3D有限元模型,采用热点应力方法来确定评估处应力传递函数,分别计算各个短期海况损伤度并通过线性叠加来计算总的损伤度以及剩余疲劳寿命。根据疲劳评估结果,更加高效地实施船体结构的检测及维修。     

基于累计损伤方法的模块连接点结构疲劳评估

为保障浮式储存再气化装置（Floating Storage and Re-gasification Unit,FSRU）的安全，基于有限元分析方法，对FSRU加装的动力模块与船体支撑构件连接处的节点进行疲劳热点筛选，并使用Palmgren-Miner方法对疲劳热点进行疲劳累计损伤计算。结果表明：连接节点的疲劳寿命满足要求。研究成果可为FSRU结构疲劳评估提供一定参考。     

肘板趾端表面裂纹在随机波浪载荷作用下的疲劳扩展预报

肘板趾端是船舶与海洋结构的疲劳热点。文章用三维有限元分析了趾端表面裂纹应力强度因子修正系数的变化规律,并与BS7910推荐的典型节点表面裂纹应力强度因子公式计算结果作了对比,结果表明趾端表面裂纹应力强度因子沿深度方向的放大系数和T型节点相差很小,而表面端点应力强度因子修正系数则当裂纹长度在肘板厚度范围内时和T型节点相差很小,超出后则相差较大。以某客滚船上肘板趾端应力范围长期分布服从Weibull分布,产生系列均值为零的应力幅,应力强度因子分别采用有限元结果和BS7910中T型接头公式进行计算,采用单一曲线模型计算该趾端表面裂纹的裂纹扩展。计算等效应力强度因子幅时,考虑焊接残余应力的影响。计算结果表明以T型接头的公式计算趾端表面裂纹应力强度因子和有限元结果相差很小。建议将T型节点表面裂纹应力强度因子计算公式用于趾端表面裂纹应力强度因子的计算,并采用单一曲线模型对随机波浪载荷下作用下船舶典型节点疲劳裂纹的扩展寿命进行了预报。     

圆筒型FPSO上部模块支撑结构疲劳分析

与船型FPSO相比,圆筒型FPSO没有明显的总纵弯曲,上部模块与船体结构之间通常采用刚性支墩来连接,水平运动所产生的弯矩和装/卸载引起的船体垂向变形对模块支撑结构的影响较为显著。因此,以“希望6号”圆筒型FPSO上部模块支撑结构为研究对象,基于DNVGL船级社规范,介绍一种简化疲劳分析方法。以FPSO运动加速度和船体变形载荷作为载荷输入条件,利用SESAM/GeniE软件进行有限元分析,得到结构在所有组合工况下应力的扫描计算结果。根据作业海域各个方向波浪发生的概率,运用简化疲劳分析方法计算得到所关注节点的疲劳损伤和各个工况对结构节点疲劳损伤度的贡献。结果表明,所关注节点的疲劳强度均满足设计疲劳强度要求;同一节点的疲劳损伤对不同浪向的敏感度不一样。该简化疲劳分析方法同样适用于承受周期性载荷的FPSO上部模块主结构和其他型式海洋结构物的疲劳分析。     

高速无舱口盖集装箱船结构疲劳分析

本文介绍了应用简化方法进行高速无舱盖集装箱船船体结构疲劳寿命评估的原理、一般过程及其计算结果。计算表明本船的危险区域在船舯支撑舱壁处的舱口角隅板范围和舷侧处纵骨与横向构件的连接节点。对所设计的船体结构,只要在建造中保证足够的加工质量和尺度控制,本船的任何结构疲劳损伤都在可接受的范围内。     

FPSO上部模块支墩结构疲劳强度分析

模块支墩结构是上部模块与FPSO船体主甲板之间的连接结构,在模块支墩结构设计中除考虑上部模块自重、惯性力及风载等载荷,还应注意船体梁整体弯曲变形的影响,故在设计最初就应考虑支墩结构疲劳强度.该文通过对FPSO上部模块支墩结构的疲劳评估,基于线性疲劳累积损伤原理的简化疲劳评估方法,展开疲劳分析,并考虑了FPSO服役寿命周期内的各种工况,在此过程中借助有限元分析软件成功获得了疲劳评估中的重要数据.分析支墩结构疲劳损坏的危险区域及疲劳产生的主要诱因,分析结果可为后续支墩结构的详细节点设计提供借鉴.     

多型船体主要构件端部肘板在等载荷条件下强度及疲劳寿命的对比

为比较船体主要构件端部不同连接形式的区别,采用MSC_Patran软件[1],通过有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)方法[2],在同等载荷条件下,分别对多型肘板连接形式进行常规强度计算以及疲劳强度计算,得出主要船体构件及肘板上的应力分布和疲劳寿命,进行分析对比.     

海上石油浮式生产系统疲劳校核分析

船体结构的疲劳一直是船体结构的一种重要的损伤现象。特别是高强度钢在船体结构中的广泛使用，使船体结构的疲劳破坏问题更加突出。本文以一艘15万吨浮式生产储油系统(FPSO)为例，根据FPSO自身的结构特点和其特殊的工作状态，详细介绍了对FPSO进行疲劳分析的基本过程，包括FPSO疲劳校核区域的确定，波浪统计预报、主要校核部位的疲劳计算方法和过程。     

圆筒形生活平台开孔疲劳寿命评估

对圆筒形生活平台主船体结构中的开孔及其周围的加强进行疲劳寿命评估,通过应用子模型技术较好地实现开孔附近结构和网格的细化,选取施加最大动载荷的单一工况来计算最大的应力幅值,结合简化疲劳分析方法对各种疲劳敏感的节点类型进行疲劳寿命评估,结果表明,经加强的开孔,其疲劳寿命满足平台设计寿命的要求.     

船体结构典型节点疲劳模型试验

船体结构建造过程中存在一定程度的不确定性,同时在实际应用中可选择的S-N曲线是有限的,假设都采用规范推荐的S-N曲线计算疲劳寿命,其计算值必将与真实值产生一定程度的差异,因此有必要对船体结构典型节点进行疲劳模型试验。本文采用模型试验的方法对船体结构2种典型节点形式的疲劳特性,以及试验模型的设计、试验数据的处理方式及试验结果进行研究,得出的方法和结论对船体结构典型节点的疲劳模型试验具有参考意义。     

船体纵骨典型节点疲劳裂纹扩展寿命评估

基于有限元软件ABAQUS,结合虚拟裂纹闭合法、裂纹扩展判据及子结构技术,应用脚本语言Python开发出模拟疲劳裂纹扩展的程序(FCG-System)。对含初始裂纹的油船纵骨典型节点在侧面压力作用下进行疲劳裂纹扩展数值模拟,并探讨了软趾、背肘板及防倾肘板对疲劳裂纹扩展路径和寿命的影响。结果表明,增设软趾、背肘板或防倾肘板都会使裂纹扩展路径曲率增大,且软趾、防倾肘板可使裂纹扩展寿命增大,背肘板可使裂纹扩展寿命减小。     

切口节点疲劳试验及损伤演化仿真研究

针对经常出现切口的船体结构节点连接处这一疲劳严重部位设计了一种切口试件。采用试验和数值计算方法研究切口节点在恒幅(CA)疲劳载荷下的疲劳特性。首先进行切口试件系列疲劳试验得到典型工况下的疲劳寿命值;然后引入基于损伤力学理论建立疲劳损伤演化模型,推导模型的迭代公式,采用非线性拟合方法拟合试验数据,得到损伤演化模型的相关参数;最后采用用户子程序技术建立疲劳损伤与单元刚度耦合算法进行有限元分析并将仿真结果与试验得到的疲劳寿命进行对比。结果表明:采用损伤-刚度耦合的仿真方法的分析结果与试验结果符合较好。     

循环载荷作用下铝合金船体板架结构疲劳特性研究

为研究铝合金船体板架结构疲劳特性,寻求循环载荷作用下船体板架结构疲劳寿命变化规律。本文以铝合金船体板架结构为研究对象,设计制作不同节点实尺度板架模型,开展循环载荷作用下铝合金船体板架结构疲劳试验,获取试验中测点应力与循环加载次数等数据,并采用Ansys/Fe-safe平台建立模型进行疲劳仿真分析,将仿真得到节点板架S-N曲线与试验结果进行对比分析。结果表明:1)铝合金板架结构疲劳破坏模式存在一般性规律,节点2板架疲劳性能更好;2)试验与仿真得到节点板架疲劳裂纹萌生及破坏位置一致,且试验测得热点应力、循环寿命与仿真水平基本相当,揭示了节点板架结构断裂原因在于高载循环应力下产生的疲劳损伤;3)拟合得到试验与仿真S-N曲线吻合度较高,且试验曲线更偏于保守、安全。研究成果可为铝合金船体板架结构疲劳强度评估及寿命预测提供参考。     

岸边集装箱桥式起重机撑管封板疲劳开裂分析

为探究岸边集装箱桥式起重机撑管封板受载情况和焊缝危险位置的疲劳寿命,对65 t/60 m岸边集装箱桥式起重机的典型载荷工况进行分析。计算门框上水平撑管的疲劳载荷幅值,研究撑管封板焊缝的受载情况,应用S-N曲线法计算焊缝的结构应力并分析焊缝危险位置的疲劳寿命。结果表明,最大von Mises应力出现在封板与节点板端部角焊缝的焊趾上。封板焊缝危险部位的疲劳寿命无法满足岸边集装箱桥式起重机安全服役30 a的要求。     

单点系泊系统将军柱疲劳分析

渤海某FPSO的单点系泊装置固定塔架由导管架、将军柱和上部组块构成,其中将军柱是系泊力的主要承受构件之一,其结构安全至关重要。由于系泊力是典型的交变载荷,作用在结构上会产生疲劳损伤,因此有必要对将军柱进行在位期间的疲劳分析。本文提出一种长期海况下海上固定装置疲劳计算方法,通过AQWA软件建立单点系泊系统的多体耦合水动力模型模型,根据渤海的海况环境资料计算出FPSO运动时域内所受到的的系泊力;基于S-N曲线方法与Miner线性累计损伤理论,通过nCode Designlife疲劳计算软件计算将军柱结构的疲劳寿命和管节点的疲劳损伤;评估结构的疲劳强度,分析易发生疲劳的关键节点位置,并给出增加管节点疲劳寿命的建议及设计方法,为相同类型的海上固定式结构物的结构设计及疲劳分析提供有益的参考及借鉴。     

基于Ansys子模型法的肘板结构优化

基于Ansys子模型法,建立压力容器平面舱壁主构架与耐压壳体连接处肘板结构参数化模型,进行三角形肘板和弧形肘板的应力与疲劳寿命仿真分析。并在此基础上进行Ansys与Matlab联合双目标遗传算法优化计算,优化后的肘板结构质量大大减轻,疲劳寿命显著提高,本文方法可为此类结构的强度分析及优化设计提供参考。     

基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳评估

疲劳破坏是船舶结构的主要破坏形式之一。为了保证船舶结构有足够的疲劳强度,各国船级社、船厂等均建立了船舶结构疲劳强度校核规范作为船舶疲劳评估的指导性文件,尽管这些规范均是建立在S-N曲线方法基础上的,但由于S-N曲线方法存在自身无法克服的缺陷(如忽略材料的初始缺陷等),对同一节点进行计算得到的疲劳寿命大相径庭。该文作者在基于裂纹扩展理论的基础之上,给出了一套详细的船体结构疲劳评估方法,并应用此方法对大型船舶结构典型节点的疲劳寿命进行评估,以期能为完善船舶结构疲劳寿命的评估提供参考。