0 引　言

FLNG（floating LNG production unit）是集海上天然气的预处理、液化、储存、外输为一体的新型浮式装置，主要用于海洋油气田的开发^[1]。根据实际生产需要，其主甲板上设有多个不同功能的工艺模块，从而实现电站、预处理、分馏、液化、冷凝等功能。支墩作为模块和主甲板连接结构，承受模块产生的静、动载荷，是FLNG的关键技术之一。有效的支墩结构可以保障模块的安全，满足设备的生产技术指标，从而保证整个FLNG系统可以安全、连续、高效的运行。

目前，世界上仅韩国少数船企全面掌握新建FLNG的开发设计建造能力，我国还未有FLNG实船自主开发设计建造的先例^[2]。

本文研究的目标船为自主研发，系按实船标准进行设计。垂线间长约350 m，宽约70 m，满载排水量接近45×10⁴ t，LNG舱容量超过200000 m³，此外还设有LPG舱和凝析油舱。图1为侧向布置视图，方框内为主甲板上布置的工艺模块。

1 模块支墩结构设计 1.1 支撑形式

模块支墩的整体支撑形式主要有3种：

1）刚架结构形式

模块设多个支墩，每个支墩均与主甲板直接进行焊接。建造方便，但支墩承受船体梁的载荷，容易在与主甲板连接处产生疲劳破坏，通常用于海况好的海域。

2）简支梁结构形式

部分模块支腿与模块支墩面板焊接以限制其水平位移，其余可水平自由滑动。优点是释放了船体梁载荷，大大降低产生疲劳裂纹的概率，但施工较为复杂。目前FPSO多采用这种形式，适用于海况恶劣的海域，海况较好、模块非常重的FPSO也有采用^[3]。

3）四点支撑形式

4个支撑点均不与主甲板焊接，而是通过面接触传递载荷。4个支墩通过设置不同的接触面，从而承受不同方向的载荷：4个支墩均承担垂向载荷；仅船长同一端2个支墩承担纵向载荷；仅船宽同一侧2个支墩承担横向载荷。通过这种方式既不影响垂向承载能力，又避免了船体梁纵向和横向变形导致的载荷，同时模块整体吊装较为方便，减少了模块安装周期。缺点是船体产生较大垂向升沉运动时模块和支墩容易脱离，因此通常用于海况较好的海域^[3]。

Prelude号FLNG采用的是四点支撑形式。

本文目标船作业区域位于西非几内亚湾，按规范属于热带航区，设计浪弯矩和剪力均取无限航区的0.8倍。LNG舱和LPG舱采用薄膜型维护系统，为了减少自由液面的晃荡载荷，使用双排舱设计。具有连续的内壳纵舱壁，船中设2道连续的纵向隔离舱壁，为上部模块的支撑提供了基础。目标船的上部模块为左、右舷两排布置，支墩与上部模块界面距主甲板约5.5 m。图2为目标船的横向主要结构示意图。

根据模块支墩各种支撑形式的特点和本项目的具体情况，确定采用四点支撑型式的支撑方案。由于舷侧支墩有一边无法设置横向肘板，因此把限制模块横向位移的功能设在船中处支墩。目标船把限制模块纵向位移的功能设在前部支墩，也可以根据需求设在后部支墩。图3为目标船模块采用的四点支撑原理示意图。

表1给出图3中不同位置支墩所限制模块位移的方向，即其承受载荷的方向。

1.2 结构形式

模块支墩的形式通常有直接焊接式、开放式、壁式和箱式等形式，采用何种形式与其支撑形式是相互关联的。

目标船主甲板上共有16个模块，总重量接近5×10⁴ t，最重的单个模块重量为4700 t。因此，需要采用承载能力强的结构形式。加上整体上已选定四点支撑形式，因此模块支墩采用箱式结构。

支墩顶部为长方体形状，为模块连接界面，水平和顶部5个面负责不同方向的载荷传递，设有多道肘板以保证其支撑刚度；支墩由顶部往下逐渐放大，横向尽量对齐横舱壁和横向强框，纵向对齐纵舱壁和顶纵桁。支墩底部角点设纵向、横向圆弧肘板；支墩内部设多道环形水平筋和垂向加强筋，垂向筋底部采用削斜的节点形式，从而避免产生过多的热点，同时把高应力区转移到支墩角点的圆弧肘板处，降低了结构建造、检修的难度。图4为支墩结构示意图。

1.3 模块支墩连接形式

以四点支撑中位置2的支墩为例，说明模块载荷如何通过传递到支墩，并进一步传递到主甲板下的加强结构。图5为支墩顶部和模块连接的示意图（纵向连接方法与横向类似）。

可以看出，上部模块平台的底部和支墩顶部面板通过垂向衬垫连接，水平方向设有“爪形”结构，通过水平衬垫和支墩顶部侧面连接。衬垫装置主要构成为橡胶块，使得载荷传递更加均匀，并固定于模块上。衬垫装置和支墩的接触面贴有表面光滑的金属垫片，支墩顶部和侧面相应位置也焊接表面光滑的金属垫片，两侧垫片之间可自由滑动。通过这样设计，可以确保每个衬垫只传递压力，而不传递拉力和剪力。强度评估中，要根据力的方向将压力载荷施加在正确的连接面上。

2 支墩结构强度评估

支墩强度评估分为2个阶段：

第一阶段采用粗网格评估支墩结构的屈服强度；第二阶段根据粗网格的计算结果选取高应力区域，利用子模型法进行细网格分析。

计算主要使用BV（法国船级社）的三维有限元软件VeriSTAR Hull并依照其相关规范^[4-6]完成。

2.1 粗网格分析 2.1.1 有限元模型

用全宽的三舱段模型，评估目标支墩放置在中舱的左舷。舱段主体采用骨材间距的网格尺寸、支墩及附近的下加强结构，为了使用板单元模拟其真实的结构形状，使用1/4骨材间距的网格。舱段有限元模型参见图6。

2.1.2 计算工况和载荷

目标船作业工况为热带航区，是疲劳强度的主要决定工况，疲劳强度的计算方法可参考相关文献[7]。拖航工况为无限航区，设计波浪弯矩和剪力更大，是本文关注的工况。拖航工况的装载情况较为简单，所有货舱为空舱，压载舱为满舱。

规范中通过把各种载荷进行组合，规定了4种载荷工况，即A，B，C和D。其中，A和B对应船体正浮状态，C和D对应船体倾斜状态。计算载荷计算相关的载荷按类型可以分为静水载荷、波浪载荷、加速度载荷和支墩载荷。

1）静水载荷由装载手册提供，包括吃水、静水弯矩和静水剪力。

2）波浪载荷和加速度载荷由三维水动力分析得到。波浪载荷包括波浪弯矩、波浪剪力和相对波面升高。加速度载荷包括纵荡加速度、横荡加速度、垂荡加速度、首摇加速度、横摇加速度及幅值和纵摇加速度及幅值。图7和图8给出了拖航载况下的垂向波浪弯矩和剪力沿船长的预报值。

4）支墩载荷包括所支撑模块产生的静载和动载，由单独的预报得到。由于支墩数量较多（16×4=64），为了简化设计，所有的支墩均加载最大的载荷包络值。支墩载荷大小参见表2，是否加载Fx和Fy根据支墩所处位置决定。

需要注意的是，这里的模块支墩采用了包络值，因此计算结果仅限于对支墩结构及其加强结构的强度进行评估，评估主船体结构有另外一套流程^[8-9]。根据设计的进程，通常支墩结构评估在主船体结构分析完成后进行。

2.1.3 边界条件

三舱段模型的前端刚性固定，后端为自由端。通过在后端施加弯矩和剪力使得目标位置达到设计载荷。

2.1.4 强度衡准

许用应力 $ \sigma_a$ 的大小为：

$ \sigma_a=1.1\alpha R_f \;\;\;{\rm{N/mm}}^2。$

式中： $ \alpha$ 为基本许用应力因子，对于设计工况（静载加动载），取0.8；R_f为对于目标船采用的普通钢、H32钢和H36钢，等于材料的最小屈服应力，N/mm²。

对于本计算， $ \sigma_a$ 等于单元的中面Von Mises 应力。

2.2 细网格分析

根据粗网格的计算结果选取高应力区域，利用子模型法进行细网格分析。

2.2.1 有限元模型

子模型在舱段模型中截取，在关注区域前后各延伸一个强框的长度。对高应力区域进行细化，采用50 mm×50 mm的网格。为了建模方便，整个支墩结构及下加强结构均加以细化。子模型参见图9，细网格区域模型参见图10。

2.2.2 计算工况和载荷

与粗网格相同。

2.2.3 边界条件

子模型的前后边界与粗网格的相应节点进行关联，从而获取其位移作为边界条件。

2.2.4 强度衡准

1）2t×2t（t为板厚，mm）应力峰值范围内， $ \sigma_{VM}\leqslant 1.3\alpha R_f$ ；

2）2t×2t应力峰值范围以外， $ \sigma_{VM}\leqslant 1.1\alpha R_f$ 。

$ \sigma_{VM}$ 为板单元的中面Von Mises 应力， $ \alpha$ 和R_f的定义同粗网格。

粗网格和细网格屈服强度衡准的具体数值见表3。

2.3 计算结果

支墩及加强结构均为HT36钢，通过HT32钢过渡到普通钢，支墩附近钢级参见图11。

2.3.1 粗网格结果

给出支墩结构自身和主要横向、纵向结构应力结果。粗网格中各支墩的材料和厚度均相同，可以方便地看出不同位置肘板应力大小的对比。

由图12可以看出，支墩顶部载荷传递区域的应力水平最高。因此在施工空间足够的前提下，应尽可能设多道加强筋以降低应力，同时可以为衬垫提供更好的支撑。垂向筋和水平筋的应力较小，基本在150 MPa以内，尺寸可适当减小。

由图13可以看出，支墩外壁的应力水平跟所处位置密切相关，整体应力水平从大到小对应的位置依次为2，4，1，3。需要注意的是，图中的4个支墩分别属于2个相邻的模块。应力高的位置出现在支墩角点的圆弧肘板处，需要进行细网格计算，其他位置应力满足衡准要求。

2.3.2 细网格结果

以位置2的支墩为例对结果进行分析。支墩2承受的3个方向的模块作用载荷，因此应力水平也最高。

从图14可以看出：

1）主甲板结构和下加强结构在靠近肘板趾端处应力最大。

2）肘板自由边中点处应力最大，向趾端逐步降低为较低水平。

3）应力最高的肘板位于纵向靠船中一侧，前后2块位置对应的肘板应力水平相近（485 MPa VS 468 MPa）。为了使其应力水平满足规范要求，增加了肘板厚度（40 mm→80 mm），优化后的肘板应力参见图15。

通过图14和图15对比可以看出，板厚增加一倍，应力只降低了27%，虽然满足了规范要求，但是代价也比较大。因此后续又尝试结合适当加大肘板臂长，肘板自由边增加面板等优化方案，一定程度上降低了板厚。

3 结　语

FLNG支墩设计需要综合考虑模块布置情况、模块重量大小、主船体特点、作业海域等因素，模块结构具体形式和布置方案互相关联。

分析支墩结构强度，要选择合适的计算工况，通过采用载荷包络值可以减少需要分析的支墩数量。根据支墩类型，正确模拟其受力情况。对高应力区域，要综合各种优化手段从而获得最佳效果。