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船型FPSO的可靠性结构设计
Hai-Hong Sun C. Guedes Soares
本文提出了用于FPSO结构设计的基于美国钢结构规范的设计标准。 FPSO结构的设计标准考虑了荷载效应及其概率分布，对于考虑流体动力装载的场地特定条件以及失效模式的三种极限状态：一级，二级和三级，本文引入了“环境严重性因素”。 本文提出的方法可用于开发新建FPSO的结构设计标准，以及从油轮改造而来的FPSO。
关键词：浮式生产储油装置；结构设计标准; LRFD方法
一、介绍
浮式生产储油装置（FPSO），由于其在深水海上石油和天然气开发中的经济性，已经在世界范围内投入使用。
FPSO的形状与油轮非常相似，由现有油轮改造过来的FPSO也占相当大的比重，这样做的目的是为了减少开支和生产时间。
船体结构布置的相似性使得船舶领域上的许多结果可用于直接适用于FPSO，这意味着为船舶开发的许多可靠性方案也适用于FPSO。
正是由于部分FPSO是由于油轮改造而来的，所以FPSO初步的结构设计标准是基于不受限制的条件下钢船的船级社规则。然而，在油船向FPSO的改造过程中，新结构将需要满足海上规范，因此油船与FPSO之间标准的差异就会变得明显。
一个主要的区别是FPSO受到其特定工作位置天气状况的影响，这不同于那些全球范围内工作的油轮，特别是因为不可能像海运船只一样避免恶劣天气。Guedes Soares和Teixeira已经显示了年可靠性指数对不同海洋地区波浪环境的依赖性。这对于依赖于位置的FPSO单元特别重要。在本文中，相关负荷影响对当地气候条件的依赖性是由“环境严重因素”引起的，这影响了波浪的负荷效应。
本文介绍了船型FPSO的可靠性结构设计，包括在正常状态和腐蚀状态下的三种失效模式：一级，二级和三级。
对于上述失效模式使用不同的目标可靠性指标，以允许安全性差异。用于这些目标的评价值只是简单地说明如何针对不同类型的失效模式进行安全差异化，而并不是给出在实践中应该采用的评价值。
二、载荷的概率分布
船型FPSO船体主要受到静水压力，波浪诱导弯矩和外部波浪引起的压力和弯矩的组合
作用。由于在工作时连续不停地储存和卸载，FPSO受到的静水弯矩从一个负载状况变化到另一个，因此，FPSO受到的静水载荷应被视为长期的随机过程。
对于船型FPSO，在时域中提出的泊松矩形脉冲过程用于模拟FPSO在水中受到的静水弯矩。可以通过罗利分布来拟合中垂时刻的强度分布，并通过指数分布来模拟中拱状态时的强度分布，根据公式：
对于中垂时的静水弯矩：
对于中拱时的静水弯矩：
Ms是单独负载条件下的静水弯矩，Vs是负载条件下波浪的速率。对于静水弯矩的名义设计，Ms的初始值由总纵强度要求给出：
L,B,Cb，Cw分别是船长，船宽，方形系数和水线面系数。
在非限制条件下，船体受到的垂直波诱导弯矩已经使用线性和非线性方法做过了很多研究。非线性负载效应预测的几种实际方法是Fonseca和Guedes Soares之一的类型，并已通过了ISSC的评估。最近的模型实验显示，在许多情况下，线性模型可以适当地模拟FPSO船体在波浪中受到的弯矩。然而，也有许多油轮类型的FPSO，其波浪引起的弯矩已被证明是非线性的。最近，针对特定条件下FPSO所受的动压力预测正在进行。普遍接受的是，波浪动压力的长期分布可以使用威布尔分布来建模。
其中Vw是一个波周期的平均到达速率，Hw形状参数从0.9变化到1.1，合理地取1.0作为代表值，Mw是FPSO在使用寿命T中所受到的最大动水压力
其中Ks和Kh是中垂和中拱条件的环境严重性因素。在其他论文中已经给出了计算Ks和Kh的方法。
基于Ferry-Borges方法，组合弯矩的概率分布表示为：
对于实际设计考虑，引入了两种负载组合因子，分别表示为Phi;t和Phi;w
其中第一因子Phi;t具有偏置的特性，第二因子Phi;w是负载减小因子。 Ms,T和Mw,T可以由下式确定：
并且在确定Mt,T后，会使得Mt的极端分布超出e-1。
通常作用在船体上的施加的侧向压力由静态和动态压力组成，即：
其中fwd是考虑动态压力组合的最差情况的极限负载因子。静水压力通常被认为是确定性的，其中包括加工设备和货物或压载水负荷的重量。动态压力是随机过程，极值可以通过指数分布来拟合：
其中pw,0的特征值在DNV Offshore Standard OS-C102中有所表示。
三、极限状态以及目标可靠性指数
与远洋船舶类似，船型FPSO中的三种失效模式通常被认为是：一级，二级，三级——与船体梁，舱壁或腹板框架之间的加强板和加强板之间的未加强的板有关。
船体梁失效模式包括完全塑性模式，初始屈服模式和塌陷模式。最后一个包括船体的屈曲和后屈曲强度，并且始终是失败的控制模态。完全塑性模式是极限强度的上限，这在正常结构的船体中是永远不可能出现的。初始屈服模式假设屈服之前不发生屈曲，这就是船体梁的标准弹性截面模数和材料的屈服强度的函数，通常用于设计实践中。它们的极限状态可以表示如下：
图1，模拟船体塌陷模式极限强度的应力分布
其中Mp，We和Mu是船体的完全塑性力矩，最小截面模量和塌陷力矩;sigma;y是屈服应力；Ms和Mw是静水力矩和波浪诱导力矩；xu，xs和xw分别表示预测塌陷力矩时静水压力与波浪动压力的模型误差。为了评估船型FPSO的塌陷模式，DNV Offshore Standard OS-C102提出了以下简单方程：
其中Aps是面板和扶强材的面积；Z是从面板到中性轴的距离，在受到拉伸和压缩的两侧使用实际屈服和屈曲的强度，，分别为最终的纵向压缩和拉伸强度。i的总和包括中性轴的压缩侧上的所有板，j的总和包括中性轴的张力侧的所有面板。
如Gordo和Guedes Soares所述，上述方程计算的塌陷力矩偏高，因为它不考虑板块元素的后塌陷强度。根据使用ISSC-2000基准计算的五条船体梁进行了分析，并对公式进行了更正：
其中Aps是面板和扶强材的面积；Z是从面板到中性轴的距离，图1显示了中垂条件下应力分布的示意图。应力分布在公式考虑到了单个加强板和硬拐角的极限强度，例如它不均匀分布，如图1所示。
第二种失效模式包括两种主要模式，即由加强筋诱导产生和由板诱导产生，极限状态如下：
其中su和xs是加强板的受压极限强度和建模误差。
其中sigma;up和sigma;u是由加强筋诱导和由板诱导的失效的极限强度，并且可以根据休斯的研究，运用下面的公式解决：
其中是初始偏心率，xi;0和M0是由于单向侧向载荷引起的最大偏转和弯矩。p是由于降低压缩板的刚度引起的偏心率。I和A分别是面板的二阶矩和截面积，考虑到bp（板的宽度）是完全有效的， Ie和Ae是与I和A相似的性质，但转换部分用bpe（有效宽度）替代bp。yf是从面板中和轴到加强筋边缘的直线距离。yp是面板中和轴到换算界面的直线距离。Phi;是组合加载的放大系数
计算板的有效宽度可以通过使用参考文献中的公式计算。如果横向应力sigma;s（正向压缩）和剪切应力tau;独立地作用在板上，那么板的有效宽度应通过应用减小因数来校正。
第三级失效模式指的是在极限状态下的加强筋之间板的失效：
其中sigma;p和xp是目标板的极限强度和建模过程中因为各种原因而造成的误差，目标板的极限强度可以使用如下参考文献【11】中的给出的公式近似计算，其在参考文献【12】中的计算中被采用。
如果前几年没有发生板材失效的问题，则在之后的年份中板材发生失效现象问题的可靠性概率为下式计算的结果：
其中概率pf（i）是第i个工作服役年度出现板材失效的预测概率。
为了建立基于可靠性的船型FPSO设计标准，因此有必要定义模型的目标可靠性指标最小值beta;0。确定目标可靠性指标具体数值的任务很困难，但根据目前的研究情况可以通过。三种方法实现
对于之前没有进行过分析的船型FPSO结构，本文倾向于使用一个“合理”的评价值来进行分析。
在目前，使用规范设计来校准目标可靠性的水平是比较合理的，这已普遍体现于近段时间修改的规范的中。
应用成本效益分析，以便选择最合理的目标可靠性以最大限度地减少结构使用寿命期间建造以及维护的总预期成本。
在评价目标的可靠性水平时，由现有的规范设计向新一代的规范过渡的过程已经做了许多工作，而且到现在为止，这种过渡已经完成了。
曼苏尔根据远洋船舶的失效模式，对于船型FPSO的主强度获得了从1.5至3.5的目标可靠性指标。
Kim和他的助手对34艘船舶进行了简化的目标可靠性分析。下面表1中显示了分析的目标可靠性的结果，其中模式I和模式II指的是上甲板的初始屈服和压缩屈曲时的极限强度，模式III和模式IV指的是船体中垂和中拱状态下的极限强度。
在使用LRFD标准的强度校核过程中，Galambos和Ravindra经过大量的分析，建议将目标可靠性指标beta;0=3.0的作为一般分析要求的默认值。
Lotsberg推荐分析人员使用表2给出的目标年度概率，如图中所示,如果一艘船型FPSO的使用寿命为20年，那么在使用期内对于第一种失效模式的目标值将会是2times;10-3.
对于商船，在计算船体梁（第一类失效模式），加筋板（第二类失效模式），未加筋板（第三类失效模式）这三种失效模式目标可靠性指标时，Mansour推荐使用表三中所示的计算值。
Guedes Soares团队在进行目标可靠性分析时对于不同的腐蚀情况采取不同的可靠性指标——船舶未受腐蚀时取可靠性指标3.7，船舶腐蚀后取可靠性指标3.0。当船舶的腐蚀状态位于以上两种状态之间时，船舶的可靠性指标数值满足线性关系。
目标的可靠性指标计算值与特定的计算方法以及变量采用的具体概率模型有关。因此，它们不能取非常绝对的值，计算出的数值应当被认为是对船舶失效引起的结果及其失效类型的一种参考。除此之外，这些参考值目前是用于船舶的，可以预期，对于FPSO，应采用不同的目标可靠性指标。
四、计算实例
为了确定当前目标船体的可靠性指标，本文对其进行了目标可靠性分析。该FPSO的有关主要细节列在表4中列出，船中剖面的数据如图二所示。
表格5中总
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