300 000 DWT級(jí)FPSO改裝項(xiàng)目首部延伸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳猛 黃渙青 朱繼欣

摘? ? 要：VLCC改裝為FPSO具有經(jīng)濟(jì)性、快速性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)。以一艘300000DWT級(jí)FPSO改裝工程為背景，闡述改裝過(guò)程中首部加裝首樓及舷墻等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程。采用有限元分析方法對(duì)各種工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度及合理性進(jìn)行校核和評(píng)估。計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合規(guī)范及技術(shù)要求。結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)特點(diǎn)和計(jì)算結(jié)果，總結(jié)了FPSO改裝工程中首樓及舷墻區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)和相關(guān)結(jié)論，對(duì)此類(lèi)船的改裝工程起到一定參考作用。

關(guān)鍵詞：FPSO改裝;首樓甲板;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);強(qiáng)度分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U663.5? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The conversion of VLCC into FPSO has the advantages of economy， rapidity and reliability. Based on the 300 000DWT FPSO conversion project， the design method and process for the forecastle and bulwark during the conversion are described. The finite element analysis method is used to check and evaluate the strength and rationality of the structural design under various working conditions. The calculated results show that the structural strength meets the design specifications and technical requirements. The technical points and relevant conclusions of the structural design of forecastle and bulwark area in the conversion project of FPSO are summarized based on the design characteristics and calculation results of the real vessel， which can be used as a reference for conversion of this kind of vessel.

Key words： FPSO conversion; Forecastle deck; Structural design; Strength analysis

1? ? ?引言

FPSO是集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油為一體的大型海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置。其結(jié)構(gòu)龐大，由兩大部分組成：主船體和上部組塊。

基于VLCC改裝成FPSO在全球海工市場(chǎng)較為普遍。相比于新造船，利用VLCC進(jìn)行改裝具有較大優(yōu)勢(shì)：可以大幅縮短設(shè)計(jì)和建造工期，盡早投入運(yùn)營(yíng)以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益;節(jié)約投資額，減少整個(gè)工程的成本支出。但須注意對(duì)VLCC改裝的技術(shù)可行性，全面評(píng)估是否滿(mǎn)足改裝為FPSO的技術(shù)要求和改裝過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)。

將大型VLCC改裝為FPSO涉及船體、輪機(jī)、電氣、煉化、系泊等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的協(xié)調(diào)工作，是一個(gè)超大型工程的集群。在改裝時(shí)，整個(gè)工程項(xiàng)目通常按模塊、分段、專(zhuān)業(yè)有序進(jìn)行。本文重點(diǎn)關(guān)注在改裝過(guò)程中首部延伸區(qū)域（首部加裝首樓及舷墻）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究，對(duì)改裝中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)和闡述。

2? ? ?FPSO首樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及技術(shù)要點(diǎn)

FPSO首樓結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)可參照美國(guó)船級(jí)社《Rules for building and classing Floating Production Installations》和《Rules for building and classing steel vessels》（2013）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）的有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)件加強(qiáng)。

2.1? ?原船相應(yīng)區(qū)域結(jié)構(gòu)評(píng)估

在改裝設(shè)計(jì)之前，按照原船設(shè)計(jì)圖紙結(jié)合實(shí)船測(cè)量對(duì)相應(yīng)區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。依據(jù)《規(guī)范》計(jì)算結(jié)果，對(duì)于構(gòu)件布置不合理的區(qū)域重新布置、不滿(mǎn)足要求的構(gòu)件尺寸進(jìn)行更換和加強(qiáng)。重點(diǎn)評(píng)估對(duì)象為主甲板以及強(qiáng)橫梁和縱桁、單點(diǎn)系泊設(shè)備區(qū)域的外板及強(qiáng)肋骨。

2.2? ?首樓結(jié)構(gòu)布置和優(yōu)化

首樓甲板通常采用縱骨架式，根據(jù)總布置圖以及首樓甲板設(shè)備布置圖進(jìn)行主要構(gòu)件（強(qiáng)橫梁和縱桁）的布置：主要構(gòu)件應(yīng)和甲板大型設(shè)備基座支點(diǎn)布置在同一平面內(nèi)以起到支撐作用;根據(jù)主要構(gòu)件位置進(jìn)行次要構(gòu)件的布置和加強(qiáng);舷側(cè)外板采用縱骨架式，強(qiáng)肋骨位置應(yīng)盡可能與原船主要構(gòu)件在同一平面內(nèi)，并與原船結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)。

在首樓舷側(cè)外板后端留有一定尺寸與舷墻對(duì)接;首舷墻結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，縱骨布置應(yīng)與首樓縱骨對(duì)接;舷墻的強(qiáng)肋骨位置盡可能與原船主要構(gòu)件在同一平面內(nèi)，否則應(yīng)在強(qiáng)肋骨位置的下甲板處進(jìn)行支撐加強(qiáng)以減小該處受力影響。

2.3? ?結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

FPSO首樓甲板布置大量甲板設(shè)備（如：軟管絞車(chē)、快速脫鉤設(shè)備等），必須進(jìn)行強(qiáng)度分析驗(yàn)證。強(qiáng)度分析可利用大型商用有限元分析軟件MSC. PATRAN/NASTRAN進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（1）有限元計(jì)算模型

整個(gè)模型包括兩部分：新加裝結(jié)構(gòu)（首樓及舷墻）和原船部分區(qū)域結(jié)構(gòu)。模型縱向范圍從舷墻后遠(yuǎn)端橫艙壁至首樓前端;橫向范圍從一舷至另一舷;垂向范圍一般為主甲板下一層甲板以上。

艙壁、縱桁、強(qiáng)橫梁以及各強(qiáng)構(gòu)件腹板等，采用二維3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬;其它縱骨、加強(qiáng)筋以及強(qiáng)構(gòu)件面板等，采用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M。

（2）邊界條件

模型邊界應(yīng)遠(yuǎn)離主要受力評(píng)估區(qū)域，盡可能避免邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響：縱向在尾端橫艙壁處;垂向在主甲板下一層甲板處進(jìn)行剛性固定。

（3）工況及載荷

依據(jù)《規(guī)范》要求，計(jì)算中施加的載荷有：規(guī)范計(jì)算壓強(qiáng)、甲板上浪載荷、首部抨擊載荷、自身所受全船運(yùn)動(dòng)加速度和重力、以及甲板主要輸油設(shè)備重力等載荷[1] [2]。結(jié)合設(shè)計(jì)載況進(jìn)行工況組合[3]，見(jiàn)表1。

3? ? ?改裝設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1? ?實(shí)例簡(jiǎn)介

以“瑪麗卡”號(hào)FPSO的首樓和首舷墻結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)為例，建立相應(yīng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)有限元模型，根據(jù)《規(guī)范》對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。該船主尺度參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2? ?結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)

根據(jù)總布置圖和使用功能，確定首樓甲板主要設(shè)備支撐點(diǎn)，以此布置甲板下主要構(gòu)件用來(lái)支撐主要設(shè)備;根據(jù)主要構(gòu)件位置和其他設(shè)備布置甲板縱骨;依據(jù)《規(guī)范》計(jì)算構(gòu)件規(guī)格并對(duì)特殊部位進(jìn)行加強(qiáng)。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意首樓舷側(cè)外板、舷墻外板與原船外板的對(duì)接方式和水密性，以及首樓強(qiáng)肋骨在主甲板處無(wú)強(qiáng)構(gòu)件支撐時(shí)應(yīng)對(duì)其下部進(jìn)行加強(qiáng)。

普通鋼無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)采用高強(qiáng)度鋼以提高構(gòu)件強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)首樓和舷墻的外板、主要構(gòu)件和首部延伸結(jié)構(gòu)，采用屈服強(qiáng)度為355 MPa的高強(qiáng)鋼（AH36）;其他構(gòu)件采用屈服強(qiáng)度為235 MPa的普通鋼。首樓甲板結(jié)構(gòu)平面圖，見(jiàn)圖1。

3.3? ?強(qiáng)度計(jì)算

（1）模型范圍及單元類(lèi)型

有限元模型：縱向范圍從FR98至首，橫向范圍從左舷至右舷，垂向范圍為原船二甲板及以上全部結(jié)構(gòu);網(wǎng)格尺寸約為肋距的一半;整個(gè)模型采用三種單元類(lèi)型，共約33 378個(gè)單元。其中，板單元23 291個(gè)、梁?jiǎn)卧?0 086個(gè)以及質(zhì)量點(diǎn)單元1個(gè)。有限元模型見(jiàn)圖2。

（2）邊界條件及載荷施加

對(duì)模型中FR98艙壁及主船體下二層甲板施加剛性固定，具體邊界條件設(shè)置見(jiàn)圖3;依據(jù)規(guī)范和計(jì)算結(jié)果對(duì)模型施加載荷，其中規(guī)范計(jì)算壓強(qiáng)的載荷施加見(jiàn)圖4。

（3）強(qiáng)度衡準(zhǔn)及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《規(guī)范》要求結(jié)合本船使用情況確定許用應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足要求。許用應(yīng)力值和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和表4;應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5～圖8;計(jì)算中含構(gòu)件的屈曲校核，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4? ? ?結(jié)論

（1） 對(duì)于主要構(gòu)件和舷側(cè)外板，因受外部載荷影響較大，須加大構(gòu)件尺寸和采用高強(qiáng)度鋼以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;

（2） 對(duì)于首樓和舷墻結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件需與原船主要構(gòu)件布置在同一個(gè)平面內(nèi)。經(jīng)有限元計(jì)算結(jié)果表明，主要構(gòu)件與主甲板連接處的應(yīng)力較大，主甲板下無(wú)主要構(gòu)件時(shí)必須增加構(gòu)件進(jìn)行支撐和加強(qiáng);

（3） 根據(jù)首樓甲板上主要設(shè)備的支撐點(diǎn)布置主要構(gòu)件的位置。計(jì)算表明，主要設(shè)備支撐點(diǎn)處甲板及其下構(gòu)件受力較大，因此在支撐點(diǎn)下布置主要構(gòu)件用以支撐主要設(shè)備所產(chǎn)生的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] ABS，Rules for building and classing Floating Production Installations[S]， 2013.

[2] ABS，Rules for building and classing steel vessels [S]，2013.

[3]石科良，黃渙青，鐘星海，祝文倩，朱繼欣. FPSO軟管絞車(chē)支撐下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析[J].廣東造船，2018（4）：21-24.