某FPSO 庇護(hù)所結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及探析

劉沛鑫

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

1970年代末，F(xiàn)PSO首次用于海洋開發(fā)，作為海洋生產(chǎn)的石油儲藏庫[1]。在過去幾年里，世界經(jīng)濟(jì)對能源的需求不斷增加，當(dāng)?shù)氐氖唾Y源越來越難以開采。有必要增加FPSO的數(shù)量，以滿足開發(fā)需求，并被廣泛用于開發(fā)主要海洋產(chǎn)品的石油和天然氣[2]。由于高技術(shù)、高附加值和高回報(bào)，F(xiàn)PSO得到了世界上最大的船運(yùn)公司的支持，并收到了FPSO的再訂單。

FPSO主要集中在運(yùn)行中的油田[3]。當(dāng)FPSO在海洋區(qū)域運(yùn)行時(shí)，系泊系統(tǒng)通常依賴一個(gè)或多個(gè)管道、固定浮標(biāo)、框架或塔以及一個(gè)或多個(gè)錨點(diǎn)?？墒┓攀胶凸潭ㄏ挡词窃贔PSO系泊的2種方法[4]。

本文采用單點(diǎn)系泊FPSO作為研究對象（1艘由VLCC油輪改裝而成的FPSO）。FPSO將采用外轉(zhuǎn)塔系泊在700 m水深，井口位于水深800 m～1 200 m。

臨時(shí)庇護(hù)所是在海上石油和天然氣生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生火災(zāi)和爆炸等災(zāi)難性事件時(shí)為設(shè)施內(nèi)的所有人提供一定時(shí)間的保護(hù)，為等待救援爭取時(shí)間。臨時(shí)庇護(hù)所誕生的主要原因是1988年7月在英國北海的Piper Alpha平臺上開發(fā)海上石油以來最嚴(yán)重的火災(zāi)和爆炸事件，該平臺被毀，死亡人數(shù)167。由于Piper Alpha平臺無法為工作人員提供安全的庇護(hù)所，從而導(dǎo)致大批等待救援的人死亡[5]。

從FPSO撤離的最佳方式是直升機(jī)，因此必須在臨時(shí)庇護(hù)所內(nèi)為直升機(jī)停機(jī)坪提供安全逃生路線。當(dāng)直升機(jī)不在FPSO時(shí)，發(fā)生緊急情況下需撤離FPSO，應(yīng)考慮所設(shè)想的第一個(gè)撤離方法。

第二種疏散方法是一種氣脹式的救生筏，確保所有人在FPSO的生活區(qū)附近布置，并在艏部放置一條可容納25人的救生筏。

撤離的第3種方式是直接通過繩索和救生衣直接進(jìn)入海洋。臨時(shí)庇護(hù)所舷側(cè)分別配備了救生衣、煙霧罩、燈具和手套等，分別滿足全體人員的安全需要。

臨時(shí)庇護(hù)所可為生產(chǎn)設(shè)施的工作人員提供一段時(shí)間的安全保護(hù)，并為等待救援與自行的方式解救爭取時(shí)間。隨著我國對安全方面的重視提高以及日益增多的全球協(xié)作，臨時(shí)庇護(hù)所將逐步成為海洋石油和天然氣生產(chǎn)設(shè)施的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[6]。

1 整體布置

某FPSO艏部設(shè)有一處庇護(hù)所結(jié)構(gòu)，布置左舷處，位于艏部甲板上，結(jié)構(gòu)長約為7.6 m、寬約為5.5 m，高約為5.0 m，重約15.1 t。完全坐落于FPSO艏左甲板上，覆蓋整個(gè)艏部區(qū)域范圍，見圖1。

由圖1所示，庇護(hù)所內(nèi)部包含以下功能區(qū)域：

1）消防站由消防箱構(gòu)成內(nèi)部有一套消防服和呼吸器。對應(yīng)遠(yuǎn)端放有滅火器。

2）鋼貨架，分為3層裝有，急救箱，可折疊式擔(dān)架。

3）玻璃鋼箱，內(nèi)含25個(gè)救生衣供船員在緊急情況下逃生。

4）鋼制柜，內(nèi)部含有通訊設(shè)備覆蓋國際海岸連接，旁邊設(shè)有電話亭，便于緊急情況聯(lián)系求救，以及消防毯和煙霧套件。

5）平臺上有一吊車及救生筏都在舷邊位置，起重噸位大約2 t，用于吊運(yùn)施放救生筏。

庇護(hù)所結(jié)構(gòu)底部安裝工字鋼將下部切分為若干小空間以方便鋪設(shè)格柵。庇護(hù)所結(jié)構(gòu)落在主甲板及轉(zhuǎn)塔支撐頂甲板處，庇護(hù)所能夠承受力的主體結(jié)構(gòu)主要有主甲板和轉(zhuǎn)塔支撐頂甲板，以及壁子受爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷[7]。因此，通過合理布置及設(shè)計(jì)庇護(hù)所結(jié)構(gòu)的力的傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，并且在爆炸時(shí)讓庇護(hù)所壁子能夠承受所產(chǎn)生的沖擊載荷，因此需對主甲板結(jié)構(gòu)以及壁子受力進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核[8]。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 主尺度

以FPSO為主尺度如下：載重水線長LOA為300 m，垂線間長LBP為290 m，型寬B為52.2 m；立管支撐結(jié)構(gòu)及沉箱管安裝后58.5 m，型深H為27.9 m，夏季結(jié)構(gòu)吃水TS=20.1 m，夏季結(jié)構(gòu)載重為301 979 t。FPSO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命至少為28年。

2.2 材料選取

1）所有材料均為ABS級鋼，標(biāo)記如下：

“A” 表 示ABS 等 級“A” 低 碳 鋼（235 N/mm2）；“AH-36”表示ABS級高強(qiáng)度鋼（355 N/mm2最小屈服量）。

2）所有材料為ABS-AH36除標(biāo)記外。

2.3 焊接注意事項(xiàng)

1）所有角焊縫和對接焊縫都是連續(xù)的。2）在板厚＞3 mm的對接焊縫上，要求有1∶3斜度的削斜。

2.4 具體設(shè)計(jì)

通過以上分析，決定以頂甲板為基面采用L250型角鋼及加強(qiáng)肘板作為平面方向的主承力結(jié)構(gòu)，艉部與內(nèi)側(cè)增加3處壁子具有防爆效果，在油氣燃燒爆炸時(shí)對人員起到保護(hù)作用。庇護(hù)所結(jié)構(gòu)（見圖2）落在主甲板上，設(shè)計(jì)時(shí)需把結(jié)構(gòu)與下部甲板加強(qiáng)對位，這樣既可以滿足強(qiáng)度需要又可以節(jié)省大量鋼材。由于內(nèi)側(cè)壁子落在轉(zhuǎn)塔支撐結(jié)構(gòu)的傾斜甲板上，此位置需要合理過渡保證強(qiáng)度需要。

圖2 庇護(hù)所結(jié)構(gòu)平面圖（僅左舷）

如圖2所示，根據(jù)庇護(hù)所布置圖及庇護(hù)所尺寸，結(jié)合其受力特點(diǎn)，庇護(hù)所結(jié)構(gòu)頂甲板采用采用1 2 m m AH36高強(qiáng)鋼板，并以此為基面，沿船寬方向由兩處壁子及中間一處T型材強(qiáng)框架構(gòu)成，縱向設(shè)置5處連續(xù)L250型角鋼加強(qiáng)與橫向的T型材強(qiáng)框架及艏艉壁子相連，靠船舯側(cè)有一處縱向壁子，組成框架結(jié)構(gòu)的主體。重要的受力構(gòu)件是這些加強(qiáng)梁，需要進(jìn)行有限元分析計(jì)算。由于FPSO海況復(fù)雜，極容易發(fā)生油氣燃燒事故，故庇護(hù)所結(jié)構(gòu)均采用AH36高強(qiáng)鋼板，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，保護(hù)人員的生命安全于危難。防護(hù)罩防爆墻位于110號框架，在上層甲板與左舷處。防爆墻將用作消防站，也可以保護(hù)救生筏免受火災(zāi)和爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力。庇護(hù)所結(jié)構(gòu)艉壁圖見圖3，庇護(hù)所結(jié)構(gòu)典型橫框架見圖4。

圖3 庇護(hù)所結(jié)構(gòu)艉壁圖

圖4 庇護(hù)所結(jié)構(gòu)典型橫框架圖

1）如圖3所示，橫向艉壁采用16 mm AH36高強(qiáng)鋼板，增加6處垂向加強(qiáng)，規(guī)格為L350角鋼，上部增加200×10擋水平鐵，靠近轉(zhuǎn)塔支撐結(jié)構(gòu)處開設(shè)防風(fēng)雨門，與轉(zhuǎn)塔支撐結(jié)構(gòu)相接處倒角合理過渡。由于艏部線型變窄，與艉壁結(jié)構(gòu)類似，故不作介紹。

2）如圖4所示，橫向框架采用T型材與垂向加強(qiáng)平鐵，T型材規(guī)格為12×500+20×150AH36，平鐵規(guī)格為16 mm AH36鋼板，與T型材連接處，受力集中，故需要趾端加大并增加L3型平鐵，下端與頂甲板削斜離空過渡，反向也需加肘板以保證加強(qiáng)，肘板規(guī)格為12×500×500×R800。

3）如圖5所示，縱向側(cè)壁采用12 mmAH36高強(qiáng)鋼板，增加3處垂向加強(qiáng)，規(guī)格為L150角鋼，3處肘板加強(qiáng)，上部增加200×10擋水平鐵，由于轉(zhuǎn)塔支撐結(jié)構(gòu)頂甲板傾斜，故壁子也需傾斜過渡。

圖5 庇護(hù)所結(jié)構(gòu)側(cè)壁圖

4）如圖6所示，縱向框架采用L250角鋼與垂向加強(qiáng)L350角鋼，與橫向及垂向加強(qiáng)連接處，受力集中，故需要增加肘板以保證加強(qiáng)。

圖6 庇護(hù)所結(jié)構(gòu)典型縱框架圖

5）庇護(hù)所結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)塔支撐結(jié)構(gòu)及頂甲板銜接需要過渡，施工時(shí)候需要考慮加放安裝余量。為了解決壁子爆炸受力過大問題，外墻H60膨脹涂層，防爆等級0.025 MPa，屋頂外側(cè)面H60膨脹涂層，防爆等級0.025 MPa，以確保外板不發(fā)生變形繼而保障人員安全。

3 限元設(shè)計(jì)的前提

3.1 FEMAP 簡介

FEMAP有限單元的計(jì)算用于建模和分析。有限元方法應(yīng)用程序的首字母組合（Finite Element Method Application Program ， FEMAP ），NASTRAN作為解決方案，在航天、汽車和部件、軍事和國家防御、船舶、建筑機(jī)械、模具和其他制造行業(yè)中廣泛使用，并確?？煽康慕Y(jié)果。有限單元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）是一種方法，用以確定許多小單元件物體的連續(xù)性，確定一個(gè)適當(dāng)?shù)慕平鉀Q方案，每一個(gè)單元都是近似解決辦法，然后獲得連續(xù)性力學(xué)可持續(xù)性問題，以解決這一領(lǐng)域的滿足條件[9]。這不是一個(gè)準(zhǔn)確的解決辦法，而是一個(gè)近似的解決辦法，因?yàn)閷?shí)際問題被一個(gè)簡單的解決辦法所取代[10]。

3.2 量綱

在這個(gè)分析中使用公制單位，詳情為：長度，mm；面積，mm2；截面模數(shù)，mm3；轉(zhuǎn)動慣量，mm4；加速度，m/s2；質(zhì)量，t；力，N；時(shí)間，s；壓力，N/mm2。

3.3 全局坐標(biāo)軸

有限元分析所用的全局坐標(biāo)軸如下：X正方向從船艉指向船首；Y正方向從右舷指向左舷；Z正方向從船底指向甲板。

3.4 材料屬性

使用以下常量：楊氏模量E=206 000 MPa；泊松比υ=0.3；密度ρ=7 850 kg/m3。

4 有限元模型

4.1 模型描述

有限元模型中包括前掩體結(jié)構(gòu)和主船體結(jié)構(gòu)。有限元模型的范圍如下。

縱向（X）：由FR110至FR120。

橫向方向（Y）：從左舷DL14到舷外。

垂直方向（Z）：從距基26 400 mm到庇護(hù)所頂平面。

結(jié)構(gòu)模型由甲板、壁子、縱桁、梁和加強(qiáng)筋組成，所有對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和剛度有幫助的構(gòu)件都包含在分析模型中。

甲板面、壁子和縱桁腹板采用單元模型。橫梁、加強(qiáng)筋和縱桁面板采用桿單元建模。篩網(wǎng)尺寸為200 mm×200 mm。

4.2 坐標(biāo)系統(tǒng)

使用右手坐標(biāo)系，x軸正向前，y軸正向左舷，z軸正從基線到甲板垂直。原點(diǎn)位于尾垂線（AP）、基線（BL）和中線（CL）交點(diǎn)處。坐標(biāo)系見圖7。

圖7 有限元模型船舶坐標(biāo)系

4.3 邊界條件

在有限元模型的末端采用固定邊界條件。

5 載荷情況

載荷情況分為3種情況：操作條件下的爆破載荷；運(yùn)輸條件下甲板涌浪和撞擊載荷；正常操作條件下的吊柱載荷。

爆破載荷和撞擊載荷分別從2個(gè)方向考慮：從船尾向前、向右舷；從舷內(nèi)爆破，從船頭向船尾，從右舷向舷內(nèi)爆破。吊柱的加載條件定義為在舷外45°方向施加反作用力和額外10%的起重機(jī)重量。

5.1 爆炸載荷條件

根據(jù)API RP 2A-WSD規(guī)范，除了爆炸載荷外，還應(yīng)對實(shí)際的靜載荷、動載荷和儲存載荷進(jìn)行最佳估計(jì)；在爆炸分析中，環(huán)境載荷可以忽略不計(jì)。因此，在計(jì)算中應(yīng)用了3種載荷，即結(jié)構(gòu)自重、防爆墻上的爆炸載荷和甲板載荷。

1）結(jié)構(gòu)重力

加速度在垂直方向?yàn)?.0g。通過軟件自動計(jì)算結(jié)構(gòu)的重力?？紤]到支架、油漆和焊接，模型中采用了載荷系數(shù)1.05。

2）爆破載荷

參照爆破載荷設(shè)計(jì)指南，前方掩體防爆墻開門時(shí)的超壓為0.055 MPa。爆炸載荷作為壓力載荷施加于整個(gè)爆炸壁面。壓力載荷在X和Y方向。門面壓力載荷應(yīng)施加到周圍開口鋼加強(qiáng)上，平均為46個(gè)節(jié)點(diǎn)，約為2 890 N。

3）甲板負(fù)荷

考慮到頂甲板載荷為4 060 N/m2，施加在頂甲板上。

5.2 甲板涌浪和撞擊載荷

由于缺少甲板涌浪報(bào)告，甲板涌浪應(yīng)力按FPI計(jì)算，公式為

式中：Pgi為甲板涌浪應(yīng)力，沿考慮的安裝長度，在指定縱斷面i均勻分布在甲板上，中間的壓力由線性值求得，Pgi＜20.6 kN/m（2.1 fm, 0.192 L/n）；K為海水密度，取值10.052 g/cm3；k1為無量綱常數(shù)，取值1.0；βRVM為ESF相對垂直運(yùn)動因子；Cb為方型系數(shù)；L為安裝的尺寸長度；Fbi為從舷側(cè)最高甲板到i站載重水線（LWL）的干舷。

因此，適用值為0.035 MPa，應(yīng)在三艙壁與主甲板上實(shí)施。

5.3 吊柱載荷

施加正常運(yùn)行工況的慣性載荷和吊柱反作用力。根據(jù)布置方法，將反應(yīng)載荷施加在45°舷外，見圖8，含自重。

圖8 吊柱反力載荷

6 計(jì)算結(jié)果

6.1 應(yīng)力檢查標(biāo)準(zhǔn)

按照API RP 2A-WSD的要求，可增加爆破條件下的許用應(yīng)力，使安全系數(shù)為1.0。在此分析中，有限元模型的許用應(yīng)力為320 MPa，表2為爆炸的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表2 爆炸的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(API RP2A-WSD)

根據(jù)ABS - FPI的要求，由材料屈服應(yīng)力（fy）計(jì)算出許用應(yīng)力。模型中的所有結(jié)構(gòu)都根據(jù)全局模型應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評估，該標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的單元尺寸等于加強(qiáng)筋間距，表3為2種載荷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表3 2 種載荷的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(API RP2A-WSD)

1）甲板涌浪和撞擊載荷

（1）fe(Von Mises)<0.9fy，單元質(zhì)心處應(yīng)力。

（2）f1x(axial stress)<0.8fy，桿和梁單元。

（3）fxy(shear) <0.53fy。

2）吊柱載荷

（1）fe(Von Mises) <0.7fy，單元質(zhì)心處應(yīng)力。

（2）f1x(axial stress)<0.6fy，桿和梁單元。

（3）fxy(shear) <0.4fy。

6.2 變形標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)API RP 2A-WSD，永久變形可能是爆破設(shè)計(jì)的一個(gè)基本特征。需要演示以下內(nèi)容：結(jié)構(gòu)的任何部分都不會對關(guān)鍵操作設(shè)備產(chǎn)生影響；這種變形不會導(dǎo)致支撐安全區(qū)域、逃生路線和登機(jī)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)的任何部分在耐久期內(nèi)倒塌。在分析中，采用絕對位移法對變形進(jìn)行校核。

6.3 應(yīng)力校核結(jié)果

本分析采用基于von-Mises應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力校核，校核結(jié)果見圖9～圖12。

圖9 von-Mises 應(yīng)力（爆炸載荷工況）

圖10 最大剪應(yīng)力（爆炸載荷工況）

圖11 鋼梁的最大應(yīng)力（爆炸載荷工況）

圖12 鋼梁整的最小應(yīng)力（爆炸載荷工況）

根據(jù)爆炸載荷工況的結(jié)果見圖9～圖12，平板單元的von-Mises 最大應(yīng)力值為126 MPa ＜355 MPa，平板單元的最大剪應(yīng)力值為62.62 MPa＜213 MPa，梁最大應(yīng)力值為193.7 MPa＜355 MPa，梁的最小應(yīng)力值為-200.3 MPa＜355 MPa。

根據(jù)甲板涌浪和撞擊載荷工況的結(jié)果見圖13～圖16，平板單元的最大von-Mises應(yīng)力值為84.32 MPa＜320 MPa，最大剪應(yīng)力值為46.36 MPa＜188.15 MPa。梁最大應(yīng)力值為134.1 MPa＜284 MPa。梁最小應(yīng)力值為-127.6 MPa ＜2 8 4 M P a。

圖13 von-Mises 應(yīng)力（甲板涌浪載荷工況）

圖14 最大剪應(yīng)力（甲板涌浪載荷工況）

圖15 鋼梁的最大應(yīng)力（甲板涌浪載荷工況）

圖16 鋼梁的最小應(yīng)力（甲板涌浪載荷工況）

吊柱載荷工況下的von-Mises應(yīng)力見圖17。

圖17 von-Mises 應(yīng)力（吊柱載荷工況）

在吊柱載荷工況下，吊梁應(yīng)安裝在主甲板上，反力傳遞到艙壁的影響很小，接近0。

6.4 變形結(jié)果

根據(jù)結(jié)果可知，最大變形量為6.475 mm。最大變形區(qū)位于前防護(hù)罩防爆墻上門開口自由邊緣附近。

7 結(jié)論

本文提出了一種FPSO艏部庇護(hù)所設(shè)計(jì)的新思路，根據(jù)總布置圖對庇護(hù)所結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，基于詳細(xì)設(shè)計(jì)的支持，運(yùn)用FEMAP軟件，可快速建立有限元模型和基于船體梁的簡化模型，分別校核3種工況下的強(qiáng)度載荷，得到結(jié)論如下：

1）充分利用甲板下橫框架及縱骨加強(qiáng)，使庇護(hù)所結(jié)構(gòu)與之對位安裝，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，降低了加強(qiáng)的數(shù)量，降低了材料利用率。

2）甲板涌浪應(yīng)力按FPI計(jì)算，甲板涌浪應(yīng)力適用值為0.035 MPa，應(yīng)在三艙壁與主甲板上實(shí)施。

3）本文對操作條件下的爆破載荷、運(yùn)輸條件下甲板涌浪和撞擊載荷，正常操作條件下的吊柱載荷進(jìn)行了有限元分析，經(jīng)FEMAP軟件計(jì)算，操作條件下的爆破載荷、運(yùn)輸條件下甲板涌浪和撞擊載荷的應(yīng)力值均符合要求，吊柱載荷工況下，吊梁應(yīng)安裝在主甲板上，反力傳遞到艙壁的影響很小，接近0。根據(jù)結(jié)果，最大變形量為6.475 mm。最大變形區(qū)位于前防護(hù)罩防爆墻上門開口自由邊緣附近。

4）本文僅對典型工況下進(jìn)行了有限元分析，對FPSO中正常工況下的庇護(hù)所結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。而有關(guān)更多工況下該方法的計(jì)算準(zhǔn)確性，還有待在今后的工作中進(jìn)一步開展計(jì)算研究。