劉沛鑫

（大連中遠(yuǎn)海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

20世紀(jì)70年代末，F(xiàn)PSO首次用于海上開發(fā)，作為海上生產(chǎn)的儲油設(shè)備。前些年，全球經(jīng)濟對于能源需求的不斷增長，陸地上開采石油資源的難度越來越大，需要增加大量的FPSO的數(shù)量以滿足開采需求，并被廣泛用于海上油氣開發(fā)的主要海工產(chǎn)品。FPSO以其高技術(shù)、高附加值和高回報，得到了世界各大航運公司的支持，并獲得了FPSO的再訂購訂單。

1 浮式生產(chǎn)儲卸油裝置

1.1 裝置簡介

浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading Systems，F(xiàn)PSO）可在海上漂浮。按自航能力分為自航型和非自航型。配備大型生產(chǎn)模塊，可直接生產(chǎn)和處理海上提取的原油天然氣。具有一個大的儲油室，用于存儲處理過的石油和天然氣。配備方便的裝載裝置，可將加工過的產(chǎn)品運送到穿梭油輪中[1]。FPSO將石油和天然氣生產(chǎn)以及儲存和運輸功能融為一體，如風(fēng)力和波浪抵抗強、對深度的廣泛適應(yīng)、大型儲油和卸載能力、可再利用、可適用于不同海洋條件等[2]。作為石油和天然氣開發(fā)系統(tǒng)的一個重要組成部分，浮式生產(chǎn)儲油卸油系統(tǒng)一般由水下石油生產(chǎn)單位和一艘穿梭油輪組成，以形成一個完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，這是一種高科技產(chǎn)品的海洋工程船。與此同時，高回報、高風(fēng)險和高投資是FPSO對海洋工程的特點[3]。

1.1.1 系泊系統(tǒng)

FPSO主要停泊在運行中的油田。在FPSO進行海區(qū)工作時，系泊系統(tǒng)通常依賴于1個或多個管、固定浮標(biāo)、1個框架或者塔、1個或者多個錨點?？墒┓攀较挡磁c固定系泊是FPSO的2種系泊方式。

1.2.1 船體部分

對油輪或駁船進行改或者根據(jù)自己的要求進行新制。

1.3.1 生產(chǎn)設(shè)備

主要是石油生產(chǎn)與儲存設(shè)備，還有石油、天然氣和水分離設(shè)備等。根據(jù)不同的功能，這些單元可以分為：壓縮空氣單元、氣體處理單元、工藝單元、化學(xué)注射單元、高壓注射單元及熱介質(zhì)單元，發(fā)電站單元，MCC單位，管道走廊等。單元結(jié)構(gòu)是支撐設(shè)備和實現(xiàn)其功能的重要組成。它包括連接下面表面的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和儲存設(shè)備上方的單元平臺結(jié)構(gòu)。它的基本設(shè)計是整個FPSO基本設(shè)計的組成部分。原油加工設(shè)備安裝在FPSO的頂部。成為FPSO上不可或缺且重要的一部分，上層模塊集合了十分先進的技術(shù)。

1.1.4 卸載系統(tǒng)

卸載系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)起重機、卷管車等，用于運送和保證運輸船的安全，并卸下儲存在船體油放入穿梭船。作業(yè)原則是將從海底提取的原油轉(zhuǎn)移到FPSO船，通過輸油管道進行處理，然后將經(jīng)過加工的原油儲存在油箱中，最后通過卸載系統(tǒng)運輸?shù)酱┧蟠?/p>

1.1.5 配套系統(tǒng)

在組成FPSO系統(tǒng)時，外部運輸系統(tǒng)是它的主要支持系統(tǒng)。圖1為某FPSO俯視圖。

圖 1 某FPSO 俯視圖

1.2 救生筏簡介

救生是一艘自行推進的船，在在海上生存時，救生筏儲存一定數(shù)量的食物和淡水供船員食用[4]。

剛救生筏（又被稱傳統(tǒng)救生筏）周圍是鍍鋅鐵板板、鋁合金板塊、不銹鋼板塊或硬塑料，許多壓縮空氣箱是作為救生筏主要浮力部分，外表面涂有防火材料，而底部為木花格板。救生筏的頂部裝有剛性雨棚和剛性入口。通常，固定儲存在甲板或舷側(cè)上地方。當(dāng)打開滑道固定鉤時，木筏會自動滑動，或使用懸吊的筏架施放下海。這種救生筏的最大優(yōu)勢是其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但體積龐大，載人較少，規(guī)模較大。

充氣救生筏也分為氣脹式自扶正救生筏、氣脹式救生浮具和氣脹式救生筏。

1）氣脹式救生筏

此類救生筏由橡膠材料制成的漂浮橡膠、用防水尼龍布制成的帳篷和有圓形、橢圓形、多邊形等帳篷的小筏子組成。救生筏疊起后，用附件儲存在玻璃鋼儲存管中。充氣救生筏的特點是先進的設(shè)計、致密的結(jié)構(gòu)、安全良好、移動便捷、適當(dāng)?shù)牟僮骱涂焖俚呐渲?，廣泛用于海上的許多民用和軍用船只。氣漲式救生筏可以放置2種形式：機械下落和扔擲。機械下落式救生筏在進入水之前被擴充完畢。投擲的救生 筏救生筏需要在海上充氣。充氣救生筏，可能在充氣期間翻轉(zhuǎn)，必須在人員使用前進行人工校正。

2）氣脹式救生浮具

除無帳篷外，氣脹式救生浮具的生產(chǎn)材料、主要結(jié)構(gòu)、性能要求、配置過程、儲存要求、儲存設(shè)備等與充氣救生筏相似，但釋放方法僅適用于拋射，其特點為：

（1）沒有帳篷。浮筏浮出水面后，水工作人員可以從類似的升降平臺或任何一側(cè)進入，這既快捷又方便。

（2）有比氣脹式救生筏更大的承載能力和使用壽命，可乘坐50人。

（3）救生浮具雙浮筏底部被放置在上層和下浮輪胎之間。因此，即使海況惡劣，海面膨脹后(兩邊都可以使用浮具在海面膨脹后處于正漂浮狀態(tài)，無需人工校正。

（4）由于沒有帳篷，它們受到海洋條件和氣候的嚴(yán)重影響，是主要由客船用途的救生筏。

3）氣脹式自扶正救生筏

為了克服在海上漂浮的易傾覆救生筏的難題，并滿足海上救生員的快速和安全需求，一些制造商開發(fā)了氣脹式自扶正救生筏。一旦這條救生筏在操作過程中在水面傾覆，因為筏頂部是圓形的，可以減少與水的接觸面積、筏本身的重量和設(shè)備，并且救生筏的重量中心在底部可以在救生筏充氣和施放后自我調(diào)正[5]。

1.3 救生筏平臺支撐結(jié)構(gòu)

救生筏是FPSO船舶的一項關(guān)乎生命安全的基本配置，為了方便入筏，一般布置在甲板上。對于支撐平臺來講，甲板使用面積與開敞面積越大越好，只有這樣才可以容納更多的設(shè)備與人員，以提供更急舒服的工作環(huán)境。因救生筏的周圍需要有集合地點，并且集合處應(yīng)是一 個相對安全并且無障礙場所，對人均使用面積有一定的要求，所以救生筏需要有很大的平臺以供應(yīng)對突發(fā)危險。如果按照正常設(shè)計，平臺會占用一定的甲板空間，因此為了避免空間的浪費需要設(shè)計出一種延伸出舷側(cè)外板的救生筏平臺結(jié)構(gòu)，這種平臺被稱為懸臂梁救生筏平臺。

在半潛式FPU和FPSO等海上項目中，安裝了名為的滑落式救生筏，用于從上層平臺緊急疏散船上人員。落差和發(fā)射角度需要滿足船級社的限制規(guī)則和公司要求，包括類型的批準(zhǔn)時適用的完整和損傷狀況的平臺。本文根據(jù)充氣救生筏設(shè)計支撐平臺結(jié)構(gòu)用于船舶安全。圖2為某救生筏平臺支撐結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計模型。

圖2 某救生筏平臺支撐結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計模型

2 總布置

某FPSO艏部設(shè)有一處救生筏，布置右舷避難所處，內(nèi)側(cè)與艏部甲板相連，與避難所完美銜接，平臺長約8.6 m、寬約為1.6 m，質(zhì)量約3.6 t。完全懸于FPSO艏甲板外側(cè)，覆蓋整個首部區(qū)域范圍，見圖3。

圖3 救生筏平臺布置圖（僅右舷）

由圖3可以看出，平臺上設(shè)備由吊車，救生筏組成，吊車起重約兩噸，此救生筏展開后可載25人，遇到危險時，將救生筏從搖籃處旋出，然后釋放救生筏并滑入海中，艏避難所內(nèi)的人員從軟梯或救生筏甲板進入救生筏。救生筏平臺完全懸掛在 艏右避難所外側(cè)，作為一個懸臂梁式結(jié)構(gòu)，下方?jīng)]有 任何支撐，所以解決將力轉(zhuǎn)移到平臺的問題，即如何將救生筏支撐平臺的力傳遞到艏部主體結(jié)構(gòu)上。通過分析，附近能夠承受力的主體結(jié)構(gòu)主要有3處，分別是舷側(cè)外板、主甲板及升降裝置撐桿。因此通過合理布置主梁將平臺的力的傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，并對救生筏支撐平臺、舷側(cè)外板及吊柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力進行有限元校核。

3 詳細(xì)設(shè)計

通過以上分析，決定采用焊接型加強大肘板以及L型材作為平面方向的主承力結(jié)構(gòu)，其與舷側(cè)外板相連，與主船體艙內(nèi)結(jié)構(gòu)連接處做適當(dāng)加強和合理過度。

由圖4可知，根據(jù)救生筏布置圖和救生筏尺寸，結(jié)合懸臂梁結(jié)構(gòu)的受力特點，沿船寬方向采用了5處L型材橫梁、5處加強大肘板與艏部甲板平臺及吊柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相連，縱向設(shè)置平臺外側(cè)有一處連續(xù)L型材加強與橫向的L型材及大肘板相連，組成框架結(jié)構(gòu)的主體。重要的受力構(gòu)件是這些加強梁，需要進行有限元分析計算；由于FPSO海況復(fù)雜，此處結(jié)構(gòu)懸于海面之上，故救生筏平臺甲板采用16 mm AH36高強鋼板，其他加強結(jié)構(gòu)也均采用AH36高強度鋼板，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，保護人員的生命安全于危難，為了解決懸臂梁端部受力過大問題，在靠近救生筏下部靠近舷側(cè)外板對應(yīng)的艙內(nèi)增加肘板加強以保證外板不發(fā)生變形，吊柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)下部屬于集中受力區(qū)域，對應(yīng)在甲板下設(shè)置加強平鐵。救生筏平臺的典型支撐結(jié)構(gòu)形式，見圖5。

圖4 救生筏平臺結(jié)構(gòu)平面圖（僅右舷，單位：mm）

圖5 救生艇平臺典型支撐結(jié)構(gòu)（單位：mm）

1）加強橫梁采用L2拼接型材，規(guī)格選擇更加靈活，可根據(jù)計算強度來調(diào)整板厚及材質(zhì)以達(dá)到規(guī)范要求，同時組合拼接可降低材料成本，圖6為典型L2拼接圖。

圖6 典型L2 拼接圖（單位：mm）

2）由于橫向加強大肘板與縱向L3型材垂向連接，需要將大肘板腹板插入L3型材內(nèi)側(cè)，大肘板面板離空30 mm削斜處理以減少對重要結(jié)構(gòu)的影響圖7為典型連接詳圖。

圖7 典型連接詳圖（單位：mm）

3）由于艏部甲板在避難所結(jié)構(gòu)處的外板有探邊，需將此范圍的外板割除，以保證艏部避難所與救生筏平臺的完美銜接，以滿足逃生要求，見圖8。

圖8 理論線節(jié)點圖（單位：mm）

4）為了保證吊臂支撐強度，把救生筏平臺的吊臂落腳處集中放置在外板上，可以減少一部分下部加強，達(dá)到即滿足結(jié)構(gòu)的有限元計算強度又可以節(jié)約材料成本。

5）救生筏平臺與外板銜接需要過渡，施工時候需要考慮加放安裝余量。

4 有限元強度分析

4.1 FEMAP 簡介

有限元計算采用femap軟件進行建模及分析。有限元方法應(yīng)用程序的首字母組合（Finite Element Method Application Program，F(xiàn)EMAP）以NX Nastran為求解器。美國宇航局NASA的結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)（NAsa STRuctural ANalysis, NASTRAN）廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及其零部件、軍工國防、船舶、工程機械和模具等各制造行業(yè)，功能強大，而且確保結(jié)果可信。

應(yīng)力分析的3種方法：

1）解析法。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制訂基礎(chǔ)只有典型解例。

2）實驗應(yīng)力分析法。真實、效率低、費用高。

3）數(shù)字分析方法。邊界要素方法、有限單元法等、靈活、有效、經(jīng)濟、直觀、易懂和高效率。

有限元件法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）是一種將連續(xù)體離散 化成為很多個有限大小的單元體的合集，設(shè)一個適當(dāng)?shù)慕平鉀Q方案，每個元素都有一個近似解，然后得出連續(xù)性力學(xué)問題來求解這個 域總的滿足條件。這不是一個精確的解，而是一個近似的解，事實上的問題被一個簡單簡單的問題所取代。

圖9為救生筏平臺支撐結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖9 救生筏平臺支撐結(jié)構(gòu)有限元模型

4.2 基本要素

有限元分析所用的全局坐標(biāo)軸：x軸朝向船首的縱向正方向；y軸為橫向，正向左舷；z軸為垂直，正向上。

使用常量為：鋼的楊氏模量205 800 MPa、鋼的泊松比為0.3、鋼的質(zhì)量密度為7.85 Mt/m3、海水質(zhì)量密度1.025 Mt/m3、重力加速度9 810 mm/s2。

為了準(zhǔn)確地評價吊桿的強度，吊桿基礎(chǔ)、主甲板及與支撐結(jié)構(gòu)相連的其他結(jié)構(gòu)均由錨桿構(gòu)成。梁單元模擬了遠(yuǎn)離吊柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的梁面板、梁柱和甲板與艙壁加強。

連接吊柱基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格尺寸≤50 mm×50 mm。遠(yuǎn)離吊架基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格尺寸≥200 mm×200 mm。

載荷包括自重和反力。反作用力信息由救生筏設(shè)備制造商提供。

結(jié)構(gòu)模型的自重由FEMAP自動生成。系數(shù)為1.1，用于考慮有限元模型中未模擬的焊縫和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。救生艇設(shè)備供應(yīng)商采用不同的地方坐標(biāo)系計算吊艇架的反力。為便于計算，模型吊艇架的載荷將采用設(shè)備供應(yīng)商提供的本地坐標(biāo)系，見圖10。

圖10 裝載位置信息(救生筏)

4.3 屈服強度校核準(zhǔn)則

根據(jù)ABS的《指導(dǎo)移動式近海鉆井裝置建造入級》可知：與救生筏發(fā)射設(shè)備中使用的所有構(gòu)件應(yīng)設(shè)計安全系數(shù)的基礎(chǔ)上最大工作負(fù)載分配和最終的材料用于建造的優(yōu)勢。所有構(gòu)件的最小系數(shù)為4.5，許用應(yīng)力αa為

式中：Rm為材料抗拉強度。對于高強度船體結(jié)構(gòu)鋼，采用的Rm為490 MPa。

Rm=490 MPa時，αa為108.9 MPa；Rm=400 MPa時，αa為88.9 MPa；對于普通強度船體結(jié)構(gòu)鋼，采用的抗拉強度為400 MPa。

用于比較的應(yīng)力是平面單元中心的馮·米塞斯等效膜應(yīng)力。von Mises等效應(yīng)力的定義如下：

式中：σx可計算出x方向的面內(nèi)應(yīng)力；σy可計算出y方向的面內(nèi)應(yīng)力；τxy可計算平面內(nèi)剪應(yīng)力。

屈曲檢查的面板位置是根據(jù)所有載荷情況的壓應(yīng)力水平確定的。使用DNV軟件進行屈曲能力檢查:板的屈曲，算出其屈曲強度足夠。

通過有限元結(jié)構(gòu)強度校核，結(jié)果表明救生筏支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的強度來承受升降筏的運行載荷。

5 結(jié)論

本文所描述的救生筏平臺設(shè)計思路，降低了平臺的使用面積，提高了空間的利用率，節(jié)省了大量的材料因為使用了框架結(jié)構(gòu)，大大降低重量，采用組合型材與肘板，使得施工難度極大降低，更加高效靈活。由于采用這些措施，使救生筏平臺的經(jīng)濟適用性得到更進一步提升，在保證經(jīng)濟成本的情況下，又保障了生命安全；在該平臺設(shè)計時考慮了平臺結(jié)構(gòu)對艏部結(jié)構(gòu)的強度影響，使其更加合理，適用于大部分FPSO項目，對實際具有很強的指導(dǎo)意義。