FPSO碼頭舾裝靠泊裝置設(shè)計及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

李 強(qiáng) 孫繼林 張春雷 蒙嘉琿 周 蕊

（1. 北京高泰深海技術(shù)有限公司 北京100011；2. 青島北海船舶重工有限責(zé)任公司 船舶與海洋工程研究所 青島266520）

引 言

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）是對開采的石油進(jìn)行油氣分離、處理含油污水、動力發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲存和運(yùn)輸，并且集人員居住與生產(chǎn)指揮系統(tǒng)于一體的綜合性的大型海上石油生產(chǎn)基地，是目前海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品。［1］

船舶舾裝是造船工藝中的一個重要組成部分，其作業(yè)范圍較廣泛，工程量通常可達(dá)船舶建造總工程量的50%左右。船舶的碼頭舾裝作業(yè)時間較長，船舶在泊位舾裝期間很可能會遭遇惡劣氣象條件， 所以應(yīng)該充分重視舾裝碼頭系泊安全研究。對于FPSO這種特殊的大型船舶，其整個建造過程包括設(shè)計、建造、加工、安裝、調(diào)試和試生產(chǎn)等，涉及多個學(xué)科和技術(shù)，需要船體上部組塊設(shè)計單位、工程項目組、建造方、調(diào)試公司、油田作業(yè)方、船東、船級社和設(shè)備供應(yīng)商等多個單位配合協(xié)調(diào)才能完成，碼頭舾裝也更為復(fù)雜和重要。［2］當(dāng)FPSO的船體建成下水之后，除一般船舶的舾裝工作外，還會?？吭隰秆b碼頭進(jìn)行上層模塊的安裝和調(diào)試等后續(xù)工作。很多重要設(shè)備都在此期間安裝。所以，為確保FPSO在碼頭的安全?？亢透咝┕ぃO(shè)計一種專用碼頭舾裝靠泊裝置十分必要。

近些年，我國計算機(jī)和海洋工程科學(xué)領(lǐng)域都發(fā)展迅猛，不斷涌現(xiàn)出很多新型材料并得到廣泛應(yīng)用，尤其是對于超出了船級社規(guī)范計算公式范圍的船舶，有限元計算分析成為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計的重要計算方法。［3］護(hù)舷駁船是FPSO碼頭舾裝靠泊裝置的重要組成部分，本文對其結(jié)構(gòu)按照船級社相關(guān)規(guī)范進(jìn)行有限元計算分析。

1 FPSO碼頭舾裝靠泊裝置組成及工作原理

1.1 靠泊裝置的組成

FPSO碼頭舾裝靠泊裝置主要由護(hù)舷駁船及其輔助裝置（如纜繩和系纜樁等結(jié)構(gòu)）組成，護(hù)舷駁船為其核心組成部分?？坎囱b置與FPSO的水平位置關(guān)系如圖1所示。

當(dāng)FPSO停靠在舾裝碼頭進(jìn)行后續(xù)舾裝工作時，該裝置提供了一種利用護(hù)舷駁船將FPSO和碼頭隔離的設(shè)計方案，即利用2艘護(hù)舷駁船隔離FPSO船體和碼頭，并用纜繩將FPSO船體、護(hù)舷駁船和碼頭相對固定。

圖1 靠泊裝置與FPSO的位置關(guān)系水平面圖

1.2 靠泊裝置工作原理

由于船體和碼頭之間擁有立管提升裝置，所以對于船體和碼頭之間的距離有一定要求?，F(xiàn)有的橡膠充氣球無法滿足工作要求，故設(shè)計2艘鋼制護(hù)舷駁船以滿足?？康墓ぷ餍枨蟆ｔ秆b靠泊裝置為FPSO的碼頭舾裝提供充足的工作空間，并能有效緩沖船體和碼頭之間的作用力，降低船體或碼頭發(fā)生損壞的風(fēng)險。

護(hù)舷駁船漂浮在水面，與FPSO相對位置不變，漲落潮時可隨FPSO船體上下運(yùn)動。護(hù)舷駁船可以根據(jù)潮位的高低利用內(nèi)部的壓載水調(diào)節(jié)自身吃水，以使其與碼頭和FPSO的相對位置調(diào)節(jié)至最合理狀態(tài)。當(dāng)潮位變化（尤其是最高潮和最低潮）時，靠泊裝置可以利用自身壓載調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)自身吃水，從而保證護(hù)舷駁船、碼頭和FPSO船體這三者處于最合理的受力狀態(tài)。護(hù)舷駁船與FPSO的側(cè)面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 護(hù)舷駁船與FPSO的位置關(guān)系側(cè)面圖

2 FPSO碼頭舾裝靠泊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 靠泊裝置主體結(jié)構(gòu)

靠泊裝置的主體結(jié)構(gòu)為2艘護(hù)舷駁船，其結(jié)構(gòu)參考船舶的結(jié)構(gòu)形式，采用鋼制板梁結(jié)構(gòu)，板材和型材的規(guī)格滿足船舶相應(yīng)規(guī)范。［4］護(hù)舷駁船的建造也嚴(yán)格遵循船舶的建造規(guī)范和焊接要求，并且每個艙室均需做密性試驗。主船體結(jié)構(gòu)采用縱骨架的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)有一道前后貫穿的水密縱艙壁，并設(shè)有兩道水密橫艙壁。本駁船的船長、船寬和型深等參數(shù)均按照FPSO碼頭舾裝的靠泊要求設(shè)定，板材的厚度和型材的規(guī)格也要根據(jù)靠泊力的大小作相應(yīng)加強(qiáng)。在既滿足使用要求又盡量減輕總質(zhì)量的前提下，經(jīng)過反復(fù)論證和修改，最終設(shè)計出了合理的結(jié)構(gòu)形式。［5］護(hù)舷駁船典型橫剖面如圖3所示。

圖3 護(hù)舷駁船典型中剖面圖

2.2 靠泊裝置輔助結(jié)構(gòu)

每艘護(hù)舷駁船分成6個水密艙，以便提升護(hù)舷駁船的抗沉性和安全性，并方便調(diào)節(jié)浮態(tài)。每個水密艙上部都設(shè)有一個水密艙口蓋，每個水密艙都裝有壓載排載系統(tǒng)，能根據(jù)水位監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)節(jié)護(hù)舷駁船的吃水。為便于加工制造及日后檢修，每個水密艙口蓋下均設(shè)有扶梯。［6-7］

護(hù)舷駁船與FPSO和碼頭相鄰側(cè)分別安裝橡膠護(hù)舷和方木。當(dāng)FPSO進(jìn)行碼頭舾裝時，船體和碼頭在擁有足夠作業(yè)空間的同時，避免FPSO船體結(jié)構(gòu)和碼頭遭受損傷。護(hù)舷駁船的上部四周裝有可拆卸的欄桿，可以保護(hù)駁船上的工作人員，即使拆除欄桿也不會與固定的纜繩發(fā)生干擾。護(hù)舷駁船靠近碼頭一側(cè)的上部設(shè)有兩個系纜樁，以便用纜繩將護(hù)舷駁船固定在碼頭上。艙口蓋、扶梯欄桿和系纜樁等結(jié)構(gòu)，均按照船舶相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。［8］護(hù)舷駁船結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 護(hù)舷駁船結(jié)構(gòu)形式圖

3 裝置主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 強(qiáng)度分析的必要性

護(hù)舷駁船是FPSO碼頭舾裝靠泊裝置的主體結(jié)構(gòu)，其板厚和型材等結(jié)構(gòu)的規(guī)格雖嚴(yán)格按照船舶相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行計算且進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)，但FPSO碼頭舾裝的整個過程中，護(hù)舷駁船始終承受著船體和碼頭的作用力，并隨著水位和潮水的變化，其受力狀態(tài)也隨之改變。當(dāng)FPSO靠岸和離岸時，更可能會處于受力集中的狀態(tài)。所以，對護(hù)舷駁船進(jìn)行整體強(qiáng)度分析十分必要。

3.2 強(qiáng)度分析方法

護(hù)舷駁船強(qiáng)度分析利用通用有限元軟件建模，選擇最危險的工況加載邊界條件和載荷進(jìn)行計算，取安全系數(shù)對模型進(jìn)行校核。［9］按照護(hù)舷駁船各構(gòu)件設(shè)計尺寸、板厚、截面、開孔等，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的三維有限元模型， 板殼單元和梁單元在建立的有限元模型中被采用。

模型中采用以下幾種單元：

（1）模型中板殼（ Shell ）單元

一般用來模擬船舶結(jié)構(gòu)的甲板、縱橫艙壁、肘板和強(qiáng)橫梁的腹板等。板殼單元大多采用四邊形單元，在連接或變化較大處采用少量三角形單元過渡。單元的大小參考型材的間距，邊長之比盡量不超過1 ∶ 2。

（2）模型中梁（ Beam ）單元

一般用來模擬船舶結(jié)構(gòu)中距受力區(qū)域較遠(yuǎn)的普通肋骨、艙壁加強(qiáng)筋、支柱等桿件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)構(gòu)件如強(qiáng)橫梁等的面板。在板殼單元的邊界建梁，并依照梁的實際截面形狀和方向建立模型。

除此之外，還要對有限元模型進(jìn)行簡化，如橡膠護(hù)舷的安裝底座和方木的固定結(jié)構(gòu)等。這一簡化過程，既是出于其對結(jié)果影響極小的考慮（如忽略遠(yuǎn)離受力區(qū)域的開孔等），也是出于某種保守的考慮，如忽略較小的肘板等。

根據(jù)FPSO施加在護(hù)舷駁船上的作用力以及水位和潮水的變化，分析FPSO船體、護(hù)舷駁船和碼頭的具體受力情況，得出兩個最危險的受力情況：一種情況是在FPSO碼頭舾裝的整個過程中，由于碼頭底部向里凹陷，水位最低時護(hù)舷駁船與碼頭的作用面積最??；另一種情況是當(dāng)FPSO靠岸和離岸時，船體的作用力可能完全作用在護(hù)舷駁船一側(cè)橡膠護(hù)舷上。所以，兩個最危險的工況為工況1和工況2。工況1時，F(xiàn)PSO船體作用在護(hù)舷駁船的力最大，且護(hù)舷駁船與碼頭接觸面積最?。还r2時，F(xiàn)PSO船體完全作用在一列橡膠護(hù)舷上，此時的作用力取橡膠護(hù)舷所能承受的最大作用力。兩個工況的載荷及施加約束如圖5和圖6所示。

圖5 工況1-施加載荷約束示意圖

圖6 工況2-施加載荷約束示意圖

3.3 強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及護(hù)舷駁船所用材料［10］，許用應(yīng)力的最小值為0.9×235 = 211.5 MPa。

屈曲強(qiáng)度評估中，屈曲安全因子λ應(yīng)為板格臨界屈曲應(yīng)力與計算所得的實際壓應(yīng)力之比，其計算值如表1所示。

表1 λ 計算值

3.4 屈服及其屈曲強(qiáng)度評估

護(hù)舷駁船強(qiáng)度校核的有限元計算結(jié)果如下頁圖7所示。

圖7 Von Mise力云圖

如圖所示，各工況的Von Mise力最大值為84.56 MPa。根據(jù)船舶相關(guān)規(guī)范中應(yīng)力結(jié)果的驗證要求，其值小于許用應(yīng)力211.5 MPa，可滿足FPSO舾裝作業(yè)的使用要求。

主要構(gòu)件的屈曲強(qiáng)度評估結(jié)果如表2所示。

表2 板格屈曲校核結(jié)果

4 結(jié) 論

FPSO碼頭舾裝靠泊裝置的結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

（1）護(hù)舷駁船相對較寬，使碼頭舾裝作業(yè)具有較大的工作空間。采用護(hù)舷駁船的型式，增加了施工的安全性和便利性，能有效提高施工的工作效率。護(hù)舷駁船的上部和內(nèi)部安裝有欄桿、梯子和系纜樁等舾裝構(gòu)件，可起到保護(hù)工作人員安全、檢查內(nèi)部情況和系泊護(hù)舷駁船增加穩(wěn)定性等作用。

（2）護(hù)舷駁船與普通橡膠護(hù)舷靠球相比，具有接觸面積大的特點，從而使受力狀態(tài)更穩(wěn)定均衡，F(xiàn)PSO的浮態(tài)更平穩(wěn)，可顯著提高組塊安裝的工作效率。

（3）護(hù)舷駁船與FPSO船體和碼頭的接觸側(cè)分別安裝橡膠護(hù)舷和方木，能有效承受船體對其施加的作用力，并能有效保護(hù)FPSO船體和碼頭，使其免受損壞。

總之，F(xiàn)PSO碼頭舾裝靠泊裝置作為一種新型的大型船舶碼頭舾裝裝置，具有相對于其他系泊方式所沒有的優(yōu)點?，F(xiàn)已應(yīng)用于FPSO建造的工程實踐中，并達(dá)到預(yù)期效果。相信在不久的將來，此裝置定會在FPSO等大型船舶的碼頭舾裝建造過程中獲得廣泛應(yīng)用。

［參考文獻(xiàn)］

［1］吳家鳴. FPSO的特點與現(xiàn)狀［J］.船舶工程. 2012（s2）：1-4.

［2］竇宏波.浮式生產(chǎn)儲油裝置建造中的幾個關(guān)鍵界面［J］. 中國海上油氣：工程， 2003（5）：8-11.

［3］熊志鑫.船舶結(jié)構(gòu)有限元建模與分析［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2014.

［4］喬國瑞， 孫雪榮， 周佳 . 3 000 t自航起重船結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度分析［J］. 船舶， 2011（5）：21-26.

［5］孫雪榮， 楊青. 超大型半潛船船體結(jié)構(gòu)直接計算設(shè)計研究［J］. 船舶， 2017（2）：1-9.

［6］GB 3892-83.船用鋼制直梯［S］. 1983.

［7］CBT 3842-2000. 快速啟閉水密艙口蓋［S］. 2000.

［8］中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司. 船舶設(shè)計實用手冊：舾裝分冊 ［M］. 3版.北京：國防工業(yè)出版社， 2013：211-216.

［9］袁培銀，趙宇，雷林，等.散貨船船體貨艙段強(qiáng)度的有限元計算分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)，2016（2）：53-57.

［10］中國船級社.鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范2015［M］.北京：人民交通出版社，2015.