某FPSO 救生筏平臺支撐結構設計

劉沛鑫

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

20世紀70年代末，FPSO首次用于海上開發，作為海上生產的儲油設備。前些年，全球經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的數量以滿足開采需求，并被廣泛用于海上油氣開發的主要海工產品。FPSO以其高技術、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 浮式生產儲卸油裝置

1.1 裝置簡介

浮式生產儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading Systems，FPSO）可在海上漂浮。按自航能力分為自航型和非自航型。配備大型生產模塊，可直接生產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，可將加工過的產品運送到穿梭油輪中[1]。FPSO將石油和天然氣生產以及儲存和運輸功能融為一體，如風力和波浪抵抗強、對深度的廣泛適應、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系統的一個重要組成部分，浮式生產儲油卸油系統一般由水下石油生產單位和一艘穿梭油輪組成，以形成一個完整的生產系統，這是一種高科技產品的海洋工程船。與此同時，高回報、高風險和高投資是FPSO對海洋工程的特點[3]。

1.1.1 系泊系統

FPSO主要停泊在運行中的油田。在FPSO進行海區工作時，系泊系統通常依賴于1個或多個管、固定浮標、1個框架或者塔、1個或者多個錨點。可施放式系泊與固定系泊是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自己的要求進行新制。

1.3.1 生產設備

主要是石油生產與儲存設備，還有石油、天然氣和水分離設備等。根據不同的功能，這些單元可以分為：壓縮空氣單元、氣體處理單元、工藝單元、化學注射單元、高壓注射單元及熱介質單元，發電站單元，MCC單位，管道走廊等。單元結構是支撐設備和實現其功能的重要組成。它包括連接下面表面的基礎結構和儲存設備上方的單元平臺結構。它的基本設計是整個FPSO基本設計的組成部分。原油加工設備安裝在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。

1.1.4 卸載系統

卸載系統包括旋轉起重機、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。作業原則是將從海底提取的原油轉移到FPSO船，通過輸油管道進行處理，然后將經過加工的原油儲存在油箱中，最后通過卸載系統運輸到穿梭船。

1.1.5 配套系統

在組成FPSO系統時，外部運輸系統是它的主要支持系統。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，救生筏儲存一定數量的食物和淡水供船員食用[4]。

剛救生筏（又被稱傳統救生筏）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上地方。當打開滑道固定鉤時，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勢是其結構簡單，成本低廉，但體積龐大，載人較少，規模較大。

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計、致密的結構、安全良好、移動便捷、適當的操作和快速的配置，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，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材料、主要結構、性能要求、配置過程、儲存要求、儲存設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，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正[5]。

1.3 救生筏平臺支撐結構

救生筏是FPSO船舶的一項關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備與人員，以提供更急舒服的工作環境。因救生筏的周圍需要有集合地點，并且集合處應是一 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對突發危險。如果按照正常設計，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計出一種延伸出舷側外板的救生筏平臺結構，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。落差和發射角度需要滿足船級社的限制規則和公司要求，包括類型的批準時適用的完整和損傷狀況的平臺。本文根據充氣救生筏設計支撐平臺結構用于船舶安全。圖2為某救生筏平臺支撐結構生產設計模型。

圖2 某救生筏平臺支撐結構生產設計模型

2 總布置

某FPSO艏部設有一處救生筏，布置右舷避難所處，內側與艏部甲板相連，與避難所完美銜接，平臺長約8.6 m、寬約為1.6 m，質量約3.6 t。完全懸于FPSO艏甲板外側，覆蓋整個首部區域范圍，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，作為一個懸臂梁式結構，下方沒有 任何支撐，所以解決將力轉移到平臺的問題，即如何將救生筏支撐平臺的力傳遞到艏部主體結構上。通過分析，附近能夠承受力的主體結構主要有3處，分別是舷側外板、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構上，并對救生筏支撐平臺、舷側外板及吊柱基礎結構受力進行有限元校核。

3 詳細設計

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構，其與舷側外板相連，與主船體艙內結構連接處做適當加強和合理過度。

由圖4可知，根據救生筏布置圖和救生筏尺寸，結合懸臂梁結構的受力特點，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結構相連，縱向設置平臺外側有一處連續L型材加強與橫向的L型材及大肘板相連，組成框架結構的主體。重要的受力構件是這些加強梁，需要進行有限元分析計算；由于FPSO海況復雜，此處結構懸于海面之上，故救生筏平臺甲板采用16 mm AH36高強鋼板，其他加強結構也均采用AH36高強度鋼板，以保證結構穩固，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外板對應的艙內增加肘板加強以保證外板不發生變形，吊柱基礎結構結構下部屬于集中受力區域，對應在甲板下設置加強平鐵。救生筏平臺的典型支撐結構形式，見圖5。

圖4 救生筏平臺結構平面圖（僅右舷，單位：mm）

圖5 救生艇平臺典型支撐結構（單位：mm）

1）加強橫梁采用L2拼接型材，規格選擇更加靈活，可根據計算強度來調整板厚及材質以達到規范要求，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型材內側，大肘板面板離空30 mm削斜處理以減少對重要結構的影響圖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構處的外板有探邊，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，達到即滿足結構的有限元計算強度又可以節約材料成本。

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。有限元方法應用程序的首字母組合（Finite Element Method Application Program，FEMAP）以NX Nastran為求解器。美國宇航局NASA的結構分析系統（NAsa STRuctural ANalysis, NASTRAN）廣泛應用于航空航天、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，功能強大，而且確保結果可信。

應力分析的3種方法：

1）解析法。規范標準制訂基礎只有典型解例。

2）實驗應力分析法。真實、效率低、費用高。

3）數字分析方法。邊界要素方法、有限單元法等、靈活、有效、經濟、直觀、易懂和高效率。

有限元件法（Finite Element Method，FEM）是一種將連續體離散 化成為很多個有限大小的單元體的合集，設一個適當的近似解決方案，每個元素都有一個近似解，然后得出連續性力學問題來求解這個 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構有限元模型。

圖9 救生筏平臺支撐結構有限元模型

4.2 基本要素

有限元分析所用的全局坐標軸：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、鋼的質量密度為7.85 Mt/m3、海水質量密度1.025 Mt/m3、重力加速度9 810 mm/s2。

為了準確地評價吊桿的強度，吊桿基礎、主甲板及與支撐結構相連的其他結構均由錨桿構成。梁單元模擬了遠離吊柱基礎結構的梁面板、梁柱和甲板與艙壁加強。

連接吊柱基礎的結構單元網格尺寸≤50 mm×50 mm。遠離吊架基礎的結構單元網格尺寸≥200 mm×200 mm。

載荷包括自重和反力。反作用力信息由救生筏設備制造商提供。

結構模型的自重由FEMAP自動生成。系數為1.1，用于考慮有限元模型中未模擬的焊縫和非結構構件。救生艇設備供應商采用不同的地方坐標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備供應商提供的本地坐標系，見圖10。

圖10 裝載位置信息(救生筏)

4.3 屈服強度校核準則

根據ABS的《指導移動式近海鉆井裝置建造入級》可知：與救生筏發射設備中使用的所有構件應設計安全系數的基礎上最大工作負載分配和最終的材料用于建造的優勢。所有構件的最小系數為4.5，許用應力αa為

式中：Rm為材料抗拉強度。對于高強度船體結構鋼，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構鋼，采用的抗拉強度為400 MPa。

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

式中：σx可計算出x方向的面內應力；σy可計算出y方向的面內應力；τxy可計算平面內剪應力。

屈曲檢查的面板位置是根據所有載荷情況的壓應力水平確定的。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。

通過有限元結構強度校核，結果表明救生筏支撐結構具有足夠的強度來承受升降筏的運行載荷。

5 結論

本文所描述的救生筏平臺設計思路，降低了平臺的使用面積，提高了空間的利用率，節省了大量的材料因為使用了框架結構，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，使救生筏平臺的經濟適用性得到更進一步提升，在保證經濟成本的情況下，又保障了生命安全；在該平臺設計時考慮了平臺結構對艏部結構的強度影響，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意義。