某FPSO 庇護所結構設計及探析

劉沛鑫

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

1970年代末，FPSO首次用于海洋開發，作為海洋生產的石油儲藏庫[1]。在過去幾年里，世界經濟對能源的需求不斷增加，當地的石油資源越來越難以開采。有必要增加FPSO的數量，以滿足開發需求，并被廣泛用于開發主要海洋產品的石油和天然氣[2]。由于高技術、高附加值和高回報，FPSO得到了世界上最大的船運公司的支持，并收到了FPSO的再訂單。

FPSO主要集中在運行中的油田[3]。當FPSO在海洋區域運行時，系泊系統通常依賴一個或多個管道、固定浮標、框架或塔以及一個或多個錨點?？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將采用外轉塔系泊在700 m水深，井口位于水深800 m～1 200 m。

臨時庇護所是在海上石油和天然氣生產設施發生火災和爆炸等災難性事件時為設施內的所有人提供一定時間的保護，為等待救援爭取時間。臨時庇護所誕生的主要原因是1988年7月在英國北海的Piper Alpha平臺上開發海上石油以來最嚴重的火災和爆炸事件，該平臺被毀，死亡人數167。由于Piper Alpha平臺無法為工作人員提供安全的庇護所，從而導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，因此必須在臨時庇護所內為直升機停機坪提供安全逃生路線。當直升機不在FPSO時，發生緊急情況下需撤離FPSO，應考慮所設想的第一個撤離方法。

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入海洋。臨時庇護所舷側分別配備了救生衣、煙霧罩、燈具和手套等，分別滿足全體人員的安全需要。

臨時庇護所可為生產設施的工作人員提供一段時間的安全保護，并為等待救援與自行的方式解救爭取時間。隨著我國對安全方面的重視提高以及日益增多的全球協作，臨時庇護所將逐步成為海洋石油和天然氣生產設施的傳統設計方法[6]。

1 整體布置

某FPSO艏部設有一處庇護所結構，布置左舷處，位于艏部甲板上，結構長約為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，覆蓋整個艏部區域范圍，見圖1。

由圖1所示，庇護所內部包含以下功能區域：

1）消防站由消防箱構成內部有一套消防服和呼吸器。對應遠端放有滅火器。

2）鋼貨架，分為3層裝有，急救箱，可折疊式擔架。

3）玻璃鋼箱，內含25個救生衣供船員在緊急情況下逃生。

4）鋼制柜，內部含有通訊設備覆蓋國際海岸連接，旁邊設有電話亭，便于緊急情況聯系求救，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，用于吊運施放救生筏。

庇護所結構底部安裝工字鋼將下部切分為若干小空間以方便鋪設格柵。庇護所結構落在主甲板及轉塔支撐頂甲板處，庇護所能夠承受力的主體結構主要有主甲板和轉塔支撐頂甲板，以及壁子受爆炸時產生的沖擊載荷[7]。因此，通過合理布置及設計庇護所結構的力的傳遞到主體結構上，并且在爆炸時讓庇護所壁子能夠承受所產生的沖擊載荷，因此需對主甲板結構以及壁子受力進行有限元強度校核[8]。

2 詳細設計

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；立管支撐結構及沉箱管安裝后58.5 m，型深H為27.9 m，夏季結構吃水TS=20.1 m，夏季結構載重為301 979 t。FPSO系統的設計壽命至少為28年。

2.2 材料選取

1）所有材料均為ABS級鋼，標記如下：

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

2）所有材料為ABS-AH36除標記外。

2.3 焊接注意事項

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

2.4 具體設計

通過以上分析，決定以頂甲板為基面采用L250型角鋼及加強肘板作為平面方向的主承力結構，艉部與內側增加3處壁子具有防爆效果，在油氣燃燒爆炸時對人員起到保護作用。庇護所結構（見圖2）落在主甲板上，設計時需把結構與下部甲板加強對位，這樣既可以滿足強度需要又可以節省大量鋼材。由于內側壁子落在轉塔支撐結構的傾斜甲板上，此位置需要合理過渡保證強度需要。

圖2 庇護所結構平面圖（僅左舷）

如圖2所示，根據庇護所布置圖及庇護所尺寸，結合其受力特點，庇護所結構頂甲板采用采用1 2 m m AH36高強鋼板，并以此為基面，沿船寬方向由兩處壁子及中間一處T型材強框架構成，縱向設置5處連續L250型角鋼加強與橫向的T型材強框架及艏艉壁子相連，靠船舯側有一處縱向壁子，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，極容易發生油氣燃燒事故，故庇護所結構均采用AH36高強鋼板，以保證結構穩固，保護人員的生命安全于危難。防護罩防爆墻位于110號框架，在上層甲板與左舷處。防爆墻將用作消防站，也可以保護救生筏免受火災和爆炸產生的沖擊波壓力。庇護所結構艉壁圖見圖3，庇護所結構典型橫框架見圖4。

圖3 庇護所結構艉壁圖

圖4 庇護所結構典型橫框架圖

1）如圖3所示，橫向艉壁采用16 mm AH36高強鋼板，增加6處垂向加強，規格為L350角鋼，上部增加200×10擋水平鐵，靠近轉塔支撐結構處開設防風雨門，與轉塔支撐結構相接處倒角合理過渡。由于艏部線型變窄，與艉壁結構類似，故不作介紹。

2）如圖4所示，橫向框架采用T型材與垂向加強平鐵，T型材規格為12×500+20×150AH36，平鐵規格為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，肘板規格為12×500×500×R800。

3）如圖5所示，縱向側壁采用12 mmAH36高強鋼板，增加3處垂向加強，規格為L150角鋼，3處肘板加強，上部增加200×10擋水平鐵，由于轉塔支撐結構頂甲板傾斜，故壁子也需傾斜過渡。

圖5 庇護所結構側壁圖

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

圖6 庇護所結構典型縱框架圖

5）庇護所結構與轉塔支撐結構及頂甲板銜接需要過渡，施工時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，屋頂外側面H60膨脹涂層，防爆等級0.025 MPa，以確保外板不發生變形繼而保障人員安全。

3 限元設計的前提

3.1 FEMAP 簡介

FEMAP有限單元的計算用于建模和分析。有限元方法應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、建筑機械、模具和其他制造行業中廣泛使用，并確?？煽康慕Y果。有限單元法（Finite Element Method，FEM）是一種方法，用以確定許多小單元件物體的連續性，確定一個適當的近似解決方案，每一個單元都是近似解決辦法，然后獲得連續性力學可持續性問題，以解決這一領域的滿足條件[9]。這不是一個準確的解決辦法，而是一個近似的解決辦法，因為實際問題被一個簡單的解決辦法所取代[10]。

3.2 量綱

在這個分析中使用公制單位，詳情為：長度，mm；面積，mm2；截面模數，mm3；轉動慣量，mm4；加速度，m/s2；質量，t；力，N；時間，s；壓力，N/mm2。

3.3 全局坐標軸

有限元分析所用的全局坐標軸如下：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構和主船體結構。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到庇護所頂平面。

結構模型由甲板、壁子、縱桁、梁和加強筋組成，所有對結構系統整體穩定性和剛度有幫助的構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、加強筋和縱桁面板采用桿單元建模。篩網尺寸為200 mm×200 mm。

4.2 坐標系統

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

圖7 有限元模型船舶坐標系

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個方向考慮：從船尾向前、向右舷；從舷內爆破，從船頭向船尾，從右舷向舷內爆破。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%的起重機重量。

5.1 爆炸載荷條件

根據API RP 2A-WSD規范，除了爆炸載荷外，還應對實際的靜載荷、動載荷和儲存載荷進行最佳估計；在爆炸分析中，環境載荷可以忽略不計。因此，在計算中應用了3種載荷，即結構自重、防爆墻上的爆炸載荷和甲板載荷。

1）結構重力

加速度在垂直方向為1.0g。通過軟件自動計算結構的重力?？紤]到支架、油漆和焊接，模型中采用了載荷系數1.05。

2）爆破載荷

參照爆破載荷設計指南，前方掩體防爆墻開門時的超壓為0.055 MPa。爆炸載荷作為壓力載荷施加于整個爆炸壁面。壓力載荷在X和Y方向。門面壓力載荷應施加到周圍開口鋼加強上，平均為46個節點，約為2 890 N。

3）甲板負荷

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告，甲板涌浪應力按FPI計算，公式為

式中：Pgi為甲板涌浪應力，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，取值1.0；βRVM為ESF相對垂直運動因子；Cb為方型系數；L為安裝的尺寸長度；Fbi為從舷側最高甲板到i站載重水線（LWL）的干舷。

因此，適用值為0.035 MPa，應在三艙壁與主甲板上實施。

5.3 吊柱載荷

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

圖8 吊柱反力載荷

6 計算結果

6.1 應力檢查標準

按照API RP 2A-WSD的要求，可增加爆破條件下的許用應力，使安全系數為1.0。在此分析中，有限元模型的許用應力為320 MPa，表2為爆炸的驗收標準。

表2 爆炸的驗收標準(API RP2A-WSD)

根據ABS - FPI的要求，由材料屈服應力（fy）計算出許用應力。模型中的所有結構都根據全局模型應力標準進行了評估，該標準所依據的單元尺寸等于加強筋間距，表3為2種載荷的驗收標準。

表3 2 種載荷的驗收標準(API RP2A-WSD)

1）甲板涌浪和撞擊載荷

（1）fe(Von Mises)<0.9fy，單元質心處應力。

（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，單元質心處應力。

（2）f1x(axial stress)<0.6fy，桿和梁單元。

（3）fxy(shear) <0.4fy。

6.2 變形標準

根據API RP 2A-WSD，永久變形可能是爆破設計的一個基本特征。需要演示以下內容：結構的任何部分都不會對關鍵操作設備產生影響；這種變形不會導致支撐安全區域、逃生路線和登機點的結構的任何部分在耐久期內倒塌。在分析中，采用絕對位移法對變形進行校核。

6.3 應力校核結果

本分析采用基于von-Mises應力進行應力校核，校核結果見圖9～圖12。

圖9 von-Mises 應力（爆炸載荷工況）

圖10 最大剪應力（爆炸載荷工況）

圖11 鋼梁的最大應力（爆炸載荷工況）

圖12 鋼梁整的最小應力（爆炸載荷工況）

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

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

圖13 von-Mises 應力（甲板涌浪載荷工況）

圖14 最大剪應力（甲板涌浪載荷工況）

圖15 鋼梁的最大應力（甲板涌浪載荷工況）

圖16 鋼梁的最小應力（甲板涌浪載荷工況）

吊柱載荷工況下的von-Mises應力見圖17。

圖17 von-Mises 應力（吊柱載荷工況）

在吊柱載荷工況下，吊梁應安裝在主甲板上，反力傳遞到艙壁的影響很小，接近0。

6.4 變形結果

根據結果可知，最大變形量為6.475 mm。最大變形區位于前防護罩防爆墻上門開口自由邊緣附近。

7 結論

本文提出了一種FPSO艏部庇護所設計的新思路，根據總布置圖對庇護所結構進行詳細設計，基于詳細設計的支持，運用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種工況下的強度載荷，得到結論如下：

1）充分利用甲板下橫框架及縱骨加強，使庇護所結構與之對位安裝，在保證結構強度的同時，降低了加強的數量，降低了材料利用率。

2）甲板涌浪應力按FPI計算，甲板涌浪應力適用值為0.035 MPa，應在三艙壁與主甲板上實施。

3）本文對操作條件下的爆破載荷、運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行了有限元分析，經FEMAP軟件計算，操作條件下的爆破載荷、運輸條件下甲板涌浪和撞擊載荷的應力值均符合要求，吊柱載荷工況下，吊梁應安裝在主甲板上，反力傳遞到艙壁的影響很小，接近0。根據結果，最大變形量為6.475 mm。最大變形區位于前防護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行了有限元分析，對FPSO中正常工況下的庇護所結構有限元計算具有一定的實用參考價值。而有關更多工況下該方法的計算準確性，還有待在今后的工作中進一步開展計算研究。