FPSO吊裝強(qiáng)度研究

王 彧，張 勃，馬俊園

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著海洋工程的發(fā)展逐漸進(jìn)入深海，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）作為海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的重要裝備也得到迅速發(fā)展。與此同時(shí)，F(xiàn)PSO上部模塊也正逐漸成為海洋工程結(jié)構(gòu)物的重要產(chǎn)品之一，很多船廠開(kāi)始布局 FPSO模塊的建造。模塊吊裝作為建造過(guò)程中重要安全環(huán)節(jié)之一，其重要性不言而喻[1-2]。本文在此背景下，以某已經(jīng)完工的 FPSO的典型模塊為例，對(duì)模塊的吊裝強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

1 吊裝強(qiáng)度的分析方法

本文利用SAP 2000軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，依據(jù)DNV GL的規(guī)范要求，采用LRFD的方法分析了3種典型的模塊（M01/M02/M03），從而分析和研究桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。模塊的吊裝涉及重大的安全問(wèn)題，除應(yīng)考慮設(shè)計(jì)載荷之外，還要全面、合理地考慮安全系數(shù)。安全系數(shù)過(guò)大，會(huì)增加很多加強(qiáng)，不但增加成本還可能導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工困難，甚至無(wú)法施工，影響周期。安全系數(shù)過(guò)小，安全的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加。

文章除了考慮吊裝和動(dòng)載荷等安全系數(shù)之外，還將結(jié)構(gòu)分為3類(lèi)：1）吊裝用的設(shè)備，包括吊杠、吊耳、眼板等；2）與吊點(diǎn)直接相連的結(jié)構(gòu)；3）其他遠(yuǎn)離吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。3種結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不同，見(jiàn)表1。

表1 構(gòu)件的安全系數(shù)

2 吊裝方案

吊裝方案是模塊整體吊裝的重要工藝文件，吊裝方案是否合理直接影響吊裝過(guò)程的安全和周期[3]。吊裝方案的內(nèi)容主要包括功能的描述、被吊裝模塊的基本信息、吊裝的日期、海吊的種類(lèi)等。模塊的吊裝強(qiáng)度計(jì)算是吊裝方案的重要依據(jù)。模塊的典型吊裝方案見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 吊裝方案（側(cè)視圖）

圖2 吊裝方案（立體圖）

3 吊裝強(qiáng)度分析

模塊的強(qiáng)度分析過(guò)程比較復(fù)雜，吊裝過(guò)程模擬的合理性直接影響吊裝強(qiáng)度分析的結(jié)果，尤其是有限元模型、載荷、邊界條件模擬的合理性更是至關(guān)重要。模型不能模擬地過(guò)于詳細(xì)，模型太詳細(xì)需要很多的時(shí)間。設(shè)計(jì)載荷也需要根據(jù)模塊的實(shí)際情況進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。鑒于此，文中主要對(duì) 3種不同的模塊進(jìn)行分析和比較[4-6]。

模塊的有限元模型包括所有的主要構(gòu)件和次要構(gòu)件。根據(jù)模塊設(shè)備的布置和管系、電纜的布置等情況對(duì)一些底座、支架等 3級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，端部的肘板未建模。

根據(jù)模塊的特點(diǎn)，主要有3種載荷需要重點(diǎn)考慮，分別是均布載荷、設(shè)備載荷和管系載荷。均布載荷和管系載荷主要通過(guò)線載荷加載到構(gòu)件上，設(shè)備載荷是通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)或等效的集中力進(jìn)行加載，詳見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 均布載荷

圖4 設(shè)備載荷

圖5 管系載荷

模塊的吊裝方案是在前期的設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮的。雖然確定了初步的吊裝方案可行，但是后期模塊的設(shè)計(jì)會(huì)不斷優(yōu)化和細(xì)化，而在建造過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)一些變化，必然導(dǎo)致前期的一些重量預(yù)估出現(xiàn)偏差。因此，最終模塊的重量、重心與前期的偏差需要考慮，重量的偏差通過(guò)余量考慮，重心的偏差主要考慮橫向和縱向，假定重心向四周偏移0.5 m，詳見(jiàn)圖6。

圖6 重心偏移

最終，在SAP2000軟件中可以可到分析的結(jié)果，詳見(jiàn)圖7、圖8和圖9，圖中標(biāo)記數(shù)字的構(gòu)件是應(yīng)力較大的構(gòu)件。

圖7 M01計(jì)算結(jié)果

圖8 M02計(jì)算結(jié)果

圖9 M03計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合模型簡(jiǎn)化的具體情況，需要對(duì)一些失效構(gòu)件進(jìn)行分析。個(gè)別構(gòu)件還需要手工計(jì)算，以確定實(shí)際的情況是否滿足強(qiáng)度要求。一些構(gòu)件的端部肘板在模型中是沒(méi)有考慮的，如果失效構(gòu)件是端部應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的，可以將肘板合并到構(gòu)件中再次校核，確定實(shí)際的應(yīng)力是否滿足要求。在計(jì)算過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，有些結(jié)構(gòu)形式無(wú)論如何加強(qiáng)，都會(huì)有一些構(gòu)件不能滿足要求，很難通過(guò)簡(jiǎn)單加強(qiáng)保證結(jié)構(gòu)不失效。在吊裝模塊上層一些設(shè)計(jì)較小的構(gòu)件時(shí)，由于這些構(gòu)件在主要傳力點(diǎn)處，所以受到的應(yīng)力很大。文章推薦可以考慮將這些構(gòu)件臨時(shí)點(diǎn)焊在附近結(jié)構(gòu)上，待吊裝結(jié)束后再焊接。這種方法能避免吊裝時(shí)的力通過(guò)此構(gòu)件傳遞，省去了增加額外的加強(qiáng)。

4 結(jié)論

文中分析了 3種模塊結(jié)構(gòu)形式，得出了吊裝工況下，桁架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及相關(guān)的加強(qiáng)方案：

1）應(yīng)力較大的構(gòu)件不是全部出現(xiàn)在吊點(diǎn)及吊點(diǎn)連接的構(gòu)件上，重點(diǎn)關(guān)心的構(gòu)件是那些在力的傳遞方向上相對(duì)較弱的構(gòu)件；

2）針對(duì)一些模塊的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，增加結(jié)構(gòu)并不能有效解決問(wèn)題，有時(shí)臨時(shí)去掉個(gè)別結(jié)構(gòu)，改變力的傳遞反而是有效的。