“海洋石油111”直升機甲板升級改造方案論證

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

海上直升機是海上石油平臺正常運行的重要交通工具，直升機甲板是整個海上設施不可缺少的重要附屬結構。而使用直升機供海上人員倒班的費用一直占海上設施生產運維費的一定比例[1]。海洋石油111FPSO擬通過提高直升機載客效率，增加每次倒班人員數量的方式，來減少直升機倒班次數，降低海上人員倒班成本及倒班風險。計劃采取的措施為用Sikorsky S92(下稱S9-2)直升機替代原來的AS332L2“SUPER PUMA”(下稱S332)機型，最大載客人員由12人增加至19人，載客能力可提高58%，而直升機費用只增加20%左右，能夠明顯的節約成本。兩種機型參數對比見表1。

表1 S332直升機與S9-2直升機參數對比

評估后確定采用新機型S9-2直升飛機，由于飛機重量及尺寸增大，原船直升機甲板的整體強度和甲板面總體尺寸均不能滿足使用要求，因此需借塢修機會對其進行升級改造。

1 改造方案比選

海洋石油111直升機甲板布置于FPSO艉部生活樓的頂部，按照現場使用需求，根據《中國民用航空總局令第151號》要求和直升機甲板布置圖，有以下兩種方案供選用。

1)方案1。在原有結構設計的基礎上，根據S9-2新機型的要求，原直升機甲板面向FPSO舷側和艉部方向擴大，同時增加甲板下骨材，延伸原支撐桁材，并進行局部加強。

2)方案2。保留原直升機甲板下的支撐結構，根據S9-2新機型的要求，甲板面整體換新，并進行局部加強。

綜合對比上述兩個方案，方案1雖然設計改造的鋼料較少，但需在原結構上擴建，涉及高空作業，需搭設大量腳手架。為滿足新布置的要求，主要擴展甲板兩面，同時兩側需加貼封板，工程要求較高，施工質量不易保證。而方案2在設計時有較大的自由度，同時可以預留一定的設計安全余量，為更好地保證結構完整性和今后使用的安全性，同時滿足FPSO塢修后原油田繼續服役10年的要求，決定采取第二種方案。

2 新直升機甲板結構設計

根據S9-2直升飛機的尺寸，新飛機甲板面設計為21 m×21 m的近似正方形，直升機甲板的板、骨材、桁材結構的材料均選用經BV認證的船用A級鋼，屈服應力235 MPa。

根據BV船級社鋼制海船入級規范NR-467 Part B Ch7 Sec1 4.3.1[2]甲板凈厚度為

Tnet=0.9CWL·(n·P0·k/λ)0.5=12.99 mm。

式中：n=1；CWL=1.152 49；k=1；P0=156.8 kN；λ=λT=1。

考慮1 mm的腐蝕余量，甲板板的總厚度Tgross=Tnet+1 mm，設計為14 mm。

骨材選取剖面模數為476.2 cm3的HP260×12球扁鋼，骨材間距0.5 m。支持骨材的橫向桁材尺寸為T8×600/10×200，最大跨距7.425 m，縱向桁材尺寸為T10×600/14×200，間距3.2 m，甲板面通過原支撐結構將載荷進行傳遞[3]。

3 直升機甲板結構校核

3.1 基本載荷

S9-2直升機機身長20.88 m，最大起飛重量(MTOW)12.8 t。該機型包含2個后輪和1個前輪，前后機輪間距離6.2 m，橫向機輪間距3.18 m。直升機甲板校核的基本載荷如下。

1)固定載荷。包括直升機甲板、加強材、支撐結構和輔助設備等的重量，直升機甲板的自重均勻分布在整個直升機平臺上。

2)可變載荷。指均勻地分布在整個直升機甲板上的載荷，考慮到人員通行、貨物搬運、旋翼的下沖氣流、雪或冰等作用。直升機甲板可變載荷應以面載荷的方式均勻加載在直升機甲板上，對均布載荷工況，可變載荷大小為2 kN/m2；對于直升機著陸工況，可變載荷取0.5 kN/m2。

3)直升機機輪載荷。直升機最大起飛重量為12.8 t，機輪載荷以集中載荷的方式分別加載在橫向間距為3.18 m、大小為0.18 m2的兩個方形區域上和前后間距6.2 m、面積0.18 m2的方形區域上。對于直升飛機著陸的沖擊工況，需要考慮動力放大效應。

3.2 設計工況

根據BV鋼制海船入級規范NR-467 Part B Ch9 Sec10，直升機甲板結構的設計、校核需考慮以下三種工況：①甲板均布載荷工況；②正常著陸載荷工況；③緊急著陸載荷工況[4]。

各工況下的載荷組成詳見表2。

直升機甲板長21 m，寬21 m，正常情況下直升機應停靠在甲板的中心位置，這也是最理想的著陸位置。然而，由于直升機甲板的面積相對于整個直升機來說較小，極限情況下直升機的2個后輪可能剛好落在甲板邊緣，也可能是對甲板結構最不利的極限位置[5]。

表2 直升機甲板載荷工況

3.3 有限元分析

由于直升機平臺空間結構復雜，構件長寬比大，在分析中使用SESAM軟件的GeniE模塊對直升機甲板及支撐結構進行有限元建模，根據其受力特性，采用殼單元模擬甲板板和桁材面板，網格尺寸為150 mm×150 mm，采用梁單元模擬甲板縱骨、桁材腹板及其它支撐結構，有限元模型及邊界條件見圖1、2[6]。

圖1 直升機甲板有限元模型

圖2 有限元模型邊界條件

直升機甲板的板、骨材及桁材的材料均為船用普通鋼，屈服應力235 MPa。根據BV鋼制海船入級規范NR-467 B3.Part B Ch9 Sec10.3.2，許用安全系數見表3。

對可能著陸的8個位置的正常著陸和緊急著陸情況進行有限元分析，所有載荷情況下的最大應力[7-8]見表4、5。

表3 許用安全系數

表4 不同著陸位置及載荷情況下的最大應力

表5 不同著陸位置及載荷情況下的最大桿應力

從表4中可以看出，8個不同著陸位置在正常著陸和緊急著陸情況下，最大von Mises應力均小于材料的許用應力，UC值均小于1。

其中,在位置5處正常著陸和緊急著陸的應力為最大，相較許用應力仍有一定的裕度，其應力云圖見圖3、4。

圖3 正常著陸最大應力工況云圖

圖4 緊急著陸最大應力工況云圖

從表5中可以看出，8個不同著陸位置在正常著陸和緊急著陸情況下，支撐結構的最大桿應力均小于材料的許用應力，UC值均小于1。其中在位置5處正常著陸和緊急著陸支撐結構的桿應力為最大，相較許用應力仍有一定的裕度，其應力云圖見圖5、6。

圖5 正常著陸桿單元最大應力云圖

圖6 緊急著陸桿單元最大應力云圖

4 結論

海洋石油111采用保留原直升機甲板下支撐結構，甲板面整體換新，局部進行加強的方式進行升級改造，結構強度滿足規范要求，能保證結構的完整性和使用的安全性。FPSO自2018年7月結束塢修重新投入使用以來，直升機甲板的使用情況良好，有效降低了直升機的使用費用，取得了明顯經濟效益。