300 000 DWT級FPSO改裝項目首部延伸結構設計

吳猛 黃渙青 朱繼欣

摘? ? 要：VLCC改裝為FPSO具有經濟性、快速性、可靠性等優點。以一艘300000DWT級FPSO改裝工程為背景，闡述改裝過程中首部加裝首樓及舷墻等結構的設計方法和過程。采用有限元分析方法對各種工況下結構設計的強度及合理性進行校核和評估。計算結果顯示，結構強度符合規范及技術要求。結合實船設計特點和計算結果，總結了FPSO改裝工程中首樓及舷墻區域結構設計的技術要點和相關結論，對此類船的改裝工程起到一定參考作用。

關鍵詞：FPSO改裝;首樓甲板;結構設計;強度分析

中圖分類號：U663.5? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The conversion of VLCC into FPSO has the advantages of economy， rapidity and reliability. Based on the 300 000DWT FPSO conversion project， the design method and process for the forecastle and bulwark during the conversion are described. The finite element analysis method is used to check and evaluate the strength and rationality of the structural design under various working conditions. The calculated results show that the structural strength meets the design specifications and technical requirements. The technical points and relevant conclusions of the structural design of forecastle and bulwark area in the conversion project of FPSO are summarized based on the design characteristics and calculation results of the real vessel， which can be used as a reference for conversion of this kind of vessel.

Key words： FPSO conversion; Forecastle deck; Structural design; Strength analysis

1? ? ?引言

FPSO是集生產、儲油、卸油為一體的大型海上浮式生產儲卸油裝置。其結構龐大，由兩大部分組成：主船體和上部組塊。

基于VLCC改裝成FPSO在全球海工市場較為普遍。相比于新造船，利用VLCC進行改裝具有較大優勢：可以大幅縮短設計和建造工期，盡早投入運營以產生經濟效益;節約投資額，減少整個工程的成本支出。但須注意對VLCC改裝的技術可行性，全面評估是否滿足改裝為FPSO的技術要求和改裝過程中的技術難點。

將大型VLCC改裝為FPSO涉及船體、輪機、電氣、煉化、系泊等多個專業的協調工作，是一個超大型工程的集群。在改裝時，整個工程項目通常按模塊、分段、專業有序進行。本文重點關注在改裝過程中首部延伸區域（首部加裝首樓及舷墻）結構的設計和研究，對改裝中結構設計的技術要點和設計方法進行總結和闡述。

2? ? ?FPSO首樓結構設計原則及技術要點

FPSO首樓結構改裝設計可參照美國船級社《Rules for building and classing Floating Production Installations》和《Rules for building and classing steel vessels》（2013）（以下簡稱《規范》）的有關要求進行設計和構件加強。

2.1? ?原船相應區域結構評估

在改裝設計之前，按照原船設計圖紙結合實船測量對相應區域結構進行評估。依據《規范》計算結果，對于構件布置不合理的區域重新布置、不滿足要求的構件尺寸進行更換和加強。重點評估對象為主甲板以及強橫梁和縱桁、單點系泊設備區域的外板及強肋骨。

2.2? ?首樓結構布置和優化

首樓甲板通常采用縱骨架式，根據總布置圖以及首樓甲板設備布置圖進行主要構件（強橫梁和縱桁）的布置：主要構件應和甲板大型設備基座支點布置在同一平面內以起到支撐作用;根據主要構件位置進行次要構件的布置和加強;舷側外板采用縱骨架式，強肋骨位置應盡可能與原船主要構件在同一平面內，并與原船結構形成強框架結構。

在首樓舷側外板后端留有一定尺寸與舷墻對接;首舷墻結構采用縱骨架式，縱骨布置應與首樓縱骨對接;舷墻的強肋骨位置盡可能與原船主要構件在同一平面內，否則應在強肋骨位置的下甲板處進行支撐加強以減小該處受力影響。

2.3? ?結構強度分析

FPSO首樓甲板布置大量甲板設備（如：軟管絞車、快速脫鉤設備等），必須進行強度分析驗證。強度分析可利用大型商用有限元分析軟件MSC. PATRAN/NASTRAN進行計算，并根據計算結果進行結構優化。

（1）有限元計算模型

整個模型包括兩部分：新加裝結構（首樓及舷墻）和原船部分區域結構。模型縱向范圍從舷墻后遠端橫艙壁至首樓前端;橫向范圍從一舷至另一舷;垂向范圍一般為主甲板下一層甲板以上。

艙壁、縱桁、強橫梁以及各強構件腹板等，采用二維3、4節點殼單元模擬;其它縱骨、加強筋以及強構件面板等，采用2節點梁單元模擬。

（2）邊界條件

模型邊界應遠離主要受力評估區域，盡可能避免邊界條件對計算結果的影響：縱向在尾端橫艙壁處;垂向在主甲板下一層甲板處進行剛性固定。

（3）工況及載荷

依據《規范》要求，計算中施加的載荷有：規范計算壓強、甲板上浪載荷、首部抨擊載荷、自身所受全船運動加速度和重力、以及甲板主要輸油設備重力等載荷[1] [2]。結合設計載況進行工況組合[3]，見表1。

3? ? ?改裝設計實例

3.1? ?實例簡介

以“瑪麗卡”號FPSO的首樓和首舷墻結構改裝設計為例，建立相應區域的結構有限元模型，根據《規范》對其結構強度進行校核。該船主尺度參數見表2。

3.2? ?結構改裝設計

根據總布置圖和使用功能，確定首樓甲板主要設備支撐點，以此布置甲板下主要構件用來支撐主要設備;根據主要構件位置和其他設備布置甲板縱骨;依據《規范》計算構件規格并對特殊部位進行加強。

設計時應特別注意首樓舷側外板、舷墻外板與原船外板的對接方式和水密性，以及首樓強肋骨在主甲板處無強構件支撐時應對其下部進行加強。

普通鋼無法滿足要求時采用高強度鋼以提高構件強度。本設計首樓和舷墻的外板、主要構件和首部延伸結構，采用屈服強度為355 MPa的高強鋼（AH36）;其他構件采用屈服強度為235 MPa的普通鋼。首樓甲板結構平面圖，見圖1。

3.3? ?強度計算

（1）模型范圍及單元類型

有限元模型：縱向范圍從FR98至首，橫向范圍從左舷至右舷，垂向范圍為原船二甲板及以上全部結構;網格尺寸約為肋距的一半;整個模型采用三種單元類型，共約33 378個單元。其中，板單元23 291個、梁單元10 086個以及質量點單元1個。有限元模型見圖2。

（2）邊界條件及載荷施加

對模型中FR98艙壁及主船體下二層甲板施加剛性固定，具體邊界條件設置見圖3;依據規范和計算結果對模型施加載荷，其中規范計算壓強的載荷施加見圖4。

（3）強度衡準及計算結果

根據《規范》要求結合本船使用情況確定許用應力，經計算結果均滿足要求。許用應力值和計算結果見表3和表4;應力云圖見圖5～圖8;計算中含構件的屈曲校核，均滿足規范要求。

4? ? ?結論

（1） 對于主要構件和舷側外板，因受外部載荷影響較大，須加大構件尺寸和采用高強度鋼以滿足設計要求;

（2） 對于首樓和舷墻結構中的主要構件需與原船主要構件布置在同一個平面內。經有限元計算結果表明，主要構件與主甲板連接處的應力較大，主甲板下無主要構件時必須增加構件進行支撐和加強;

（3） 根據首樓甲板上主要設備的支撐點布置主要構件的位置。計算表明，主要設備支撐點處甲板及其下構件受力較大，因此在支撐點下布置主要構件用以支撐主要設備所產生的載荷對結構的影響。

參考文獻

[1] ABS，Rules for building and classing Floating Production Installations[S]， 2013.

[2] ABS，Rules for building and classing steel vessels [S]，2013.

[3]石科良，黃渙青，鐘星海，祝文倩，朱繼欣. FPSO軟管絞車支撐下加強結構疲勞強度分析[J].廣東造船，2018（4）：21-24.