某型在建FPSO靠泊安全研究

李付博，丑恩巖

(舟山中遠海運重工有限公司，浙江 舟山 316131)

浮式生產儲油卸油裝置(FPSO)與常規貨船相比，其兩舷側均有突出舷側外板的輸油立管和登船平臺等設備和設施。當FPSO主船體在船塢內搭載完成后，還需靠泊碼頭繼續進行碼頭舾裝等工作，舷側突出物嚴重影響碼頭正常靠泊，FPSO突出舷側的設備和結構情況示意圖見圖1。并且因FPSO建造周期長，在廠建造期間往往會經歷大風吹襲等強對流惡劣天氣，對在建FPSO這類海工產品的靠泊安全性是一種嚴峻考驗，尤其是對靠泊在碼頭進行舾裝的在建FPSO安全性的威脅更為嚴重。因為新建的FPSO在出塢后的一段時間內要靠泊在碼頭上，進行舾裝、上部模塊安裝、主機調試等工作。與運營船舶相比，船舶在碼頭舾裝期間本身不具備航行能力，如果在經歷惡劣天氣時采取將在建FPSO用拖船拖帶到錨地的方法進行拋錨躲避，其作業難度大、時間長、風險大；在錨地拋錨過程中如發生走錨、斷鏈等突發情況，在建FPSO無法控制自身浮態和航向，將隨風隨流漂流，容易發生擱淺、碰撞等事故，對船舶、人員以及鄰近防臺風船舶的安全構成威脅[1]。

圖1 FPSO突出舷側的設備和結構情況示意圖

因此對在建FPSO來說，防御極端天氣的理想方式還是在碼頭系纜或進塢坐墩，然而因各廠塢位資源相對有限，不是所有在建船舶都有機會進到船塢中躲避。韓國某船廠建造的首艘超大型乙烷運輸船(VLEC)遭到2020年第9號臺風 “美莎克”重創，造成該在建VLEC液化艙薄膜密封系統受損嚴重，液貨艙和發動機艙浸水，進而導致船體傾斜。當時韓國造船業相關人士表示，由于臺風造成的浸水事故及液貨艙薄膜密封系統受到的嚴重損壞，會導致該船的交付日期大幅推遲。這個案例既表現了惡劣天氣對在建船舶，尤其是像FPSO這類特種船型的威脅之大，也說明了對在建船舶進行靠泊安全性分析的必要性，國內外對FPSO等大型海工船舶在防臺帶纜方面的研究與分析已經很多，本文主要從FPSO的靠泊方式的選取及靠泊方式的安全性角度進行研究與分析。

1 FPSO碼頭靠泊面臨的問題

某型FPSO總長227 m，型寬50 m，型深27 m，在廠建造期間碼頭吃水3.6 m。該型FPSO主船體分段已經在船塢內搭載完畢，需要移泊出塢，在碼頭進行上部模塊安裝、電氣和輪機設備調試、各系統功能試驗等后續工程，但由于舷側突出物影響，導致FPSO靠泊碼頭成為一項難題。這些突出舷側的設備和結構與船體結構相比，強度和剛度都要低很多，如果將突出舷側的結構和設施直接靠在碼頭上，風力、海水的潮汐和浪涌作用力肯定會使其損壞；又因為舷側突出物伸出舷側外板最大距離約7.5 m，目前，不論在船廠內還是市場上都難以找到尺寸合適的橡膠靠把(墊在船體和碼頭之間)以消除舷側突出物對碼頭靠泊的影響。

2 FPSO碼頭靠泊方案的選取

經過全面考慮上述影響FPSO正常靠泊碼頭的不利因素，再根據廠內碼頭基建資料和FPSO出塢后在碼頭的吃水值(3.6 m)，研判出FPSO舷側突出物在不同潮位時相對碼頭平面的高低差；并結合船廠現有設備資源，決定在FPSO船體和碼頭之間，縱向系靠2艘型寬為10 m的鋼制方駁。方駁系靠時，在碼頭一側直接靠在碼頭橡膠靠把上，在FPSO一側放置圓柱形橡膠靠把，墊在方駁外板與FPSO外板之間作緩沖作用。方駁船長方向沿著碼頭堤岸方向布置，將2艘方駁作為大型鋼制碼頭靠把使用，以消除FPSO舷側突出物對碼頭靠泊的影響，FPSO與碼頭之間墊方駁示意圖見圖2。單個鋼制方駁總長32 m，型寬10 m，型深2.3 m，為船用A級鋼建造，鋼材密度為7 850 kg/m3，船用A級鋼屈服強度為235 MPa，方駁舷側四周設置有2道鋼質護舷，方駁為橫骨架式單甲板、單層底鋼制焊接甲板駁船，干舷和穩性均滿足中華人民共和國船舶檢驗局對國內航行海船的法定檢驗技術要求。因方駁型深小，最大潮位時方駁甲板與碼頭地面平齊，受碼頭離岸風作用有限；又由于方駁靠在FPSO與碼頭之間，來岸風已被FPSO擋住，方駁主要受力為FPSO受來岸風后對方駁的擠壓作用力，方駁主要受力示意圖見圖3，因此方駁帶纜為常規布置即可。

圖2 FPSO與碼頭之間墊方駁示意圖

圖3 方駁主要受力示意圖

3 FPSO碼頭靠泊方案的安全性分析

為了保證FPSO在靠泊期間的安全性以及方駁自身的結構安全，在此工況下采用有限元方法對方駁的結構強度進行校核。有限元強度校核的主要流程為：①按照圖紙對方駁結構進行幾何模型建模；②對建好的幾何模型進行網格劃分；③在邊界節點上施加邊界條件，以及在相關模型節點上施加外部載荷，至此模型已經準備完畢；④對模型進行運算分析，得出方駁結構所承受的外應力值，與方駁結構鋼材的許用應力值進行對比，若方駁所受外應力值小于材料的許用應力，即視為合格，說明方駁自身結構強度滿足使用要求。

3.1 方駁結構幾何模型建立及網格劃分

分析求解方駁結構整體受力情況，在建模時，用于有限元強度分析的方駁結構幾何模型不是越細致、越全面越好，要采取適當的建模技巧對模型進行簡化。因為模型越大，對計算機的配置要求越高，在進行求解計算時也越容易出錯。對于本次方駁的模型建立，根據方駁結構立體模型可以看出方駁結構左右舷對稱、艏艉對稱，并且各個艙室結構相似，方駁結構立體示意圖如圖4所示。根據方駁自身的結構特點，在建立幾何模型時選取方駁最普通的一段結構的單舷作為典型進行建模，即圖4中FR37橫艙壁到FR53橫艙壁的左舷一段。建模時甲板、外板、底板、艙壁板、角鋼腹板、T型材腹板等采用板單元模擬，角鋼折邊、T型材面板用桿單元模擬，網格劃分尺寸平均為200×200。

圖4 方駁結構立體示意圖

3.2 邊界條件

因方駁結構左右舷對稱，載荷左右舷對稱，方駁建模時選取的是左舷典型結構建立的單舷模型，此種情況可以在對稱面上設定對稱邊界條件，方駁的對稱面為船中剖面，即在船中剖面的節點上施加對稱邊界條件[2]。

3.3 載荷

方駁受到擠壓力的大小取決于FPSO所受來岸風的等級和受風面積。FPSO在當前吃水時所受風力計算如式(1)所示[3]：

Fa=0.5CSCHρv2A，

(1)

式中，Fa為風力，N；CS為形狀系數；CH為高度系數；ρ為空氣密度，1.222 kg/m3；v為風速，m/s；A為受風面積，m2。

FPSO在碼頭吃水深度為3.6 m，所受來岸風的面積為5 253 m2，選取10級大風進行計算，求得FPSO在當前吃水時所受風壓力為2 258.79 kN。

通過上式計算求得的FPSO風壓力，將全部轉換為FPSO對方駁的擠壓力。靠泊方案使用了2艘方駁作為靠把，單個方駁所受的擠壓力為1 129.395 kN。建立幾何模型時，選取的是方駁最普通的一段典型結構建立的單舷對稱模型，在計算中假定外力為平均作用，因此模型上的擠壓力按照模型外板建模面積與方駁單舷外板面積的比例選取:方駁單舷外板面積為67 m2，模型外板建模面積為19.4 m2，按面積比得出模型載荷為326.7 kN。將此載荷平均施加到模型外板節點上，至此模型準備完畢。

3.4 校核結果

對準備好的模型進行應力求解，通過軟件應力分析得出，模型板單元所受到的最大應力值為82.36 MPa，安全系數為2.8；桿單元所受最大軸應力值為75.32 MPa，安全系數為3.0，結構受力后最大變形值為2.5 mm。其中板單元最大應力值即代表方駁甲板、外板、底板、艙壁板、角鋼腹板、T型材腹板等結構所受的最大應力值，桿單元最大軸應力值即代表角鋼折邊、T型材面板所受的最大應力值。通過有限元分析，得出方駁結構的應力值小于方駁自身材料屈服強度(235 MPa)，并且有足夠的安全系數，從理論層面證明了方駁結構強度足夠，FPSO選取的此種碼頭靠泊方案是安全可靠的。

4 結束語

文中所選取的FPSO靠泊方式已經實際應用于廠內建造的某型FPSO，取得了良好的效果，不僅成功解決了舷側突出物對靠泊的影響，而且在碼頭靠泊期間沒有發生靠泊安全問題，該靠泊方案保證了廠內生產連續性和產品的順利交付。