300 000 DWT级FPSO改装项目首部延伸结构设计

吴猛 黄涣青 朱继欣

摘    要：VLCC改装为FPSO具有经济性、快速性、可靠性等优点。以一艘300000DWT级FPSO改装工程为背景，阐述改装过程中首部加装首楼及舷墙等结构的设计方法和过程。采用有限元分析方法对各种工况下结构设计的强度及合理性进行校核和评估。计算结果显示，结构强度符合规范及技术要求。结合实船设计特点和计算结果，总结了FPSO改装工程中首楼及舷墙区域结构设计的技术要点和相关结论，对此类船的改装工程起到一定参考作用。

关键词：FPSO改装;首楼甲板;结构设计;强度分析

中图分类号：U663.5                                文献标识码：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是集生产、储油、卸油为一体的大型海上浮式生產储卸油装置。其结构庞大，由两大部分组成：主船体和上部组块。

基于VLCC改装成FPSO在全球海工市场较为普遍。相比于新造船，利用VLCC进行改装具有较大优势：可以大幅缩短设计和建造工期，尽早投入运营以产生经济效益;节约投资额，减少整个工程的成本支出。但须注意对VLCC改装的技术可行性，全面评估是否满足改装为FPSO的技术要求和改装过程中的技术难点。

将大型VLCC改装为FPSO涉及船体、轮机、电气、炼化、系泊等多个专业的协调工作，是一个超大型工程的集群。在改装时，整个工程项目通常按模块、分段、专业有序进行。本文重点关注在改装过程中首部延伸区域（首部加装首楼及舷墙）结构的设计和研究，对改装中结构设计的技术要点和设计方法进行总结和阐述。

2     FPSO首楼结构设计原则及技术要点

FPSO首楼结构改装设计可参照美国船级社《Rules for building and classing Floating Production Installations》和《Rules for building and classing steel vessels》（2013）（以下简称《规范》）的有关要求进行设计和构件加强。

2.1   原船相应区域结构评估

在改装设计之前，按照原船设计图纸结合实船测量对相应区域结构进行评估。依据《规范》计算结果，对于构件布置不合理的区域重新布置、不满足要求的构件尺寸进行更换和加强。重点评估对象为主甲板以及强横梁和纵桁、单点系泊设备区域的外板及强肋骨。

2.2   首楼结构布置和优化

首楼甲板通常采用纵骨架式，根据总布置图以及首楼甲板设备布置图进行主要构件（强横梁和纵桁）的布置：主要构件应和甲板大型设备基座支点布置在同一平面内以起到支撑作用;根据主要构件位置进行次要构件的布置和加强;舷侧外板采用纵骨架式，强肋骨位置应尽可能与原船主要构件在同一平面内，并与原船结构形成强框架结构。

在首楼舷侧外板后端留有一定尺寸与舷墙对接;首舷墙结构采用纵骨架式，纵骨布置应与首楼纵骨对接;舷墙的强肋骨位置尽可能与原船主要构件在同一平面内，否则应在强肋骨位置的下甲板处进行支撑加强以减小该处受力影响。

2.3   结构强度分析

FPSO首楼甲板布置大量甲板设备（如：软管绞车、快速脱钩设备等），必须进行强度分析验证。强度分析可利用大型商用有限元分析软件MSC. PATRAN/NASTRAN进行计算，并根据计算结果进行结构优化。

（1）有限元计算模型

整个模型包括两部分：新加装结构（首楼及舷墙）和原船部分区域结构。模型纵向范围从舷墙后远端横舱壁至首楼前端;横向范围从一舷至另一舷;垂向范围一般为主甲板下一层甲板以上。

舱壁、纵桁、强横梁以及各强构件腹板等，采用二维3、4节点壳单元模拟;其它纵骨、加强筋以及强构件面板等，采用2节点梁单元模拟。

（2）边界条件

模型边界应远离主要受力评估区域，尽可能避免边界条件对计算结果的影响：纵向在尾端横舱壁处;垂向在主甲板下一层甲板处进行刚性固定。

（3）工况及载荷

依据《规范》要求，计算中施加的载荷有：规范计算压强、甲板上浪载荷、首部抨击载荷、自身所受全船运动加速度和重力、以及甲板主要输油设备重力等载荷[1] [2]。结合设计载况进行工况组合[3]，见表1。

3     改装设计实例

3.1   实例简介

以“玛丽卡”号FPSO的首楼和首舷墙结构改装设计为例，建立相应区域的结构有限元模型，根据《规范》对其结构强度进行校核。该船主尺度参数见表2。

3.2   结构改装设计

根据总布置图和使用功能，确定首楼甲板主要设备支撑点，以此布置甲板下主要构件用来支撑主要设备;根据主要构件位置和其他设备布置甲板纵骨;依据《规范》计算构件规格并对特殊部位进行加强。

设计时应特别注意首楼舷側外板、舷墙外板与原船外板的对接方式和水密性，以及首楼强肋骨在主甲板处无强构件支撑时应对其下部进行加强。

普通钢无法满足要求时采用高强度钢以提高构件强度。本设计首楼和舷墙的外板、主要构件和首部延伸结构，采用屈服强度为355 MPa的高强钢（AH36）;其他构件采用屈服强度为235 MPa的普通钢。首楼甲板结构平面图，见图1。

3.3   强度计算

（1）模型范围及单元类型

有限元模型：纵向范围从FR98至首，横向范围从左舷至右舷，垂向范围为原船二甲板及以上全部结构;网格尺寸约为肋距的一半;整个模型采用三种单元类型，共约33 378个单元。其中，板单元23 291个、梁单元10 086个以及质量点单元1个。有限元模型见图2。

（2）边界条件及载荷施加

对模型中FR98舱壁及主船体下二层甲板施加刚性固定，具体边界条件设置见图3;依据规范和计算结果对模型施加载荷，其中规范计算压强的载荷施加见图4。

（3）强度衡准及计算结果

根据《规范》要求结合本船使用情况确定许用应力，经计算结果均满足要求。许用应力值和计算结果见表3和表4;应力云图见图5～图8;计算中含构件的屈曲校核，均满足规范要求。

4     结论

（1） 对于主要构件和舷侧外板，因受外部载荷影响较大，须加大构件尺寸和采用高强度钢以满足设计要求;

（2） 对于首楼和舷墙结构中的主要构件需与原船主要构件布置在同一个平面内。经有限元计算结果表明，主要构件与主甲板连接处的应力较大，主甲板下无主要构件时必须增加构件进行支撑和加强;

（3） 根据首楼甲板上主要设备的支撑点布置主要构件的位置。计算表明，主要设备支撑点处甲板及其下构件受力较大，因此在支撑点下布置主要构件用以支撑主要设备所产生的载荷对结构的影响。

参考文献

[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，黄涣青，钟星海，祝文倩，朱继欣. FPSO软管绞车支撑下加强结构疲劳强度分析[J].广东造船，2018（4）：21-24.