某FPSO 救生筏平台支撑结构设计

刘沛鑫

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

20世纪70年代末，FPSO首次用于海上开发，作为海上生产的储油设备。前些年，全球经济对于能源需求的不断增长，陆地上开采石油资源的难度越来越大，需要增加大量的FPSO的数量以满足开采需求，并被广泛用于海上油气开发的主要海工产品。FPSO以其高技术、高附加值和高回报，得到了世界各大航运公司的支持，并获得了FPSO的再订购订单。

1 浮式生产储卸油装置

1.1 装置简介

浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading Systems，FPSO）可在海上漂浮。按自航能力分为自航型和非自航型。配备大型生产模块，可直接生产和处理海上提取的原油天然气。具有一个大的储油室，用于存储处理过的石油和天然气。配备方便的装载装置，可将加工过的产品运送到穿梭油轮中[1]。FPSO将石油和天然气生产以及储存和运输功能融为一体，如风力和波浪抵抗强、对深度的广泛适应、大型储油和卸载能力、可再利用、可适用于不同海洋条件等[2]。作为石油和天然气开发系统的一个重要组成部分，浮式生产储油卸油系统一般由水下石油生产单位和一艘穿梭油轮组成，以形成一个完整的生产系统，这是一种高科技产品的海洋工程船。与此同时，高回报、高风险和高投资是FPSO对海洋工程的特点[3]。

1.1.1 系泊系统

FPSO主要停泊在运行中的油田。在FPSO进行海区工作时，系泊系统通常依赖于1个或多个管、固定浮标、1个框架或者塔、1个或者多个锚点。可施放式系泊与固定系泊是FPSO的2种系泊方式。

1.2.1 船体部分

对油轮或驳船进行改或者根据自己的要求进行新制。

1.3.1 生产设备

主要是石油生产与储存设备，还有石油、天然气和水分离设备等。根据不同的功能，这些单元可以分为：压缩空气单元、气体处理单元、工艺单元、化学注射单元、高压注射单元及热介质单元，发电站单元，MCC单位，管道走廊等。单元结构是支撑设备和实现其功能的重要组成。它包括连接下面表面的基础结构和储存设备上方的单元平台结构。它的基本设计是整个FPSO基本设计的组成部分。原油加工设备安装在FPSO的顶部。成为FPSO上不可或缺且重要的一部分，上层模块集合了十分先进的技术。

1.1.4 卸载系统

卸载系统包括旋转起重机、卷管车等，用于运送和保证运输船的安全，并卸下储存在船体油放入穿梭船。作业原则是将从海底提取的原油转移到FPSO船，通过输油管道进行处理，然后将经过加工的原油储存在油箱中，最后通过卸载系统运输到穿梭船。

1.1.5 配套系统

在组成FPSO系统时，外部运输系统是它的主要支持系统。图1为某FPSO俯视图。

图 1 某FPSO 俯视图

1.2 救生筏简介

救生是一艘自行推进的船，在在海上生存时，救生筏储存一定数量的食物和淡水供船员食用[4]。

刚救生筏（又被称传统救生筏）周围是镀锌铁板板、铝合金板块、不锈钢板块或硬塑料，许多压缩空气箱是作为救生筏主要浮力部分，外表面涂有防火材料，而底部为木花格板。救生筏的顶部装有刚性雨棚和刚性入口。通常，固定储存在甲板或舷侧上地方。当打开滑道固定钩时，木筏会自动滑动，或使用悬吊的筏架施放下海。这种救生筏的最大优势是其结构简单，成本低廉，但体积庞大，载人较少，规模较大。

充气救生筏也分为气胀式自扶正救生筏、气胀式救生浮具和气胀式救生筏。

1）气胀式救生筏

此类救生筏由橡胶材料制成的漂浮橡胶、用防水尼龙布制成的帐篷和有圆形、椭圆形、多边形等帐篷的小筏子组成。救生筏叠起后，用附件储存在玻璃钢储存管中。充气救生筏的特点是先进的设计、致密的结构、安全良好、移动便捷、适当的操作和快速的配置，广泛用于海上的许多民用和军用船只。气涨式救生筏可以放置2种形式：机械下落和扔掷。机械下落式救生筏在进入水之前被扩充完毕。投掷的救生 筏救生筏需要在海上充气。充气救生筏，可能在充气期间翻转，必须在人员使用前进行人工校正。

2）气胀式救生浮具

除无帐篷外，气胀式救生浮具的生产材料、主要结构、性能要求、配置过程、储存要求、储存设备等与充气救生筏相似，但释放方法仅适用于抛射，其特点为：

（1）没有帐篷。浮筏浮出水面后，水工作人员可以从类似的升降平台或任何一侧进入，这既快捷又方便。

（2）有比气胀式救生筏更大的承载能力和使用寿命，可乘坐50人。

（3）救生浮具双浮筏底部被放置在上层和下浮轮胎之间。因此，即使海况恶劣，海面膨胀后(两边都可以使用浮具在海面膨胀后处于正漂浮状态，无需人工校正。

（4）由于没有帐篷，它们受到海洋条件和气候的严重影响，是主要由客船用途的救生筏。

3）气胀式自扶正救生筏

为了克服在海上漂浮的易倾覆救生筏的难题，并满足海上救生员的快速和安全需求，一些制造商开发了气胀式自扶正救生筏。一旦这条救生筏在操作过程中在水面倾覆，因为筏顶部是圆形的，可以减少与水的接触面积、筏本身的重量和设备，并且救生筏的重量中心在底部可以在救生筏充气和施放后自我调正[5]。

1.3 救生筏平台支撑结构

救生筏是FPSO船舶的一项关乎生命安全的基本配置，为了方便入筏，一般布置在甲板上。对于支撑平台来讲，甲板使用面积与开敞面积越大越好，只有这样才可以容纳更多的设备与人员，以提供更急舒服的工作环境。因救生筏的周围需要有集合地点，并且集合处应是一 个相对安全并且无障碍场所，对人均使用面积有一定的要求，所以救生筏需要有很大的平台以供应对突发危险。如果按照正常设计，平台会占用一定的甲板空间，因此为了避免空间的浪费需要设计出一种延伸出舷侧外板的救生筏平台结构，这种平台被称为悬臂梁救生筏平台。

在半潜式FPU和FPSO等海上项目中，安装了名为的滑落式救生筏，用于从上层平台紧急疏散船上人员。落差和发射角度需要满足船级社的限制规则和公司要求，包括类型的批准时适用的完整和损伤状况的平台。本文根据充气救生筏设计支撑平台结构用于船舶安全。图2为某救生筏平台支撑结构生产设计模型。

图2 某救生筏平台支撑结构生产设计模型

2 总布置

某FPSO艏部设有一处救生筏，布置右舷避难所处，内侧与艏部甲板相连，与避难所完美衔接，平台长约8.6 m、宽约为1.6 m，质量约3.6 t。完全悬于FPSO艏甲板外侧，覆盖整个首部区域范围，见图3。

图3 救生筏平台布置图（仅右舷）

由图3可以看出，平台上设备由吊车，救生筏组成，吊车起重约两吨，此救生筏展开后可载25人，遇到危险时，将救生筏从摇篮处旋出，然后释放救生筏并滑入海中，艏避难所内的人员从软梯或救生筏甲板进入救生筏。救生筏平台完全悬挂在 艏右避难所外侧，作为一个悬臂梁式结构，下方没有 任何支撑，所以解决将力转移到平台的问题，即如何将救生筏支撑平台的力传递到艏部主体结构上。通过分析，附近能够承受力的主体结构主要有3处，分别是舷侧外板、主甲板及升降装置撑杆。因此通过合理布置主梁将平台的力的传递到主体结构上，并对救生筏支撑平台、舷侧外板及吊柱基础结构受力进行有限元校核。

3 详细设计

通过以上分析，决定采用焊接型加强大肘板以及L型材作为平面方向的主承力结构，其与舷侧外板相连，与主船体舱内结构连接处做适当加强和合理过度。

由图4可知，根据救生筏布置图和救生筏尺寸，结合悬臂梁结构的受力特点，沿船宽方向采用了5处L型材横梁、5处加强大肘板与艏部甲板平台及吊柱基础结构相连，纵向设置平台外侧有一处连续L型材加强与横向的L型材及大肘板相连，组成框架结构的主体。重要的受力构件是这些加强梁，需要进行有限元分析计算；由于FPSO海况复杂，此处结构悬于海面之上，故救生筏平台甲板采用16 mm AH36高强钢板，其他加强结构也均采用AH36高强度钢板，以保证结构稳固，保护人员的生命安全于危难，为了解决悬臂梁端部受力过大问题，在靠近救生筏下部靠近舷侧外板对应的舱内增加肘板加强以保证外板不发生变形，吊柱基础结构结构下部属于集中受力区域，对应在甲板下设置加强平铁。救生筏平台的典型支撑结构形式，见图5。

图4 救生筏平台结构平面图（仅右舷，单位：mm）

图5 救生艇平台典型支撑结构（单位：mm）

1）加强横梁采用L2拼接型材，规格选择更加灵活，可根据计算强度来调整板厚及材质以达到规范要求，同时组合拼接可降低材料成本，图6为典型L2拼接图。

图6 典型L2 拼接图（单位：mm）

2）由于横向加强大肘板与纵向L3型材垂向连接，需要将大肘板腹板插入L3型材内侧，大肘板面板离空30 mm削斜处理以减少对重要结构的影响图7为典型连接详图。

图7 典型连接详图（单位：mm）

3）由于艏部甲板在避难所结构处的外板有探边，需将此范围的外板割除，以保证艏部避难所与救生筏平台的完美衔接，以满足逃生要求，见图8。

图8 理论线节点图（单位：mm）

4）为了保证吊臂支撑强度，把救生筏平台的吊臂落脚处集中放置在外板上，可以减少一部分下部加强，达到即满足结构的有限元计算强度又可以节约材料成本。

5）救生筏平台与外板衔接需要过渡，施工时候需要考虑加放安装余量。

4 有限元强度分析

4.1 FEMAP 简介

有限元计算采用femap软件进行建模及分析。有限元方法应用程序的首字母组合（Finite Element Method Application Program，FEMAP）以NX Nastran为求解器。美国宇航局NASA的结构分析系统（NAsa STRuctural ANalysis, NASTRAN）广泛应用于航空航天、汽车及其零部件、军工国防、船舶、工程机械和模具等各制造行业，功能强大，而且确保结果可信。

应力分析的3种方法：

1）解析法。规范标准制订基础只有典型解例。

2）实验应力分析法。真实、效率低、费用高。

3）数字分析方法。边界要素方法、有限单元法等、灵活、有效、经济、直观、易懂和高效率。

有限元件法（Finite Element Method，FEM）是一种将连续体离散 化成为很多个有限大小的单元体的合集，设一个适当的近似解决方案，每个元素都有一个近似解，然后得出连续性力学问题来求解这个 域总的满足条件。这不是一个精确的解，而是一个近似的解，事实上的问题被一个简单简单的问题所取代。

图9为救生筏平台支撑结构有限元模型。

图9 救生筏平台支撑结构有限元模型

4.2 基本要素

有限元分析所用的全局坐标轴：x轴朝向船首的纵向正方向；y轴为横向，正向左舷；z轴为垂直，正向上。

使用常量为：钢的杨氏模量205 800 MPa、钢的泊松比为0.3、钢的质量密度为7.85 Mt/m3、海水质量密度1.025 Mt/m3、重力加速度9 810 mm/s2。

为了准确地评价吊杆的强度，吊杆基础、主甲板及与支撑结构相连的其他结构均由锚杆构成。梁单元模拟了远离吊柱基础结构的梁面板、梁柱和甲板与舱壁加强。

连接吊柱基础的结构单元网格尺寸≤50 mm×50 mm。远离吊架基础的结构单元网格尺寸≥200 mm×200 mm。

载荷包括自重和反力。反作用力信息由救生筏设备制造商提供。

结构模型的自重由FEMAP自动生成。系数为1.1，用于考虑有限元模型中未模拟的焊缝和非结构构件。救生艇设备供应商采用不同的地方坐标系计算吊艇架的反力。为便于计算，模型吊艇架的载荷将采用设备供应商提供的本地坐标系，见图10。

图10 装载位置信息(救生筏)

4.3 屈服强度校核准则

根据ABS的《指导移动式近海钻井装置建造入级》可知：与救生筏发射设备中使用的所有构件应设计安全系数的基础上最大工作负载分配和最终的材料用于建造的优势。所有构件的最小系数为4.5，许用应力αa为

式中：Rm为材料抗拉强度。对于高强度船体结构钢，采用的Rm为490 MPa。

Rm=490 MPa时，αa为108.9 MPa；Rm=400 MPa时，αa为88.9 MPa；对于普通强度船体结构钢，采用的抗拉强度为400 MPa。

用于比较的应力是平面单元中心的冯·米塞斯等效膜应力。von Mises等效应力的定义如下：

式中：σx可计算出x方向的面内应力；σy可计算出y方向的面内应力；τxy可计算平面内剪应力。

屈曲检查的面板位置是根据所有载荷情况的压应力水平确定的。使用DNV软件进行屈曲能力检查:板的屈曲，算出其屈曲强度足够。

通过有限元结构强度校核，结果表明救生筏支撑结构具有足够的强度来承受升降筏的运行载荷。

5 结论

本文所描述的救生筏平台设计思路，降低了平台的使用面积，提高了空间的利用率，节省了大量的材料因为使用了框架结构，大大降低重量，采用组合型材与肘板，使得施工难度极大降低，更加高效灵活。由于采用这些措施，使救生筏平台的经济适用性得到更进一步提升，在保证经济成本的情况下，又保障了生命安全；在该平台设计时考虑了平台结构对艏部结构的强度影响，使其更加合理，适用于大部分FPSO项目，对实际具有很强的指导意义。