袁 磊

(海洋石油工程股份有限公司運(yùn)營(yíng)中心，天津 300461)

0 引 言

圓筒型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(floating production storage and offloading, FPSO)，由于它是圓筒型結(jié)構(gòu)，在水平面上水動(dòng)力完全對(duì)稱，對(duì)于風(fēng)浪流的方向不敏感，不像船型FPSO抵御艏向載荷能力遠(yuǎn)大于橫向，因此不需要根據(jù)來流方向調(diào)整平臺(tái)的艏向，因此沒有必要裝備單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，這種類型的FPSO采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，降低了FPSO的設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)成本。圓筒型FPSO設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖如圖1和圖2所示。

圖1 圓筒型FPSO設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of cylindrical FPSO

圖2 圓筒型FPSO實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of cylindrical FPSO

在相同的儲(chǔ)油量條件下，圓筒型FPSO具有更強(qiáng)的抗傾覆能力和工作甲板承載能力。圓筒型的緊湊型結(jié)構(gòu)也為減少FPSO各種管纜的長(zhǎng)度提供了條件。圓筒型FPSO儲(chǔ)油卸油引起的排水量變化對(duì)其吃水影響不敏感。由于圓筒型FPSO自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在船體建造過程中，需要根據(jù)船型、場(chǎng)地設(shè)備、施工效率等因素綜合考慮分段的吊裝和運(yùn)輸。圓筒型FPSO首層中間最大的基準(zhǔn)定位分段的吊裝和運(yùn)輸往往是整個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行過程中最重大的作業(yè)之一，高效安全地吊裝運(yùn)輸該分段將為整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)行提供保障。

圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段為多邊形結(jié)構(gòu)，一般需要三個(gè)鉤頭抬吊，分段重量大，造成其和船型FPSO基準(zhǔn)定位分段的吊裝運(yùn)輸不同。在工程項(xiàng)目中，圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段運(yùn)輸時(shí)需要使用自行式模塊運(yùn)輸車(self-propelled modular transporter， SPMT)進(jìn)行運(yùn)輸，采用在分段下固定運(yùn)輸墊墩的方式進(jìn)行支撐，不能使用船廠傳統(tǒng)的運(yùn)輸框架運(yùn)輸；在圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段吊裝時(shí)，由于其重量尺寸大，吊機(jī)的利用率往往較高，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)也增大了。在運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的因素也會(huì)隨之增多；同時(shí)，吊點(diǎn)所在的位置往往是比較薄的艙壁板，在吊點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮吊點(diǎn)本身的強(qiáng)度，還需要考慮和吊點(diǎn)直接相連的艙壁板的強(qiáng)度。

本文基于公司在建的圓筒型FPSO項(xiàng)目，其船體最大直徑為87.5 m，主船體直徑為70 m，船體最大高度約為60 m，主甲板高度為32 m，工藝甲板高度為38 m，干重約為32 000 t，排水量約為60 000 t。在一般情況下，當(dāng)船體尺寸越大，尤其是主船體直徑越大，圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段的運(yùn)輸和吊裝難度會(huì)隨之增加。圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段吊裝運(yùn)輸設(shè)計(jì)的主要參考設(shè)計(jì)規(guī)范為DNV GL-ST-N001《海洋作業(yè)和海事保險(xiǎn)》(MarineOperationsandMarineWarranty)，采用靜力學(xué)方法進(jìn)行分析。

1 基準(zhǔn)定位分段劃分

當(dāng)圓筒型FPSO劃分分段時(shí)，首先在船體高度方向上，將船體劃分為數(shù)層，然后每一層會(huì)根據(jù)場(chǎng)地能力沿著圓柱形船體徑向劃分。通常會(huì)將中間分段劃分為一個(gè)多邊形的形式，結(jié)構(gòu)重量和尺寸都比較大，被用來作為基準(zhǔn)定位分段，為以后所有分段的搭載奠定基礎(chǔ)。圓筒型FPSO分段劃分主要取決于結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)保證分段艙壁盡可能完整，并盡可能地沿著艙壁劃分。艙壁應(yīng)平行或者是垂直于分段，分段重量應(yīng)盡量均勻，分段總重不能超過吊機(jī)能力，尺寸最大不能超過車間尺寸，并考慮對(duì)后期吊裝的影響?；鶞?zhǔn)定位分段所在位置三維圖和立面圖如圖3和圖4所示。

圖3 基準(zhǔn)定位分段所在位置三維圖Fig.3 3D diagram of the position of the reference positioning section

圖4 基準(zhǔn)定位分段所在位置立面圖Fig.4 Elevation of the location of the datum positioning section

船體建造一般都將基準(zhǔn)定位分段做得比較大，基準(zhǔn)分段不翻身，不對(duì)正，不調(diào)整，其余分段都需要根據(jù)基準(zhǔn)分段進(jìn)行調(diào)整。圓筒型FPSO第一層中間一般由數(shù)個(gè)完整的方形氣密艙構(gòu)成，用來做基準(zhǔn)定位分段可以保證艙體的完整性?；鶞?zhǔn)定位分段的位置正好處在一個(gè)水密艙壁的旁邊，水密艙壁正好位于分段的端部。如果把基準(zhǔn)定位分段再分得小一些的話，會(huì)破壞艙體的完整性，并且會(huì)造成狹小空間焊接的工作量和工作難度的增加。圓筒形的船體船艙是按照發(fā)散的結(jié)構(gòu)形式分布的，定位分段做得太小的話，和其余分段的接觸面積變小，不利于搭載。同時(shí)，其余分段扇形會(huì)太尖，這樣將會(huì)造成分段一頭重，一頭輕，不利于吊裝。因此，在圖3和圖4中將基準(zhǔn)定位分段按照?qǐng)D中編號(hào)101分段的形式、尺寸進(jìn)行劃分更合理，更加利于施工。

2 基準(zhǔn)定位分段重量計(jì)算

結(jié)構(gòu)重量一般根據(jù)詳設(shè)最新版圖紙建模，由模型得到重量和重心。有時(shí)也會(huì)將每一個(gè)桿件的重量和重心列成清單，通過清單計(jì)算分段重量和重心，這兩種方式都可以采用，結(jié)果相差不大，因?yàn)橛?jì)算重量和重心的基本原理都是相同的。

在項(xiàng)目前期，很多因素并不能完全確定，需要簡(jiǎn)單估算分段重量，從而更好地對(duì)分段進(jìn)行劃分。在估算分段重量時(shí)，采用的簡(jiǎn)單估算方法如下：分段總重等于單個(gè)艙壁的重量乘以艙壁數(shù)量，單個(gè)艙壁的重量等于單位面積的艙壁重量乘以艙壁面積，單位面積的艙壁重量等于艙壁板重量加型材重量，艙壁板重量計(jì)算時(shí)取板厚出現(xiàn)得多的那個(gè)。

在詳細(xì)的吊裝運(yùn)輸方案中計(jì)算分段重量時(shí)，不僅僅包括主結(jié)構(gòu)重量，還包括配管專業(yè)重量、電儀專業(yè)重量、防腐專業(yè)重量、舾裝通風(fēng)專業(yè)重量、腳手架重量、臨時(shí)吊點(diǎn)重量、臨時(shí)加強(qiáng)重量等。在實(shí)際工程中，需要給分段重量乘以重量不確定系數(shù)，保證現(xiàn)場(chǎng)吊裝重量不會(huì)超過理論計(jì)算重量。關(guān)于重量不確定系數(shù)，一般取1.05就可以滿足船體分段吊裝運(yùn)輸需求。

3 建造場(chǎng)地要求

場(chǎng)地地基承載能力應(yīng)滿足吊機(jī)及運(yùn)輸車輛在滿負(fù)荷狀態(tài)下的承載要求；吊機(jī)及運(yùn)輸車輛行車路徑應(yīng)在作業(yè)前清理干凈，保證地面平整，滿足吊機(jī)及運(yùn)輸要求。在進(jìn)行吊裝運(yùn)輸作業(yè)之前，應(yīng)清理吊機(jī)及運(yùn)輸車輛行車路徑、吊機(jī)作業(yè)旋轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)的任何障礙物；行車通道不能橫跨電纜溝及其他危險(xiǎn)區(qū)域；在吊裝時(shí)，任何靠近吊裝作業(yè)區(qū)的施工人員必須遠(yuǎn)離至安全區(qū)域。所用的吊索具要有相關(guān)的證書，在吊裝作業(yè)前，施工人員及安全人員要檢查吊索具等工具是否完好沒有損壞，所有吊索具必須有檢驗(yàn)合格證，并且在起吊前檢查索具是否與方案一致，連接是否正確。所有吊點(diǎn)的坡口焊應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)，填角焊部位應(yīng)進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)；對(duì)于吊點(diǎn)、臨時(shí)加強(qiáng)的割除，不可用錘擊或碳弧氣刨方法去除，應(yīng)使用氣割方法在距母材上方5 mm處割除，然后用機(jī)械方法打磨，直至與母材光滑平齊，割除后甲板片的此處需做裂紋檢驗(yàn)；吊裝現(xiàn)場(chǎng)的天氣狀況需符合作業(yè)要求。利用專門搭設(shè)的腳手架或已有的工作平臺(tái)安裝和拆卸吊索具。

4 分段吊裝運(yùn)輸步驟

分段在胎架上預(yù)制完成后，按照以下步驟完成運(yùn)輸和吊裝作業(yè)：①由于分段在胎架上預(yù)制，分段預(yù)制完成后需將分段吊裝到臨時(shí)支撐上，并將其和分段下表面進(jìn)行固定，保證分段運(yùn)輸過程中不需要再次擺放臨時(shí)支撐；②將模塊運(yùn)輸車行駛至分段下方指定位置，將分段抬高運(yùn)輸至噴漆車間；③待涂裝作業(yè)結(jié)束后，模塊車駛?cè)敕侄蜗路胶笃鹕?，將分段運(yùn)輸至搭載位置；④按照吊索具布置圖安裝索具；⑤吊裝前應(yīng)檢查索具，至少保證分段上有兩條牽引繩，并確保沒有其他松動(dòng)的構(gòu)件；⑥開會(huì)說明注意事項(xiàng)，設(shè)置路障并阻止所有無關(guān)人員進(jìn)入吊裝區(qū)域；⑦將分段慢慢吊離地面，離開地面300 mm左右時(shí)應(yīng)停頓1 min左右的時(shí)間，對(duì)吊索具及吊機(jī)等的狀態(tài)進(jìn)行觀察。如果發(fā)現(xiàn)分段不平，需將分段放至地面上，重新調(diào)整索具以獲得準(zhǔn)確的重心位置。如若未發(fā)現(xiàn)問題，繼續(xù)起吊分段。在此期間，不需要拆卸鋼絲繩；⑧將分段放在指定的總裝位置上，然后通過導(dǎo)鏈或者三維定位小車完成分段的最終精確就位；⑨在釋放鋼絲繩之前，監(jiān)督應(yīng)檢查并確認(rèn)分段的位置是否正確；⑩在分段固定后移走索具，撤離吊機(jī)。

5 分段運(yùn)輸設(shè)計(jì)

船體分段一般使用運(yùn)輸框架配合平板車的方式進(jìn)行運(yùn)輸，而基準(zhǔn)定位分段尺寸和重量大，運(yùn)輸框架和普通平板車的承載能力無法滿足，因此，選擇在分段下方懸掛運(yùn)輸墊墩和SPMT模塊車配合的方式進(jìn)行分段運(yùn)輸。

5.1 運(yùn)輸墊墩分布

為了保證分段在只有運(yùn)輸墊墩支撐的工況下，強(qiáng)度滿足要求，通常將運(yùn)輸墊墩位置選擇在部分肋位及肋位相交的節(jié)點(diǎn)位置下方。通過對(duì)分段整體使用有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，選擇合理的運(yùn)輸墊墩數(shù)量和校核分段的運(yùn)輸強(qiáng)度，圖5為運(yùn)輸墊墩分布有限元模型圖，在方案設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況，在相應(yīng)的懸掛墊墩位置設(shè)置兩個(gè)運(yùn)輸墊墩，以保證墊墩能力和場(chǎng)地承載能力滿足要求。從圖6中可以看出，水平力對(duì)于運(yùn)輸墊墩的影響非常小，甚至可以忽略不計(jì)，因此在將運(yùn)輸墊墩懸掛在分段下方時(shí)，一般只考慮豎直方向載荷的影響即可。同時(shí)應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在將運(yùn)輸墊墩懸掛于分段下表面時(shí)，盡可能地采用點(diǎn)焊和不連續(xù)焊接的方式，這樣不僅可以減少后續(xù)的切割打磨和補(bǔ)漆的工作量，而且對(duì)于基準(zhǔn)定位分段的雙層底而言，因切割打磨造成的損傷也會(huì)盡可能地減小。

圖5 運(yùn)輸墊墩分布有限元模型圖Fig.5 Finite element model diagram of distribution of transport pier

圖6 運(yùn)輸墊墩對(duì)應(yīng)位置運(yùn)輸反力Fig.6 Transport reaction at the corresponding position of transport pier

5.2 SPMT運(yùn)輸設(shè)計(jì)

在布置SPMT時(shí)，通過分析圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段的特點(diǎn)，不難看出，在分段中間位置有完整的方形氣密艙，因此，在圖7中將SPMT的車板中心線和方形氣密艙的艙壁對(duì)齊布置，不僅可以保證分段的主要受力位置位于豎直方向的艙壁上，對(duì)分段的運(yùn)輸強(qiáng)度有極大的益處，而且在實(shí)際運(yùn)輸時(shí)車板定位更加容易，操控更加方便。但在實(shí)際作業(yè)中，有時(shí)候會(huì)遇到分段重心和幾何中心的偏移距離較大，這就可能會(huì)造成如果將SPMT布置在方形氣密艙的下方時(shí)，則各個(gè)分組的壓力差會(huì)超出限定值，可采用長(zhǎng)短車配合、改變各個(gè)分組的軸線數(shù)或移動(dòng)車板位置等方式對(duì)SPMT的車板位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和修改。選擇SPMT的液壓分組時(shí)，應(yīng)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果結(jié)合分段尺寸重量等因素綜合考慮，由于基準(zhǔn)定位分段尺寸大、形狀分布不規(guī)則、重心低、剛度相對(duì)較弱，因此在實(shí)際運(yùn)輸時(shí)，建議采用4點(diǎn)支撐的方式進(jìn)行運(yùn)輸，可以有效預(yù)防分段外懸部分因變形過大而造成運(yùn)輸墊墩距地面距離過近而影響分段運(yùn)輸?shù)膯栴}。

圖7 分段運(yùn)輸SPMT布置圖Fig.7 Vehicle arrangement of segmented transport SPMT module

圖8 運(yùn)輸強(qiáng)度計(jì)算約束方式Fig.8 Constraint mode of transportation intensity calculation

在實(shí)際運(yùn)輸時(shí)，采取必要的措施對(duì)分段下表面的油漆進(jìn)行保護(hù)，防止在運(yùn)輸過程中，車板與分段直接接觸而對(duì)油漆造成損傷，通常采用在車板上表面放置墊木，并在墊木上放置膠皮的方式對(duì)油漆進(jìn)行保護(hù)；由于分段運(yùn)輸不同于框架結(jié)構(gòu)，車板只與框架結(jié)構(gòu)的H形運(yùn)輸橫梁接觸，因此，在擺放墊木時(shí)，應(yīng)將墊木和分段的肋位位置對(duì)齊，防止運(yùn)輸時(shí)對(duì)分段造成結(jié)構(gòu)損傷。除此之外，應(yīng)提前規(guī)劃好分段行駛路線，保證足夠的分段運(yùn)輸空間。

在校核運(yùn)輸時(shí)的分段強(qiáng)度時(shí)，在圖8中，在分段下方SPMT位置約束z方向的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為保證有限元軟件正常運(yùn)算，需在主結(jié)構(gòu)重心位置或者重心附近位置處找一節(jié)點(diǎn)約束x、y方向的平動(dòng)。

6 分段吊裝設(shè)計(jì)

6.1 吊裝系數(shù)選取

由于吊裝運(yùn)輸作業(yè)往往伴隨著較大的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，選取相應(yīng)的系數(shù)，保證作業(yè)安全。整體模型的動(dòng)態(tài)載荷影響通過動(dòng)態(tài)放大系數(shù)考慮。在選擇動(dòng)態(tài)放大系數(shù)時(shí)，100 t以上分段一般取1.05[1]，100 t及以下分段取1.1[1]。對(duì)于圓筒型FPSO的基準(zhǔn)定位分段，共有12個(gè)吊點(diǎn)吊裝，在校核分段強(qiáng)度時(shí)，還應(yīng)考慮1.25[1]倍傾斜載荷系數(shù)。除此以外，吊裝分段各個(gè)組成部分還需考慮結(jié)果系數(shù)，和分段直接連接的吊點(diǎn)結(jié)果系數(shù)取1.3[1]，和吊點(diǎn)直接連接的部件結(jié)果系數(shù)取1.15[1]，其余結(jié)構(gòu)桿件結(jié)果系數(shù)取1.0[1]。

6.2 吊點(diǎn)布置

當(dāng)布置吊點(diǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)所使用吊機(jī)的類型、吊鉤形式和吊點(diǎn)類型等進(jìn)行綜合考慮，在吊裝船體分段時(shí)一般會(huì)采用龍門吊進(jìn)行吊裝，龍門吊有三個(gè)主鉤，三個(gè)主鉤的位置位于一個(gè)三角形的三個(gè)角點(diǎn)上，每個(gè)鉤頭下面布置有吊排，吊排可以將鉤頭力平均分布于吊點(diǎn)上。圖9中圓圈位置為基準(zhǔn)定位分段吊點(diǎn)所在的位置，將吊點(diǎn)布置在矩形的艙壁上，正好能夠和龍門吊的三個(gè)主鉤位置對(duì)應(yīng)。在實(shí)際作業(yè)中布置吊點(diǎn)時(shí)，還需要考慮吊排尺寸、龍門吊上小車和下小車之間的距離及上小車兩個(gè)鉤頭之間的距離等對(duì)吊點(diǎn)位置的影響。上小車和下小車之間的距離直接影響龍門吊的最大起重能力，上小車兩個(gè)鉤頭之間的距離也需要滿足使用要求，如果距離過小或者過大都不能按照?qǐng)D9和圖10的方式布置吊點(diǎn)并進(jìn)行吊裝作業(yè)。

圖9 吊點(diǎn)布置圖Fig.9 Arrangement of lifting point

圖10 實(shí)際吊裝圖Fig.10 Actual hoisting drawing

6.3 吊點(diǎn)焊縫強(qiáng)度校核

根據(jù)6.2節(jié)中的分析，吊點(diǎn)位于矩形氣密艙壁上時(shí)是該分段最佳的吊點(diǎn)位置，在安裝分段吊點(diǎn)時(shí)，由于船體分段不同于框架結(jié)構(gòu)，吊點(diǎn)可以全融透焊接在大梁的上翼緣，因此采用圖11中的填腳焊和圍焊的方式將吊點(diǎn)焊接在艙壁上。在這種情況下，在整個(gè)吊裝過程中，吊點(diǎn)本身強(qiáng)度、焊縫強(qiáng)度及與吊點(diǎn)直接焊接的艙壁強(qiáng)度都需要進(jìn)行校核。吊點(diǎn)強(qiáng)度校核方法已經(jīng)比較成熟，此處不再贅述。與吊點(diǎn)直接焊接的艙壁強(qiáng)度通過有限元計(jì)算進(jìn)行校核，圖12中的計(jì)算結(jié)果能夠看出應(yīng)力的大小和應(yīng)力在艙壁上的影響和分布區(qū)域，對(duì)于艙壁的強(qiáng)度來說，能夠滿足實(shí)際工程的需求。但是，對(duì)于焊縫來說，建模時(shí)并沒有將焊縫在模型中體現(xiàn)，除非單獨(dú)建立有限元模型來模擬焊縫，否則計(jì)算結(jié)果并不能完全反映出焊縫的強(qiáng)度是否滿足吊裝要求。因此，在實(shí)際工程中，通常采用簡(jiǎn)化的方法，使用力學(xué)公式計(jì)算焊縫強(qiáng)度，不僅極大地提高了設(shè)計(jì)效率，并且能夠保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

圖11 吊點(diǎn)焊接圖Fig.11 Welding diagram of lifting point

圖12 吊點(diǎn)和艙壁強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果圖Fig.12 Finite element calculation results of lifting point and bulkhead strength

通過6.3節(jié)的計(jì)算，可以確認(rèn)分段的吊點(diǎn)強(qiáng)度能夠滿足吊裝要求，還需要通過有限元計(jì)算校核分段的整體強(qiáng)度和變形是否滿足要求。在圖12中，為分布在400 t吊排下的4個(gè)85 t吊點(diǎn)使用有限元軟件計(jì)算的強(qiáng)度校核結(jié)果，最大等效應(yīng)力為40.35MPa。在吊裝鋼絲繩的端部約束x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，給分段施加重力荷載。

7 結(jié) 語

由于圓筒型FPSO獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，其基準(zhǔn)定位分段和常規(guī)的船型分段存在較大的差異，在設(shè)計(jì)分段的吊裝和運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，分段劃分時(shí)要根據(jù)設(shè)備能力和場(chǎng)地空間確定分段大小，分段重量計(jì)算一定要考慮重量系數(shù)，運(yùn)輸設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照?qǐng)龅匾蠛蚐PMT的特點(diǎn)設(shè)計(jì)運(yùn)輸過程和運(yùn)輸方法，在設(shè)計(jì)吊裝時(shí)，除理論計(jì)算外，還應(yīng)結(jié)合有限元軟件和力學(xué)知識(shí)互相印證，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確?；鶞?zhǔn)定位分段是整個(gè)圓筒型FPSO船體建造周期內(nèi)第一個(gè)大型吊裝和運(yùn)輸作業(yè)，對(duì)項(xiàng)目后續(xù)分段的吊裝合攏有巨大影響，一定要嚴(yán)格按照公司要求和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保作業(yè)安全。