董 鹤,孙博文,蒋家坤,袁宇波,许 强
(启东中远海运海洋工程有限公司,江苏 启东 226200)
浮式生产储卸油船(FPSO)是海上油气开采和加工的处理装备,是一种浮式生产设施。FPSO通过原油管线与海底预先钻好的油井管路连接采集海底石油,然后进行初加工存储,再通过往返于陆地之间的穿梭油轮将初加工后的油品送往陆地。
大型FPSO的空船质量可达近6万t(不含上部模块),在建造过程中对船坞及坞墩的要求很高。FPSO结构设计复杂,尤其是外底板设计有很多凸出物(如锌块、海底阀箱、拉环等),这对项目建造期间坞墩布置提出了更高要求[1-2]。
坞墩作为船舶在坞内建造的基础,起着支撑整船重力、保护坞底结构的作用,因此,坞墩的布置对于船体的受力至关重要[3]。为此,本文进一步对某FPSO坞墩布置方案进行细化研究。
(1)收集船坞及所需使用的坞墩信息,包括船坞工艺平面图、坞内布置图、所需使用的各类型坞墩的数量。
(2)收集FPSO相关图纸,包括项目总布置图、项目重量控制报告、项目船底板结构图、项目外底板舾装件布置图、项目舱室布置图、分段/总段划分图。
(3)掌握项目生产计划及项目建造方案,确定项目在坞内的布置方式及位置要求。
(4)根据项目出坞时间及坞内建造计划确定坞墩布置高度。
1.1 FPSO及船坞参数
FPSO及船坞主要参数见表1。
表1 FPSO及干船坞信息表 单位:m
1.2 坞墩参数信息
坞墩的结构形式通常由水泥块与坞墩木组合,见图1。
图1 坞墩结构图(单位:mm)
水泥块直接布置在坞底。水泥块的设计需结合坞底承载能力确定。保证在项目坐墩之后,水泥块对坞底的压力在坞底的承载许可范围内。坞墩木布置在水泥块上方支撑船体结构。坞墩木相对较软,可有效保护船底油漆。同时,船体结构在搭载过程中,随着重量的增加木头会有一定的压缩。布置坞墩木使整个船体底板受力更加均匀,避免出现结构的应力集中问题。
2.1 坞墩布置数量设计
根据项目重量控制报告及预估的项目出坞时的装载重量,统计出项目布墩所需要的总重量以确定坞墩数量。出坞时的装载重量分为项目自重和临时重量。项目自重主要包括:项目坞内计划搭载完成的主船体钢结构重量,管、机、电、舾等各专业计划安装的重量,甲板上部模块坞内安装的重量,生活区(包括救生艇架及直升机平台)在坞内搭载的重量及甲板吊机的安装状态等。临时重量主要包括:各舱室内脚手重量、出坞时压载水重量(或固定压载)、甲板面焊机工具橱等临时作业设备重量及其他需要在坞内安装的临时靠泊或顶靠工装等重量[4]。
布墩设计时结合项目建造计划,部分舱室完工后在坞内做舱室强度试验。项目在坞内搭载时艏艉线型区域采用牛腿加高搁墩做临时支撑,项目出坞前拆除临时支撑,该部分搁墩不参与总坞墩布置数量的承重计算。
结合以上所有重量,绘制FPSO重量分布曲线以校核坞墩的总体布置的合理性,见图2。
图2 FPSO重量分布曲线
2.2 项目在坞内的总体布置
(1)了解坞资源使用情况,考虑其他项目同时在坞内作业及其他结构物在坞内共坞布置情况。
(2)在坞内布置时项目与坞墙及项目与项目之间应保证足够的空间,便于坞内工程车辆通行作业,如高架车、汽车吊、叉车等。
(3)在坞内布置时项目外围预留脚手作业平台搭设空间。
(4)确保项目在坞内布置时侧边最大凸出物与坞墙及坞墙上方龙门吊、门机、泵房、坞门等结构没有干涉冲突。
(5)根据项目建造方案及建造计划,项目在坞内的布置满足在坞内吊装模块、大型设备、大型结构等坞内工程信息,同时满足生活区模块用浮吊安装的跨距要求。
综合考虑各种因素后FPSO在坞内布置见图3。
图3 项目在坞内建造布置图(单位:mm)
2.3 坞墩的布置设计
结合所有坞内布置的影响因素,确定项目在坞内的布置位置后进行坞墩的布置设计。根据项目结构图找出底板反面强框架结构分布,所有坞墩只允许布置在强框架处,并避开坞底板排水沟、泄压井等凸出和凹陷区域。坞墩位置预留用于搭载的三维调整机作业空间,保证X、Y、Z3个方向行动自如没有干涉。坞墩布置时避开所有搭载的分段、总段底板合龙缝。坞墩边缘距离合龙缝最小间距不小于400 mm,满足涂装补涂及定位马板封焊需求。根据舾装图纸,找出项目底部凸出物分布情况,坞墩布置避开底板凸出物。
综合船坞及项目结构特点,绘制外底板坞墩分布见图4。
图4 外底板坞墩分布
2.4 坞墩布置高度设计
根据项目建造方案及项目出坞计划,初步估算项目出坞时的吃水,结合项目出坞节点时间的潮汐情况确定坞墩高度。坞墩设计的高度考虑项目外底板最大凸出物,保证项目建造过程中凸出物安装后不触碰坞底板,同时项目出坞时船舶漂浮后,最大凸出物高度能超过坞墩木及坞门槛,确保项目顺利出坞而不出现剐蹭等现象。坞墩高度设计时掌握全船底板结构图上板厚分布情况,底板板厚差较大的区域特殊注明板厚差值。船坞坞底坡度中间高两边低,坞墩高度考虑坞底斜坡的影响。项目艏艉线型较大区域单独导出结构剖面标出坞墩高度值供生产施工确定坞墩高度。坞墩高度为下部水泥块和上部坞墩木的总高度,通常坞墩水泥块的高度是一定的,但是考虑船底板线型的变化及坞底坡度,会出现坞两边及处于船底板线型区域的坞墩木高度高于中间路坞墩木高度。坞墩木需要考虑与水泥块之间的固定,避免船舶进出坞时,坞墩木漂浮影响作业。
坞墩数量及位置确定后对整船坞墩承载能力进行核算,同时对项目全船结构强度进行分析[5]。
3.1 坞墩承载能力校核
坞墩承载能力与主船体重量分区校核见表2。由表2可知,各区域坞墩总的承载能力均大于项目主船体重量+舱内压载重量之和,坞墩总体承载设计满足要求。
表2 坞墩承载能力与主船体重量分区校核
3.2 主船体结构强度分析
船体结构强度计算采用DNV·GL软件SESAM进行三维有限元静态线性分析。计算模型的材料属性定义中,部分船体结构使用的高强度船用钢最小屈服应力为355 MPa和315 MPa,另有部分结构使用了最小屈服应力为235 MPa的普通钢。
在进行有限元模型网格设置时,整体网格大小为900 mm×900 mm,关键位置的结构网格细化为100 mm×100 mm,过渡区域的网格大小为450 mm×450 mm和225 mm×225 mm。
计算模型中设置边界条件时,在主甲板上采用X/Y方向固定,在外底板每个坞墩布置的位置采用Z方向固定。边界条件施加方式见图5。
通过有限元分析,项目结构强度应力分布及屈曲校核见图6～图8。结构有限元分析结果说明见表3。由表3可知:有限元分析应力及屈曲结果均满足要求。
图6 外底板与坞墩接触位置应力分布(单位:MPa)
图7 底板内部舱壁结构最大应力点分布(单位:MPa)
图8 外底结构屈曲校核结果
表3 应力及屈曲校核结果
船舶在坞内建造时均需要坞墩支持,坞墩布置的设计思路在船舶建造领域基本通用,但不同类型的船舶坞墩布置方式会有所区别,海洋工程类船舶与普通船型项目的区别尤为明显。如自升式海洋工程类项目因有桩腿、桩靴的存在而决定了该部分坞墩布置的特殊性。普通船型项目只需要考虑船舶在坞内一次性完工即可,而海洋工程项目则需要考虑坞内工程,结合坞内工程核算坞内建造的重量并依此作为布墩依据。对于不同类型项目的坞墩设计,可根据项目的特殊结构区域有针对性地开展研究,形成一套全面的船舶及海工坞墩布置工艺标准。
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