FPSO改造項(xiàng)目的輕型化直升機(jī)甲板設(shè)計(jì)

梁 晶，梁姝婷，萬 莉，李甲旺，魏亞菲

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

FPSO改造項(xiàng)目的輕型化直升機(jī)甲板設(shè)計(jì)

梁 晶，梁姝婷，萬 莉，李甲旺，魏亞菲

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

以30萬t深水浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船(FPSO)的改造為依托項(xiàng)目，對(duì)FPSO生活模塊系統(tǒng)的直升機(jī)甲板輕型化設(shè)計(jì)。文章根據(jù)FPSO改造需求，采用鋁質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制材料，以S-76A++型號(hào)的直升機(jī)為例，按規(guī)范設(shè)計(jì)了鋁制輕型化直升機(jī)甲板，并建立有限元模型，對(duì)不同著落位置、梁格跨度和螺栓布置進(jìn)行強(qiáng)度分析，在滿足單次起飛要求及甲板輕型化要求情況下，確定最終甲板結(jié)構(gòu)形式。

FPSO；直升機(jī)甲板；鋁質(zhì)；輕型化

Abstract:Based on the reconstruction of 300 thousand tons of deep water FPSO project,lightweight design should be done to the helicopter deck of the life module.According to the reconstructive FPSO requirements,aluminum materials are used to replace traditional steel materials.Taking the example for S-76A++helicopter,a model of aluminum helicopter deck is established.The finite element strength of the helicopter deck is calculated and compared under different landing locations,beam distances and bolt types,with conclusion confirmed by software,which shows that the aluminum helicopter deck can satisfy the strength of S-76A++ landing and lightweight requirement.

Keywords：FPSO;helicopter deck;aluminum;lightweight

在海洋油氣資源開采設(shè)備中，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)(FPSO)占據(jù)重要位置，它具有較強(qiáng)抗風(fēng)浪能力，同時(shí)可重復(fù)使用、風(fēng)險(xiǎn)小、經(jīng)濟(jì)效益好，是邊際油田和中、深海油田開采中的研究熱點(diǎn)[1]。直升機(jī)平臺(tái)作為FPSO的附屬結(jié)構(gòu)，是直升機(jī)可安全降落和起飛的場(chǎng)所。

隨著海洋科技的不斷發(fā)展，對(duì)直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)和人工成本的要求逐漸加強(qiáng)，甲板的輕型化成為當(dāng)前的研究趨勢(shì)。把FPSO生活模塊系統(tǒng)的直升機(jī)甲板進(jìn)行輕型產(chǎn)業(yè)化，采用鋁質(zhì)直升機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。鋁制直升機(jī)甲板具有質(zhì)量輕、抗腐蝕和在車間建造現(xiàn)場(chǎng)組裝諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。

本文依托30萬t深水FPSO生活模塊系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，結(jié)合FPSO使用期間停放直升機(jī)的數(shù)量和型號(hào)，確定直升機(jī)甲板的尺寸之后，便要考慮直升機(jī)甲板的重量與結(jié)構(gòu)。本文選取S-76A++直升機(jī)為例，通過對(duì)不同著落位置、梁格跨度和螺栓連接形式下直升機(jī)甲板的強(qiáng)度校核，在保證強(qiáng)度的情況下盡量減低成本。FPSO生活模塊系統(tǒng)模型圖如圖1所示。

圖1 FPSO生活模塊系統(tǒng)模型圖

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1直升機(jī)參數(shù)

以S-76A++直升機(jī)為例，參數(shù)見表1。

表1 直升機(jī)起落架參數(shù)

1.2材料參數(shù)

直升機(jī)甲板材質(zhì)采用鋁合金6082-T6，其參數(shù)詳情見表2。

表2 鋁合金材料參數(shù)

1.3設(shè)計(jì)工況

按《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[3]選取碰撞工況和存放工況進(jìn)行計(jì)算，具體載荷組合情況見表3。

表3 設(shè)計(jì)工況

經(jīng)過計(jì)算分析，2個(gè)后輪受力沒有交集，各輪受力不受其他輪的干擾影響。對(duì)于碰撞工況，可認(rèn)為載荷均布在2個(gè)后輪，故只針對(duì)1個(gè)輪進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于存放工況，可認(rèn)為載荷作用在3個(gè)輪上，按照質(zhì)量配比計(jì)算分析，前輪對(duì)甲板載荷最大。

2 有限元模型建立

運(yùn)用有限元軟件來建立直升機(jī)甲板面的局部有限元模型，如圖2。

直升機(jī)甲板采用卡子螺栓固定在支撐結(jié)構(gòu)的工字梁上，載荷按設(shè)計(jì)工況予以施加。

圖2 甲板面有限元模型

3 靜力計(jì)算分析

3.1不同著落位置影響

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)按其受力最不利的直升機(jī)著地位置考慮，輪印著落位置分為圖3的3種情況。

圖3 輪印著落位置

梁格跨度2 m，螺栓交叉約束，經(jīng)靜力計(jì)算后，碰撞工況下3種著落位置最大應(yīng)力見圖4、圖5、圖6。

圖4 碰撞工況著落1應(yīng)力圖

圖5 碰撞工況著落2應(yīng)力圖

圖6 碰撞工況著落3應(yīng)力圖

碰撞工況下，著落1最大應(yīng)力為172.457 MPa；著落2為178.916 MPa；著落3為116.845 MPa。結(jié)果表明，碰撞工況3種情況滿足強(qiáng)度要求。

圖7 存放工況著落2應(yīng)力圖

對(duì)存放工況，只選取著落2進(jìn)行計(jì)算，最大應(yīng)力圖見圖7。結(jié)果表明，存放工況滿足強(qiáng)度要求。

3.2不同梁格跨度的影響

根據(jù)3種型號(hào)的直升機(jī)前后輪和后輪間距初步判斷，梁格跨度可?。? m、2 m、3 m。經(jīng)計(jì)算著落2結(jié)果，圖8為螺栓交叉時(shí)3種不同梁格跨度應(yīng)力變化曲線圖。

圖8 不同梁格跨度應(yīng)力曲線

3.3不同螺栓位置的影響

3種形式約束的螺栓分布為滿螺栓、交叉螺栓、間隔螺栓3種，如圖9所示。

圖9 螺栓分布圖

梁格跨度取2 m，經(jīng)計(jì)算，圖10為3個(gè)著落位置不同螺栓布置的應(yīng)力變化曲線圖。

圖10 不同螺栓分布應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)束語

本文主要研究?jī)?nèi)容是針對(duì)FPSO改造項(xiàng)目，按規(guī)范設(shè)計(jì)了鋁制輕型化直升機(jī)甲板，并建立有限元模型，對(duì)不同著落位置、梁格跨度和螺栓布置進(jìn)行分析，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求情況下，結(jié)果表明：3種著落位置，著落2相對(duì)較危險(xiǎn)，隨后計(jì)算都以著落2為例；同種著落位置和螺栓約束，跨度越大，應(yīng)力呈逐步增加趨勢(shì)；同種著落位置和梁格跨度，螺栓約束越多，應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，交叉螺栓與滿螺栓形式應(yīng)力相差不大。

考慮到各類型直升機(jī)的輪間距，直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)采用梯形截面，梁格跨度定為2 m，螺栓交叉約束。

面對(duì)如何更大幅度利用可持續(xù)發(fā)展海洋能源的挑戰(zhàn)，海工設(shè)備的研發(fā)與創(chuàng)新就尤為重要。生活樓模塊生產(chǎn)專業(yè)化，輕型化直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)重量減輕、易于安裝操作，對(duì)實(shí)現(xiàn)FPSO關(guān)鍵系統(tǒng)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)、制造具有戰(zhàn)略性意義。

[1] 袁中立，李春. FPSO的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].石油工程建設(shè),2015,31(6): 24-29.

[2] 張壇龍，高學(xué)靜，王壽軍. 半潛式起重平臺(tái)的直升機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析[J].船舶,2013,24(3): 48-49.

[3] 中國船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2012.

梁 晶(1981-)，女，遼寧錦州人，工程師，大學(xué)本科，主要從事船舶與海洋工程技術(shù)工作。

P75

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.015

2017-03-10