大型浮式生產(chǎn)儲卸油船塢墩布置工藝與分析

董 鶴,孫博文,蔣家坤,袁宇波,許 強

(啟東中遠(yuǎn)海運海洋工程有限公司,江蘇 啟東 226200)

0 引言

浮式生產(chǎn)儲卸油船(FPSO)是海上油氣開采和加工的處理裝備,是一種浮式生產(chǎn)設(shè)施。FPSO通過原油管線與海底預(yù)先鉆好的油井管路連接采集海底石油,然后進(jìn)行初加工存儲,再通過往返于陸地之間的穿梭油輪將初加工后的油品送往陸地。

大型FPSO的空船質(zhì)量可達(dá)近6萬t(不含上部模塊),在建造過程中對船塢及塢墩的要求很高。FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜,尤其是外底板設(shè)計有很多凸出物(如鋅塊、海底閥箱、拉環(huán)等),這對項目建造期間塢墩布置提出了更高要求[1-2]。

塢墩作為船舶在塢內(nèi)建造的基礎(chǔ),起著支撐整船重力、保護(hù)塢底結(jié)構(gòu)的作用,因此,塢墩的布置對于船體的受力至關(guān)重要[3]。為此,本文進(jìn)一步對某FPSO塢墩布置方案進(jìn)行細(xì)化研究。

1 布墩設(shè)計準(zhǔn)備工作

(1)收集船塢及所需使用的塢墩信息,包括船塢工藝平面圖、塢內(nèi)布置圖、所需使用的各類型塢墩的數(shù)量。

(2)收集FPSO相關(guān)圖紙,包括項目總布置圖、項目重量控制報告、項目船底板結(jié)構(gòu)圖、項目外底板舾裝件布置圖、項目艙室布置圖、分段/總段劃分圖。

(3)掌握項目生產(chǎn)計劃及項目建造方案,確定項目在塢內(nèi)的布置方式及位置要求。

(4)根據(jù)項目出塢時間及塢內(nèi)建造計劃確定塢墩布置高度。

1.1 FPSO及船塢參數(shù)

FPSO及船塢主要參數(shù)見表1。

表1 FPSO及干船塢信息表 單位:m

1.2 塢墩參數(shù)信息

塢墩的結(jié)構(gòu)形式通常由水泥塊與塢墩木組合,見圖1。

圖1 塢墩結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

水泥塊直接布置在塢底。水泥塊的設(shè)計需結(jié)合塢底承載能力確定。保證在項目坐墩之后,水泥塊對塢底的壓力在塢底的承載許可范圍內(nèi)。塢墩木布置在水泥塊上方支撐船體結(jié)構(gòu)。塢墩木相對較軟,可有效保護(hù)船底油漆。同時,船體結(jié)構(gòu)在搭載過程中,隨著重量的增加木頭會有一定的壓縮。布置塢墩木使整個船體底板受力更加均勻,避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問題。

2 塢墩布置設(shè)計要領(lǐng)

2.1 塢墩布置數(shù)量設(shè)計

根據(jù)項目重量控制報告及預(yù)估的項目出塢時的裝載重量,統(tǒng)計出項目布墩所需要的總重量以確定塢墩數(shù)量。出塢時的裝載重量分為項目自重和臨時重量。項目自重主要包括:項目塢內(nèi)計劃搭載完成的主船體鋼結(jié)構(gòu)重量,管、機、電、舾等各專業(yè)計劃安裝的重量,甲板上部模塊塢內(nèi)安裝的重量,生活區(qū)(包括救生艇架及直升機平臺)在塢內(nèi)搭載的重量及甲板吊機的安裝狀態(tài)等。臨時重量主要包括:各艙室內(nèi)腳手重量、出塢時壓載水重量(或固定壓載)、甲板面焊機工具櫥等臨時作業(yè)設(shè)備重量及其他需要在塢內(nèi)安裝的臨時靠泊或頂靠工裝等重量[4]。

布墩設(shè)計時結(jié)合項目建造計劃,部分艙室完工后在塢內(nèi)做艙室強度試驗。項目在塢內(nèi)搭載時艏艉線型區(qū)域采用牛腿加高擱墩做臨時支撐,項目出塢前拆除臨時支撐,該部分?jǐn)R墩不參與總塢墩布置數(shù)量的承重計算。

結(jié)合以上所有重量,繪制FPSO重量分布曲線以校核塢墩的總體布置的合理性,見圖2。

圖2 FPSO重量分布曲線

2.2 項目在塢內(nèi)的總體布置

(1)了解塢資源使用情況,考慮其他項目同時在塢內(nèi)作業(yè)及其他結(jié)構(gòu)物在塢內(nèi)共塢布置情況。

(2)在塢內(nèi)布置時項目與塢墻及項目與項目之間應(yīng)保證足夠的空間,便于塢內(nèi)工程車輛通行作業(yè),如高架車、汽車吊、叉車等。

(3)在塢內(nèi)布置時項目外圍預(yù)留腳手作業(yè)平臺搭設(shè)空間。

(4)確保項目在塢內(nèi)布置時側(cè)邊最大凸出物與塢墻及塢墻上方龍門吊、門機、泵房、塢門等結(jié)構(gòu)沒有干涉沖突。

(5)根據(jù)項目建造方案及建造計劃,項目在塢內(nèi)的布置滿足在塢內(nèi)吊裝模塊、大型設(shè)備、大型結(jié)構(gòu)等塢內(nèi)工程信息,同時滿足生活區(qū)模塊用浮吊安裝的跨距要求。

綜合考慮各種因素后FPSO在塢內(nèi)布置見圖3。

圖3 項目在塢內(nèi)建造布置圖(單位:mm)

2.3 塢墩的布置設(shè)計

結(jié)合所有塢內(nèi)布置的影響因素,確定項目在塢內(nèi)的布置位置后進(jìn)行塢墩的布置設(shè)計。根據(jù)項目結(jié)構(gòu)圖找出底板反面強框架結(jié)構(gòu)分布,所有塢墩只允許布置在強框架處,并避開塢底板排水溝、泄壓井等凸出和凹陷區(qū)域。塢墩位置預(yù)留用于搭載的三維調(diào)整機作業(yè)空間,保證X、Y、Z3個方向行動自如沒有干涉。塢墩布置時避開所有搭載的分段、總段底板合龍縫。塢墩邊緣距離合龍縫最小間距不小于400 mm,滿足涂裝補涂及定位馬板封焊需求。根據(jù)舾裝圖紙,找出項目底部凸出物分布情況,塢墩布置避開底板凸出物。

綜合船塢及項目結(jié)構(gòu)特點,繪制外底板塢墩分布見圖4。

圖4 外底板塢墩分布

2.4 塢墩布置高度設(shè)計

根據(jù)項目建造方案及項目出塢計劃,初步估算項目出塢時的吃水,結(jié)合項目出塢節(jié)點時間的潮汐情況確定塢墩高度。塢墩設(shè)計的高度考慮項目外底板最大凸出物,保證項目建造過程中凸出物安裝后不觸碰塢底板,同時項目出塢時船舶漂浮后,最大凸出物高度能超過塢墩木及塢門檻,確保項目順利出塢而不出現(xiàn)剮蹭等現(xiàn)象。塢墩高度設(shè)計時掌握全船底板結(jié)構(gòu)圖上板厚分布情況,底板板厚差較大的區(qū)域特殊注明板厚差值。船塢塢底坡度中間高兩邊低,塢墩高度考慮塢底斜坡的影響。項目艏艉線型較大區(qū)域單獨導(dǎo)出結(jié)構(gòu)剖面標(biāo)出塢墩高度值供生產(chǎn)施工確定塢墩高度。塢墩高度為下部水泥塊和上部塢墩木的總高度,通常塢墩水泥塊的高度是一定的,但是考慮船底板線型的變化及塢底坡度,會出現(xiàn)塢兩邊及處于船底板線型區(qū)域的塢墩木高度高于中間路塢墩木高度。塢墩木需要考慮與水泥塊之間的固定,避免船舶進(jìn)出塢時,塢墩木漂浮影響作業(yè)。

3 塢墩承載及項目結(jié)構(gòu)強度分析

塢墩數(shù)量及位置確定后對整船塢墩承載能力進(jìn)行核算,同時對項目全船結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行分析[5]。

3.1 塢墩承載能力校核

塢墩承載能力與主船體重量分區(qū)校核見表2。由表2可知,各區(qū)域塢墩總的承載能力均大于項目主船體重量+艙內(nèi)壓載重量之和,塢墩總體承載設(shè)計滿足要求。

表2 塢墩承載能力與主船體重量分區(qū)校核

3.2 主船體結(jié)構(gòu)強度分析

船體結(jié)構(gòu)強度計算采用DNV·GL軟件SESAM進(jìn)行三維有限元靜態(tài)線性分析。計算模型的材料屬性定義中,部分船體結(jié)構(gòu)使用的高強度船用鋼最小屈服應(yīng)力為355 MPa和315 MPa,另有部分結(jié)構(gòu)使用了最小屈服應(yīng)力為235 MPa的普通鋼。

在進(jìn)行有限元模型網(wǎng)格設(shè)置時,整體網(wǎng)格大小為900 mm×900 mm,關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格細(xì)化為100 mm×100 mm,過渡區(qū)域的網(wǎng)格大小為450 mm×450 mm和225 mm×225 mm。

計算模型中設(shè)置邊界條件時,在主甲板上采用X/Y方向固定,在外底板每個塢墩布置的位置采用Z方向固定。邊界條件施加方式見圖5。

通過有限元分析,項目結(jié)構(gòu)強度應(yīng)力分布及屈曲校核見圖6～圖8。結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果說明見表3。由表3可知:有限元分析應(yīng)力及屈曲結(jié)果均滿足要求。

圖6 外底板與塢墩接觸位置應(yīng)力分布(單位:MPa)

圖7 底板內(nèi)部艙壁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點分布(單位:MPa)

圖8 外底結(jié)構(gòu)屈曲校核結(jié)果

表3 應(yīng)力及屈曲校核結(jié)果

4 結(jié)語

船舶在塢內(nèi)建造時均需要塢墩支持,塢墩布置的設(shè)計思路在船舶建造領(lǐng)域基本通用,但不同類型的船舶塢墩布置方式會有所區(qū)別,海洋工程類船舶與普通船型項目的區(qū)別尤為明顯。如自升式海洋工程類項目因有樁腿、樁靴的存在而決定了該部分塢墩布置的特殊性。普通船型項目只需要考慮船舶在塢內(nèi)一次性完工即可,而海洋工程項目則需要考慮塢內(nèi)工程,結(jié)合塢內(nèi)工程核算塢內(nèi)建造的重量并依此作為布墩依據(jù)。對于不同類型項目的塢墩設(shè)計,可根據(jù)項目的特殊結(jié)構(gòu)區(qū)域有針對性地開展研究,形成一套全面的船舶及海工塢墩布置工藝標(biāo)準(zhǔn)。