“海洋石油111”直升機(jī)甲板升級(jí)改造方案論證

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

海上直升機(jī)是海上石油平臺(tái)正常運(yùn)行的重要交通工具，直升機(jī)甲板是整個(gè)海上設(shè)施不可缺少的重要附屬結(jié)構(gòu)。而使用直升機(jī)供海上人員倒班的費(fèi)用一直占海上設(shè)施生產(chǎn)運(yùn)維費(fèi)的一定比例[1]。海洋石油111FPSO擬通過(guò)提高直升機(jī)載客效率，增加每次倒班人員數(shù)量的方式，來(lái)減少直升機(jī)倒班次數(shù)，降低海上人員倒班成本及倒班風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)劃采取的措施為用Sikorsky S92(下稱S9-2)直升機(jī)替代原來(lái)的AS332L2“SUPER PUMA”(下稱S332)機(jī)型，最大載客人員由12人增加至19人，載客能力可提高58%，而直升機(jī)費(fèi)用只增加20%左右，能夠明顯的節(jié)約成本。兩種機(jī)型參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 S332直升機(jī)與S9-2直升機(jī)參數(shù)對(duì)比

評(píng)估后確定采用新機(jī)型S9-2直升飛機(jī)，由于飛機(jī)重量及尺寸增大，原船直升機(jī)甲板的整體強(qiáng)度和甲板面總體尺寸均不能滿足使用要求，因此需借塢修機(jī)會(huì)對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。

1 改造方案比選

海洋石油111直升機(jī)甲板布置于FPSO艉部生活樓的頂部，按照現(xiàn)場(chǎng)使用需求，根據(jù)《中國(guó)民用航空總局令第151號(hào)》要求和直升機(jī)甲板布置圖，有以下兩種方案供選用。

1)方案1。在原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)S9-2新機(jī)型的要求，原直升機(jī)甲板面向FPSO舷側(cè)和艉部方向擴(kuò)大，同時(shí)增加甲板下骨材，延伸原支撐桁材，并進(jìn)行局部加強(qiáng)。

2)方案2。保留原直升機(jī)甲板下的支撐結(jié)構(gòu)，根據(jù)S9-2新機(jī)型的要求，甲板面整體換新，并進(jìn)行局部加強(qiáng)。

綜合對(duì)比上述兩個(gè)方案，方案1雖然設(shè)計(jì)改造的鋼料較少，但需在原結(jié)構(gòu)上擴(kuò)建，涉及高空作業(yè)，需搭設(shè)大量腳手架。為滿足新布置的要求，主要擴(kuò)展甲板兩面，同時(shí)兩側(cè)需加貼封板，工程要求較高，施工質(zhì)量不易保證。而方案2在設(shè)計(jì)時(shí)有較大的自由度，同時(shí)可以預(yù)留一定的設(shè)計(jì)安全余量，為更好地保證結(jié)構(gòu)完整性和今后使用的安全性，同時(shí)滿足FPSO塢修后原油田繼續(xù)服役10年的要求，決定采取第二種方案。

2 新直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)S9-2直升飛機(jī)的尺寸，新飛機(jī)甲板面設(shè)計(jì)為21 m×21 m的近似正方形，直升機(jī)甲板的板、骨材、桁材結(jié)構(gòu)的材料均選用經(jīng)BV認(rèn)證的船用A級(jí)鋼，屈服應(yīng)力235 MPa。

根據(jù)BV船級(jí)社鋼制海船入級(jí)規(guī)范NR-467 Part B Ch7 Sec1 4.3.1[2]甲板凈厚度為

Tnet=0.9CWL·(n·P0·k/λ)0.5=12.99 mm。

式中：n=1；CWL=1.152 49；k=1；P0=156.8 kN；λ=λT=1。

考慮1 mm的腐蝕余量，甲板板的總厚度Tgross=Tnet+1 mm，設(shè)計(jì)為14 mm。

骨材選取剖面模數(shù)為476.2 cm3的HP260×12球扁鋼，骨材間距0.5 m。支持骨材的橫向桁材尺寸為T8×600/10×200，最大跨距7.425 m，縱向桁材尺寸為T10×600/14×200，間距3.2 m，甲板面通過(guò)原支撐結(jié)構(gòu)將載荷進(jìn)行傳遞[3]。

3 直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)校核

3.1 基本載荷

S9-2直升機(jī)機(jī)身長(zhǎng)20.88 m，最大起飛重量(MTOW)12.8 t。該機(jī)型包含2個(gè)后輪和1個(gè)前輪，前后機(jī)輪間距離6.2 m，橫向機(jī)輪間距3.18 m。直升機(jī)甲板校核的基本載荷如下。

1)固定載荷。包括直升機(jī)甲板、加強(qiáng)材、支撐結(jié)構(gòu)和輔助設(shè)備等的重量，直升機(jī)甲板的自重均勻分布在整個(gè)直升機(jī)平臺(tái)上。

2)可變載荷。指均勻地分布在整個(gè)直升機(jī)甲板上的載荷，考慮到人員通行、貨物搬運(yùn)、旋翼的下沖氣流、雪或冰等作用。直升機(jī)甲板可變載荷應(yīng)以面載荷的方式均勻加載在直升機(jī)甲板上，對(duì)均布載荷工況，可變載荷大小為2 kN/m2；對(duì)于直升機(jī)著陸工況，可變載荷取0.5 kN/m2。

3)直升機(jī)機(jī)輪載荷。直升機(jī)最大起飛重量為12.8 t，機(jī)輪載荷以集中載荷的方式分別加載在橫向間距為3.18 m、大小為0.18 m2的兩個(gè)方形區(qū)域上和前后間距6.2 m、面積0.18 m2的方形區(qū)域上。對(duì)于直升飛機(jī)著陸的沖擊工況，需要考慮動(dòng)力放大效應(yīng)。

3.2 設(shè)計(jì)工況

根據(jù)BV鋼制海船入級(jí)規(guī)范NR-467 Part B Ch9 Sec10，直升機(jī)甲板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、校核需考慮以下三種工況：①甲板均布載荷工況；②正常著陸載荷工況；③緊急著陸載荷工況[4]。

各工況下的載荷組成詳見(jiàn)表2。

直升機(jī)甲板長(zhǎng)21 m，寬21 m，正常情況下直升機(jī)應(yīng)停靠在甲板的中心位置，這也是最理想的著陸位置。然而，由于直升機(jī)甲板的面積相對(duì)于整個(gè)直升機(jī)來(lái)說(shuō)較小，極限情況下直升機(jī)的2個(gè)后輪可能剛好落在甲板邊緣，也可能是對(duì)甲板結(jié)構(gòu)最不利的極限位置[5]。

表2 直升機(jī)甲板載荷工況

3.3 有限元分析

由于直升機(jī)平臺(tái)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件長(zhǎng)寬比大，在分析中使用SESAM軟件的GeniE模塊對(duì)直升機(jī)甲板及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，根據(jù)其受力特性，采用殼單元模擬甲板板和桁材面板，網(wǎng)格尺寸為150 mm×150 mm，采用梁?jiǎn)卧M甲板縱骨、桁材腹板及其它支撐結(jié)構(gòu)，有限元模型及邊界條件見(jiàn)圖1、2[6]。

圖1 直升機(jī)甲板有限元模型

圖2 有限元模型邊界條件

直升機(jī)甲板的板、骨材及桁材的材料均為船用普通鋼，屈服應(yīng)力235 MPa。根據(jù)BV鋼制海船入級(jí)規(guī)范NR-467 B3.Part B Ch9 Sec10.3.2，許用安全系數(shù)見(jiàn)表3。

對(duì)可能著陸的8個(gè)位置的正常著陸和緊急著陸情況進(jìn)行有限元分析，所有載荷情況下的最大應(yīng)力[7-8]見(jiàn)表4、5。

表3 許用安全系數(shù)

表4 不同著陸位置及載荷情況下的最大應(yīng)力

表5 不同著陸位置及載荷情況下的最大桿應(yīng)力

從表4中可以看出，8個(gè)不同著陸位置在正常著陸和緊急著陸情況下，最大von Mises應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，UC值均小于1。

其中,在位置5處正常著陸和緊急著陸的應(yīng)力為最大，相較許用應(yīng)力仍有一定的裕度，其應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3、4。

圖3 正常著陸最大應(yīng)力工況云圖

圖4 緊急著陸最大應(yīng)力工況云圖

從表5中可以看出，8個(gè)不同著陸位置在正常著陸和緊急著陸情況下，支撐結(jié)構(gòu)的最大桿應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，UC值均小于1。其中在位置5處正常著陸和緊急著陸支撐結(jié)構(gòu)的桿應(yīng)力為最大，相較許用應(yīng)力仍有一定的裕度，其應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5、6。

圖5 正常著陸桿單元最大應(yīng)力云圖

圖6 緊急著陸桿單元最大應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

海洋石油111采用保留原直升機(jī)甲板下支撐結(jié)構(gòu)，甲板面整體換新，局部進(jìn)行加強(qiáng)的方式進(jìn)行升級(jí)改造，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，能保證結(jié)構(gòu)的完整性和使用的安全性。FPSO自2018年7月結(jié)束塢修重新投入使用以來(lái)，直升機(jī)甲板的使用情況良好，有效降低了直升機(jī)的使用費(fèi)用，取得了明顯經(jīng)濟(jì)效益。