FPSO上部模块海运绑扎加固方案.pdf

现代物流水运管理第45卷第10 期2 0 2 3年10 月FPSO上部模块海运绑扎加固方案成海亮,胡天勇，劳军，韩耀东（中远海运物流供应链有限公司，北京10 0 0 2 0）【摘要】为研究浮式生产储油卸油装置(FPSO)上部模块海运绑扎与加固,以某 FPSO的上部模块海运绑扎设计为研究对象，根据模块结构的布置形式，设计模块的海运绑扎方案。基于新版海事作业和海事担保标准及有限元理论，计算得到货物重心处的加速度值并提取模块绑扎构件的支反力，依此验证绑扎设计安全性和可靠性。该方案可为同类产品海运绑扎加固设计提供参考。【关键词】浮式生产储油卸油装置(FPSO);有限元理论;海运绑扎设计心高等特点，一般只能采用水运的方式运输。由于引言模块在海运过程中受到海洋气象环境及船舶运动浮式生产储油卸油装置（FloatingProductionStorageandOffloading，F PSO）具有适用环境范围广、甲板面积宽阔、储油能力强、应用灵活移动方便、可重复使用和生产系统投产快等特点，被广泛应用于深海油气田资源开发中。随着FPSO建造技术的不断发展，传统的建造模式已不能满足当前工程建设要求，工程建造模式已由传统现场作业转变为异地制造生产、现场模块组装和调试的建造方式。模块化建造是指把复杂的系统分拆成不同模块，并使模块之间通过标准化接口进行信息沟通的动态整合过程。工程建造方式的转变直接推动了设施结构和设备向着集成化、重型化、大型化、模块化的方向发展，该模式能够大幅提高生产效率，提升施工质量和保障施工安全，缩短建设工期，降低工程设施全生命周期成本。目前，模块化建造模式在石油、化工及海洋工程等多领域多项目中已经成功实施。模块化的产品具有体积大、质量大和货物重收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 5作者简介：成海亮（19 8 8 一），男，硕士，工程师，研究方向为重大件货物运输技术22http:/引起的惯性力等多重作用，因此设计的绑扎方案既要满足货物绑扎的强度要求，也要满足船舶整体强度和局部强度要求为解决FPSO模块海运绑扎与加固这一实际问题，本文基于海运相关规范，计算受载船舶及被载运FPSO上部模块的运动响应加速度。在此基础上，基于新版海事作业和海事担保标准和模块绑扎设计理念，设计了FPSO上部模块的绑扎方案，并对绑扎加固方案的安全性和可靠性进行验证。FPSO模块运输方案以在我国珠海某制造基地建造完成的3个编号分别为M06、M0 8 和F01的FPSO模块海洋运输为研究对象。该批模块于某时间从珠海某码头装运，发运至启东港，其航线途经南海、台湾海峡、东海、最终抵达启东用户码头交付，总航程约875nmile,预计航行5d。水运管理第45卷第10 期2 0 2 3年10 月现代物流1.1FPSO的基本参数FPSO上部模块集成了机械设备、管道、电气元件设备和仪表设备等，具有集成程度高、货值高、运输难度大等特点，本项目运输的3件FPSO上部模块的参数见表1,M08和M06模块三维图如图1和图2 所示。因M06模块的尺寸与质量最大，故以M06模块为典型货物进行模块绑扎设计研究。表1FPSO上部模块参数模块编号长/m宽/m高/m质量/t重心高度/m面积10 9 2 8.0 m、甲板负荷2 0.0 t/m。M0630.00M0830.00F0120.001.2运输船选择和积载方案FPSO上部3件模块质量大、体积大、迎风面积大，综合考虑甲板面积、船舶稳性，船舶结构强度、装卸要求和运输成本等因素，选择10 0 0 0 吨级的远洋甲板船来装载FPSO上部3件模块。船舶参数为：船长130.0 0 m、载质量10 6 0 2.1t、型深7.8 0 m、总排水量1550 2.1t、型宽2 8.0 0 m、压载泵能力4600m/h、夏季吃水5.2 0 m、最大航速11.0 kn、甲板24.5029.0022.5021.8713.0010.501805.531683.23299.009.0806.2732.3702环境荷载及工况由于装载了FPSO上部模块的甲板船在航行中受风浪影响，会产生一定的加速度，因此，运输时须考虑其组合工况，以使计算结果全面准确。上部模块在海运工程中，主要荷载来自船体晃动，船体晃动包括6 个自由度的运动，参考钢质海船人级规范对船体的定义，船体坐标如图3所示。X图1M08模块三维图图3船体坐标由图3可知，船体晃动的6 个自由度是相互关联的，关系较复杂。其中，横摇、纵摇、垂荡3个运动幅值较大，在3个方向的平移运动分量中的占比较高，故可将船体晃动的6 个自由度简化为横摇、纵摇、垂荡3个运动。根据海上拖航指南，沿海运输的环境荷载考虑角幅值、周期及加速度如下。（1）横摇：横摇角15,横摇周期T=10s。（2）纵摇：纵摇角5，纵摇周期T=10s。（3）垂荡：垂荡加速度0.2 g（g 为重力加速度）。上述取值根据具体的航区及船型情况会有调整，一般考虑如下8 个工况：（1)正向横摇+正向垂图2 M06模块三维图荡、（2)反向横摇+反向垂荡、（3）正向横摇+反向垂E-mail:SYGL23现代物流第45卷第10 期2 0 2 3年10 月水运管理荡、（4)反向横摇+正向垂荡、（5)正向纵摇+正向垂荡、（6)反向纵摇+反向垂荡、（7)正向纵摇+反向垂荡、（8)反向纵摇+正向垂荡。依据海上拖航指南，计算得到设定航线下上部模块重心处的三向（横向、纵向、垂向）加速度分别为0.15g、0.46 g、0.2 6 g。3海运绑扎方案设计FPSO上部模块海运绑扎设计是一个系统工程，绑扎系统由船舶、模块及绑扎件等部分组成。绑扎设计不仅要有效克服货物因船舶摇荡产生的惯性力，还应该满足绑扎构件、货物自身结构及船舶甲板等结构在运输工况下的强度要求。由于本项目所涉模块具有自身重心高，钢结构框架强度有限等特征，因此，拟采用型钢对其进行海运刚性绑扎，即在船舶的横向、纵向方向安装多根对称斜撑杆，用于抵抗船舶的横摇和纵摇引起的水平力和力矩。为满足船舶局部强度要求，在模块的支墩底部增加分载结构件，拟选用支撑、斜撑、分载构件等绑扎材料均为Q345B等级的钢材，所有斜撑钢件均采用H型钢制造；在完成全部绑扎后，需对绑扎系统焊缝进行10 0%无损探伤检测。绑扎方案如图4所示。（a）舰部绑扎设计正视图模块绑扎系统强度分析4.1模块绑扎系统支反力计算根据海事作业和海事担保标准，绑扎设计载荷应考虑船舶不同响应组合方式，需要对最不利载荷组合下绑扎构件及船舶结构进行分析。通过对模块-绑扎构件进行多载荷组合下的绑扎构件受力分析，可以得到每个构件的最大受力值，并通过施加最大受力至船舶分段-绑扎构件有限元模型，校核船舶结构及绑扎构件的安全性。本项目使用专业的钢结构设计软件STAADPro对FPSO上部模块和绑扎件进行建模分析，提取绑扎件和支撑构件的支反力，这些支反力将用于测算运输驳24http:/（b）F PSO 上部模块海运绑扎方案运用实况图4M06绑扎方案船甲板结构体系的局部强度。根据有限元理论，建立M06模块绑扎系统的有限元模型，得到每根绑扎构件的最大受力值，见表2、表3。表2 M06模块支墩最大支反力支墩支墩纵向力垂向力横向力编号编号B01164.6673555.03204.70B09B02198.8832.691.77223.13B10B03215.8261425.62229.72B11B04261.2542.791.44B056.494B064.4501646.63304.32B14199.9252.883.19215.02B071.2021155.21316.65B15201.7641956.59234.67B089.942单位：kN纵向力垂向力横向力5.615867.07364.781.1251089.53305.750.6151465.02318.785.55B125.741846.74 350.07B13317.6102.002.04710.40 299.76B16280.5002.780.71796.81395.824.143.52水运管理第45 卷第1 0 期2 0 2 3 年1 0 月现代物流图6 船体分段受力云图图7 绑扎构件受力云图表3 M06模块斜撑最大支反力斜撑编号支反力斜撑编号支反力斜撑编号支反力BR-P1539.10BR-P2398.55BR-P3506.56BR-P4456.69BR-P5389.47BR-P6583.314.2建立绑扎系统有限元模型根据模块、运输船舶以及绑扎设计等相关图纸，采用Ansys软件分别建立船舶分段-绑扎构件有限元模型，对船舶局部强度和绑扎系统进行有限元受力分析。有限元模型如图5 所示。图5 M06绑扎构件-船舶分段有限元模块4.3材料及单元类型绑扎构件与船体分段有限元模型的所有构件均采用Beam188单元模拟。因船舶分段以板壳结构为主,故在绑扎构件-船舶分段有限元模型中,船体板材与绑扎构件采用Shell181模拟；船舶结构中甲板纵梁采用Beam188单元模拟。模型材料参数和单元属性见表4。表4Shel181/Beam188材料模型及参数密度/屈服强度/构件泊松比(x10kg:m)(10GPa)船舶结构7.87绑扎构件7.874.4绑扎方案强度分析根据绑扎构件最大受力值，将该载荷施加在船舶分段-绑扎构件有限元模型中，分析得到绑扎构件及船舶结构在最大拉力和最大压力下的应力分布情况。单位：KNBR-S1482.05BR-S2370.58BR-S3468.53BR-S4481.60BR-S5371.64BR-S6482.08杨氏模量MPa2.1235.02.1355.04.4.1受压工况下结构强度分析BR-A1389.5BR-A2460.7BR-A3296.3BR-F1700.8BR-F2442.7BR-F3562.10.30.3通过对船舶-绑扎系统在受压工况下进行分析，得到绑扎构件以及船舶的受力云图（见图6、图7)。由分析结果可知,绑扎构件受最大压时,船舶结构的最大应力值为2 0 9.40 MPa，绑扎构件的最大应力值为2 0 8.6 0 MPa,均小于材料的屈服强度，故绑扎系统满足受压工况下的设计强度要求。应力/MPa209.4191.951745157.05139.6122.15104787.258852.3534917.45应力/MPa208.6185.4216225139.07115992.719.54446.38823.1920.0161914.4.2受力工况下绑扎构件结构强度分析根据有限元强度分析结果可知，绑扎构件受最大压时，船舶结构的单元应力最大值为7 4.8 6MPa，绑扎构件的最大应力值为1 5 9.3 0 MPa；在受拉工况下，各部分最大应力值均小于材料的屈服强度，故绑扎系统满足受压拉工况下的设计强度要求，船舶-绑扎系统应力云图如图8、图9 所示。应力/MPa748558.617623795614149:90343:66537.42731:192495218.71412.47662379应力/MPa159.3141.6123.9106288.49970:.79953.135.417.72.0957-5图8 舟船体分段受力云图图9 绑扎构件受力云图E-mail:SYGL25现代物流水运管理第45 卷第1 0 期2 0 2 3 年1 0 月扎构件的最大支反力。在此基础上，将最大支反力5结语施加在船体分段-绑扎构件模块中，可校核其绑扎针对FPSO上部模块海运绑扎加固方案，依据海上作业和海事保修标准及相关海运规范，基于航线和途经海区，合理确定其设计载荷标准，能快速计算得到绑扎设计载荷；利用有限元方法构建模块绑扎系统模型，建立FPSO上部模块的绑扎系统有限元模型，得到多种载荷组合下支墩及绑系统的局部强度，该设计方法为同类产品海运绑扎设计提供了新思路。区参考文献：1罗晓明.FPSO船体结构设计要点 J.船海工程，2 0 1 5（5)：117-120.2成海亮，胡天勇，劳军，等，卸船机整机远洋运输的绑扎方案设计 J.水运管理，2 0 2 2（1 2）：3 7-40.（上接第2 1 页）要求的加油船，经第三方安全认证后，逐步退出现有水上服务区范围，按照环保、安全标准建设引人新船或改造升级原船。（2）完善功能，规模发展。积极推动现有供油站点由零散型分布向集聚型转化，推动现有功能单一的水上供油站点向水上绿色综合服务区转型升级，各站点协同联动建设水上绿色综合服务区集群。通过水上绿色综合服务区集群建设，促进各水上服务区功能的联动互补，发挥整体规模效应，形成区域水上绿色综合服务圈和水上社区。4.2运营方面（1）因类制宜，错位经营。水上绿色综合服务区可按规模或实际情况选择自主经营和合作经营2种模式。自主经营模式以水上服务区为建设主体，自主或成立管理公司负责服务区日常运营，保障基础服务需求，维持水上服务区正常盈利运营；合作经营模式是引人实力雄厚、经验丰富的第三方管理公司，负责水上服务区的日常运营，并借助第三方人才优势和成熟的管理经验等，提高水上服务区的服务质量。（2）成立联盟，合作经营。建议成立长江江苏段水上综合绿色服务联盟，共同制定水上服务区的运营、价格、管理、质量及评价等行业标准，进一步促进水上绿色综合服务区规范、规模发展；联合建设物资转运等设备设施，共用岸基供电、供水，共建共享服务区运营支持保障系统等。4.3管理方面（1）健全制度，培养人才。建议按照“一区一主体”的原则,即一个服务区由一个主体负责统一管理与服务。管理主体可由地方政府出资成立管理服务公司进行运作，也可采取政府购买（提供）服务，由社会化公司负责管理，政府加强监管；服务区运行管理单位应建立健全服务区运营管理制度、安全生产制度、定期巡查制度及人员培训计划，提升水上绿色综合服务区服务水平。（2）完善机制，强化指导。水上服务区属地政府管理部门要加强对水域资源的管理，切实履行服务区建设、运营阶段相关手续的审批职责；及时解决船舶生活污水、生活垃圾纳人市政管网或上岸转运处置等事宜；加强跟踪和动态监督，定期对水上服务区经营主体行为进行评价，促进市场主体守法诚信经营，保障船舶所有者和船民的合法权益，营造良好营商环境。水26http:/