FPSO生活模块总段浮式吊装有限元分析

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（广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250）

摘 要：本文选取一艘fpso的生活模块总段进行浮式吊装有限元分析，建立了包括索具和生活模块的有限元模型模拟吊装过程。参考GL-Noble Denton指南，分别计算了模块吊装前和吊装过程中的结构响应，得出浮吊每个吊钩的实际载荷。通过分析，简要总结了吊装作业的流程以及注意事项。

关键词：FPSO；生活模块；浮式吊装；有限元

中图分类号：U671.4 文献标识码：A

1 引言

为了提高船厂的施工效率和建造质量，大型船舶与海洋工程船舶的生活楼通常采用模块化的建造方法，将所有舾装件和关联设备尽量在总组阶段安装完毕，这将导致总段模块越来越重。船厂往往受到船坞周期和船坞大小以及船厂起吊能力等因素的限制，有时需要在码头对总段进行浮式吊装。由于生活模块作为上层建筑不直接参与船体梁总纵强度校核，故其结构强度相对较弱，若对生活模块总段进行浮式吊装，需要通过仿真软件对吊装方案进行模拟，校核结构强度是否满足规范要求。

2 计算实例

以某FPSO生活模块总段为研究对象，对其设计吊装方案采用MSC.Patran/Nastran软件建立有限元模型，根据GL Noble Denton的吊装流程操作指南相关要求，对其进行吊装分析。

2.1 FPSO生活区模块总段

该FPSO生活模块总段共4层，长15.3 m、宽37.8 m、高14 m。整个生活区结构均采用普通船用钢建造，整个模块总段重量为593.15 t，包括结构、铁舾、轮机、管系、电气、内装等各分项重量。

2.2 吊装方案设计

采用3 200 t浮吊对该生活模块总段进行吊装，吊架分为左右两个吊臂，每个吊臂上有两个主钩，当吊臂角度大于65o时，起吊重量达到最大值3 200 t。综合考虑吊机起吊能力和起吊范围，选择吊臂角度为60o进行吊装作业。此时，最大起吊重量为2 560 t，舷外最大范围为48.3 m，前后主钩之间距离为5.9 m。浮吊吊装方案见图1。

连接主钩的4根钢丝绳通过吊架转换成12根钢丝绳连接模块总段，使模块总段起吊点附近仅受到垂向起吊力。相应的在模块总段共布置了2组吊点，每组6个吊耳，一共12个吊耳。吊耳布置于距模块总段中线18 900 mm的左右两侧的围壁处，此处侧壁板厚度增加到18 mm，吊耳由30 mm的主板和侧壁相连，并在两侧布置颊板。吊架和吊耳采用AH36高强度钢建造，其布置方案见图2。

2.3 有限元模型

建立生活区模块总段的结构有限元模型，模型坐标系和船体坐标系相同，即采用右手法则：x轴为沿船长方向，指向船首为正；y轴为沿船宽方向，从右舷指向左舷为正；z轴以向上为正。模型原点位于A deck的中线与生活模块后端壁FR34 + 600的交点。

其中：甲板、舱壁、纵桁及强横梁的腹板采用板单元；桁材面板、甲板纵骨、舱壁扶强材及吊架等采用梁卧；钢丝绳采用杆单元；总体网格尺寸为 400 x 400 mm，即每一纵骨间距 2 个单元，吊耳附近区域细化网格尺寸约为30x30 mm。

位于各层甲板的大型设备采取在一定区域范围施加质量点的方式模拟，对每一层甲板除结构和大型设备以外的剩余重量，分别调整各层甲板及下加强结构的材料密度，使得整个生活模块模型的质量分布情况尽可能接近于真实的质量分布情况，最终生活模块总段模型重心如下：

X = 7.439 m

Y = 0.144 m

Z = 11 m

吊装模型示意图，见图3。

2.4 边界条件及载荷工况

通过杆单元模拟绳索具，一方面可以计算钢丝绳的拉力，避免钢丝绳出现过载；另一方面通过计算绳索端部的支反力，可以确保浮吊的单个钩头不超过额定载荷。

根据GL Noble Denton指南的要求，吊装计算需要考虑动态放大系数、不匹配荷载系数、倾斜系数、摇摆系数、重量风险系数和重心偏移系数，具体载荷系数见表1[4]。

从表1可以看出，生活区模块结构可分为3类：吊耳结构、吊点支撑结构和其他结构。这3类结构分别对应不同的载荷系数，其中吊耳结构的载荷系数最大，吊耳支撑结构的载荷系数次之，其它结构的载荷系数较小。

根据船厂的工艺要求，各层甲板的吊装变形不得超过6 mm，此吊装变形为吊装过程和吊装前各层甲板变形的相对差值。通常，设计4种计算工况：工况1仅考虑重力加速度作用时生活模块各层甲板的变形值；工况2～4分别用于计算校核相应的3类结构，惯性力取重力加速度g乘以不同的载荷系数。具体载荷工况，如表2所列。

计算工况1时，边界条件为模块底端位移约束；计算工况2～4时，对于钢丝绳索末端的4个吊点，约束x、y、z三个方向的线位移；另外在模型底端对角处选取2个节点作为增加整体模型的约束，一个节点约束x、y向的线位移，另一个节点仅约束y向的线位移，这样做的目的是为了防止计算中出现约束不足等情况。计算结果表明，两个约束节点的支反力非常小，不会影响整体吊装结果的准确性。

2.5 许用衡准

根据GL Noble Denton指南对许用应力的要求，采用工作应力法进行吊装计算设计[5]，极限状态系数取为0.75。普通钢（Q235）的许用应力为176 MPa，高强钢（AH36）的许用应力为266 MPa。

2.6 计算应力及变形汇总

不同工况下各评估区域的最大应力和变形结果，见表3和表4；吊架强度，选取应力最大的梁单元根据AISC标准校核，校核结果见表5；作为索具选取的参考依据，吊钩端部4个节点的支反力，见表6；吊梁在LC2工况下的最大相对变形值为28.7 mm。

具体吊梁的应力和变形云图，如图4和图5所示；吊耳区域结构的最大应力，如图6所示；吊耳支撑结构的最大应力，如图7所示；吊装时各层甲板的应力和变形的最大值，如图8、图9所示。

3 结论

本文利用MSC Patran/Nastran软件建立FPSO生活模块浮式吊装有限元模型，对浮式吊装过程进行模拟，求出吊装时生活模块结构应力和变形，并得出以下结论：

（1）软件可以较好地模拟生活模块各构件在吊装过程中的响应，通过对浮式起重船吊装过程进行有限元模拟，可以及时发现吊装过程中存在的安全隐患，使整个吊装作业流程可控，提高了吊装的安全性。计算结果表明，吊梁、吊耳、吊耳支撑舱壁和模块其它结构；均满足GL Noble Denton指南对许用应力的要求，吊装变形满足船厂的工艺要求，吊装布置方案合理；

（2）吊装时高应力区域主要集中在吊点及吊点附近区域的支撑结构上，在设计时应该特别注意该区域和周边结构的应力和变形；位于顶层甲板侧壁附近的门窗开口同样存在应力集中的现象，因此在吊装前侧壁有较大开口时，应通过安装角钢撑材等方式予以加强，防止吊装过程中出现应力和变形过大；

（3）在吊装计算前应对各专业的重量重心数据进行核查，确保计算模拟结果同实际作业工况相吻合；生活楼的重量控制对起吊系数的选取、吊梁及各层甲板的应力及变形结果均有较大影响；

（4）在吊装作业前应了解作业区域的天气情况，尽量选择海况较好的环境下进行吊装，确保起重船的运动幅值稳定，保障吊装的平稳性。

由于受篇幅限制，本文未将索具、起重船选型等内容列出。此外，在大型结构物浮式吊装计算中，往往需要针对起吊设备和被起吊物体的特征设计独立的吊架，吊架的结构形式将直接影响到吊装计算的结果，如何设计出质量轻、起吊能力大、载荷分配均匀的吊架，是浮式吊装计算需要考虑的重点。

参考文献

[1] 周庆，李风波 等.钻井船生活区模块整体吊装分析[J].船海工程， 2016（1）.

[2] 深水半潜式钻井平台生活楼整体吊装方案[J].中国造船， 2009.

[3] 曾骥，陈刚 等.30万吨FPSO单点系泊系统整体吊装技术研究[J]. 船舶工程， 2009，31（6）.

[4] GL Noble Denton. Guidelines for marine lifting & lowering operation[S].0027 /ND Rev10，22 June 2013.

[5] API 2A-WSD-2000， Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms -Working Stress Design [S].