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圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段吊裝運輸設(shè)計

2020-07-13 07:08
海洋工程裝備與技術(shù) 2020年2期
關(guān)鍵詞:吊點圓筒基準(zhǔn)

袁 磊

(海洋石油工程股份有限公司運營中心,天津 300461)

0 引 言

圓筒型浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(floating production storage and offloading, FPSO),由于它是圓筒型結(jié)構(gòu),在水平面上水動力完全對稱,對于風(fēng)浪流的方向不敏感,不像船型FPSO抵御艏向載荷能力遠大于橫向,因此不需要根據(jù)來流方向調(diào)整平臺的艏向,因此沒有必要裝備單點系泊系統(tǒng),這種類型的FPSO采用多點系泊系統(tǒng),降低了FPSO的設(shè)計、建造和維護成本。圓筒型FPSO設(shè)計圖和實物圖如圖1和圖2所示。

圖1 圓筒型FPSO設(shè)計圖Fig.1 Design drawing of cylindrical FPSO

圖2 圓筒型FPSO實物圖Fig.2 Physical drawing of cylindrical FPSO

在相同的儲油量條件下,圓筒型FPSO具有更強的抗傾覆能力和工作甲板承載能力。圓筒型的緊湊型結(jié)構(gòu)也為減少FPSO各種管纜的長度提供了條件。圓筒型FPSO儲油卸油引起的排水量變化對其吃水影響不敏感。由于圓筒型FPSO自身的結(jié)構(gòu)特點,在船體建造過程中,需要根據(jù)船型、場地設(shè)備、施工效率等因素綜合考慮分段的吊裝和運輸。圓筒型FPSO首層中間最大的基準(zhǔn)定位分段的吊裝和運輸往往是整個項目運行過程中最重大的作業(yè)之一,高效安全地吊裝運輸該分段將為整個項目的運行提供保障。

圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段為多邊形結(jié)構(gòu),一般需要三個鉤頭抬吊,分段重量大,造成其和船型FPSO基準(zhǔn)定位分段的吊裝運輸不同。在工程項目中,圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段運輸時需要使用自行式模塊運輸車(self-propelled modular transporter, SPMT)進行運輸,采用在分段下固定運輸墊墩的方式進行支撐,不能使用船廠傳統(tǒng)的運輸框架運輸;在圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段吊裝時,由于其重量尺寸大,吊機的利用率往往較高,相應(yīng)的風(fēng)險也增大了。在運輸?shù)跹b設(shè)計時,需要考慮的因素也會隨之增多;同時,吊點所在的位置往往是比較薄的艙壁板,在吊點設(shè)計時不僅需要考慮吊點本身的強度,還需要考慮和吊點直接相連的艙壁板的強度。

本文基于公司在建的圓筒型FPSO項目,其船體最大直徑為87.5 m,主船體直徑為70 m,船體最大高度約為60 m,主甲板高度為32 m,工藝甲板高度為38 m,干重約為32 000 t,排水量約為60 000 t。在一般情況下,當(dāng)船體尺寸越大,尤其是主船體直徑越大,圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段的運輸和吊裝難度會隨之增加。圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段吊裝運輸設(shè)計的主要參考設(shè)計規(guī)范為DNV GL-ST-N001《海洋作業(yè)和海事保險》(MarineOperationsandMarineWarranty),采用靜力學(xué)方法進行分析。

1 基準(zhǔn)定位分段劃分

當(dāng)圓筒型FPSO劃分分段時,首先在船體高度方向上,將船體劃分為數(shù)層,然后每一層會根據(jù)場地能力沿著圓柱形船體徑向劃分。通常會將中間分段劃分為一個多邊形的形式,結(jié)構(gòu)重量和尺寸都比較大,被用來作為基準(zhǔn)定位分段,為以后所有分段的搭載奠定基礎(chǔ)。圓筒型FPSO分段劃分主要取決于結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)保證分段艙壁盡可能完整,并盡可能地沿著艙壁劃分。艙壁應(yīng)平行或者是垂直于分段,分段重量應(yīng)盡量均勻,分段總重不能超過吊機能力,尺寸最大不能超過車間尺寸,并考慮對后期吊裝的影響?;鶞?zhǔn)定位分段所在位置三維圖和立面圖如圖3和圖4所示。

圖3 基準(zhǔn)定位分段所在位置三維圖Fig.3 3D diagram of the position of the reference positioning section

圖4 基準(zhǔn)定位分段所在位置立面圖Fig.4 Elevation of the location of the datum positioning section

船體建造一般都將基準(zhǔn)定位分段做得比較大,基準(zhǔn)分段不翻身,不對正,不調(diào)整,其余分段都需要根據(jù)基準(zhǔn)分段進行調(diào)整。圓筒型FPSO第一層中間一般由數(shù)個完整的方形氣密艙構(gòu)成,用來做基準(zhǔn)定位分段可以保證艙體的完整性?;鶞?zhǔn)定位分段的位置正好處在一個水密艙壁的旁邊,水密艙壁正好位于分段的端部。如果把基準(zhǔn)定位分段再分得小一些的話,會破壞艙體的完整性,并且會造成狹小空間焊接的工作量和工作難度的增加。圓筒形的船體船艙是按照發(fā)散的結(jié)構(gòu)形式分布的,定位分段做得太小的話,和其余分段的接觸面積變小,不利于搭載。同時,其余分段扇形會太尖,這樣將會造成分段一頭重,一頭輕,不利于吊裝。因此,在圖3和圖4中將基準(zhǔn)定位分段按照圖中編號101分段的形式、尺寸進行劃分更合理,更加利于施工。

2 基準(zhǔn)定位分段重量計算

結(jié)構(gòu)重量一般根據(jù)詳設(shè)最新版圖紙建模,由模型得到重量和重心。有時也會將每一個桿件的重量和重心列成清單,通過清單計算分段重量和重心,這兩種方式都可以采用,結(jié)果相差不大,因為計算重量和重心的基本原理都是相同的。

在項目前期,很多因素并不能完全確定,需要簡單估算分段重量,從而更好地對分段進行劃分。在估算分段重量時,采用的簡單估算方法如下:分段總重等于單個艙壁的重量乘以艙壁數(shù)量,單個艙壁的重量等于單位面積的艙壁重量乘以艙壁面積,單位面積的艙壁重量等于艙壁板重量加型材重量,艙壁板重量計算時取板厚出現(xiàn)得多的那個。

在詳細的吊裝運輸方案中計算分段重量時,不僅僅包括主結(jié)構(gòu)重量,還包括配管專業(yè)重量、電儀專業(yè)重量、防腐專業(yè)重量、舾裝通風(fēng)專業(yè)重量、腳手架重量、臨時吊點重量、臨時加強重量等。在實際工程中,需要給分段重量乘以重量不確定系數(shù),保證現(xiàn)場吊裝重量不會超過理論計算重量。關(guān)于重量不確定系數(shù),一般取1.05就可以滿足船體分段吊裝運輸需求。

3 建造場地要求

場地地基承載能力應(yīng)滿足吊機及運輸車輛在滿負(fù)荷狀態(tài)下的承載要求;吊機及運輸車輛行車路徑應(yīng)在作業(yè)前清理干凈,保證地面平整,滿足吊機及運輸要求。在進行吊裝運輸作業(yè)之前,應(yīng)清理吊機及運輸車輛行車路徑、吊機作業(yè)旋轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)的任何障礙物;行車通道不能橫跨電纜溝及其他危險區(qū)域;在吊裝時,任何靠近吊裝作業(yè)區(qū)的施工人員必須遠離至安全區(qū)域。所用的吊索具要有相關(guān)的證書,在吊裝作業(yè)前,施工人員及安全人員要檢查吊索具等工具是否完好沒有損壞,所有吊索具必須有檢驗合格證,并且在起吊前檢查索具是否與方案一致,連接是否正確。所有吊點的坡口焊應(yīng)進行超聲波探傷檢驗,填角焊部位應(yīng)進行磁粉探傷檢驗;對于吊點、臨時加強的割除,不可用錘擊或碳弧氣刨方法去除,應(yīng)使用氣割方法在距母材上方5 mm處割除,然后用機械方法打磨,直至與母材光滑平齊,割除后甲板片的此處需做裂紋檢驗;吊裝現(xiàn)場的天氣狀況需符合作業(yè)要求。利用專門搭設(shè)的腳手架或已有的工作平臺安裝和拆卸吊索具。

4 分段吊裝運輸步驟

分段在胎架上預(yù)制完成后,按照以下步驟完成運輸和吊裝作業(yè):①由于分段在胎架上預(yù)制,分段預(yù)制完成后需將分段吊裝到臨時支撐上,并將其和分段下表面進行固定,保證分段運輸過程中不需要再次擺放臨時支撐;②將模塊運輸車行駛至分段下方指定位置,將分段抬高運輸至噴漆車間;③待涂裝作業(yè)結(jié)束后,模塊車駛?cè)敕侄蜗路胶笃鹕?,將分段運輸至搭載位置;④按照吊索具布置圖安裝索具;⑤吊裝前應(yīng)檢查索具,至少保證分段上有兩條牽引繩,并確保沒有其他松動的構(gòu)件;⑥開會說明注意事項,設(shè)置路障并阻止所有無關(guān)人員進入吊裝區(qū)域;⑦將分段慢慢吊離地面,離開地面300 mm左右時應(yīng)停頓1 min左右的時間,對吊索具及吊機等的狀態(tài)進行觀察。如果發(fā)現(xiàn)分段不平,需將分段放至地面上,重新調(diào)整索具以獲得準(zhǔn)確的重心位置。如若未發(fā)現(xiàn)問題,繼續(xù)起吊分段。在此期間,不需要拆卸鋼絲繩;⑧將分段放在指定的總裝位置上,然后通過導(dǎo)鏈或者三維定位小車完成分段的最終精確就位;⑨在釋放鋼絲繩之前,監(jiān)督應(yīng)檢查并確認(rèn)分段的位置是否正確;⑩在分段固定后移走索具,撤離吊機。

5 分段運輸設(shè)計

船體分段一般使用運輸框架配合平板車的方式進行運輸,而基準(zhǔn)定位分段尺寸和重量大,運輸框架和普通平板車的承載能力無法滿足,因此,選擇在分段下方懸掛運輸墊墩和SPMT模塊車配合的方式進行分段運輸。

5.1 運輸墊墩分布

為了保證分段在只有運輸墊墩支撐的工況下,強度滿足要求,通常將運輸墊墩位置選擇在部分肋位及肋位相交的節(jié)點位置下方。通過對分段整體使用有限元軟件進行建模計算,選擇合理的運輸墊墩數(shù)量和校核分段的運輸強度,圖5為運輸墊墩分布有限元模型圖,在方案設(shè)計時可根據(jù)實際情況,在相應(yīng)的懸掛墊墩位置設(shè)置兩個運輸墊墩,以保證墊墩能力和場地承載能力滿足要求。從圖6中可以看出,水平力對于運輸墊墩的影響非常小,甚至可以忽略不計,因此在將運輸墊墩懸掛在分段下方時,一般只考慮豎直方向載荷的影響即可。同時應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果,在將運輸墊墩懸掛于分段下表面時,盡可能地采用點焊和不連續(xù)焊接的方式,這樣不僅可以減少后續(xù)的切割打磨和補漆的工作量,而且對于基準(zhǔn)定位分段的雙層底而言,因切割打磨造成的損傷也會盡可能地減小。

圖5 運輸墊墩分布有限元模型圖Fig.5 Finite element model diagram of distribution of transport pier

圖6 運輸墊墩對應(yīng)位置運輸反力Fig.6 Transport reaction at the corresponding position of transport pier

5.2 SPMT運輸設(shè)計

在布置SPMT時,通過分析圓筒型FPSO基準(zhǔn)定位分段的特點,不難看出,在分段中間位置有完整的方形氣密艙,因此,在圖7中將SPMT的車板中心線和方形氣密艙的艙壁對齊布置,不僅可以保證分段的主要受力位置位于豎直方向的艙壁上,對分段的運輸強度有極大的益處,而且在實際運輸時車板定位更加容易,操控更加方便。但在實際作業(yè)中,有時候會遇到分段重心和幾何中心的偏移距離較大,這就可能會造成如果將SPMT布置在方形氣密艙的下方時,則各個分組的壓力差會超出限定值,可采用長短車配合、改變各個分組的軸線數(shù)或移動車板位置等方式對SPMT的車板位置進行相應(yīng)的調(diào)整和修改。選擇SPMT的液壓分組時,應(yīng)根據(jù)有限元計算結(jié)果結(jié)合分段尺寸重量等因素綜合考慮,由于基準(zhǔn)定位分段尺寸大、形狀分布不規(guī)則、重心低、剛度相對較弱,因此在實際運輸時,建議采用4點支撐的方式進行運輸,可以有效預(yù)防分段外懸部分因變形過大而造成運輸墊墩距地面距離過近而影響分段運輸?shù)膯栴}。

圖7 分段運輸SPMT布置圖Fig.7 Vehicle arrangement of segmented transport SPMT module

圖8 運輸強度計算約束方式Fig.8 Constraint mode of transportation intensity calculation

在實際運輸時,采取必要的措施對分段下表面的油漆進行保護,防止在運輸過程中,車板與分段直接接觸而對油漆造成損傷,通常采用在車板上表面放置墊木,并在墊木上放置膠皮的方式對油漆進行保護;由于分段運輸不同于框架結(jié)構(gòu),車板只與框架結(jié)構(gòu)的H形運輸橫梁接觸,因此,在擺放墊木時,應(yīng)將墊木和分段的肋位位置對齊,防止運輸時對分段造成結(jié)構(gòu)損傷。除此之外,應(yīng)提前規(guī)劃好分段行駛路線,保證足夠的分段運輸空間。

在校核運輸時的分段強度時,在圖8中,在分段下方SPMT位置約束z方向的平動運動,為保證有限元軟件正常運算,需在主結(jié)構(gòu)重心位置或者重心附近位置處找一節(jié)點約束x、y方向的平動。

6 分段吊裝設(shè)計

6.1 吊裝系數(shù)選取

由于吊裝運輸作業(yè)往往伴隨著較大的作業(yè)風(fēng)險。因此,在設(shè)計計算時,選取相應(yīng)的系數(shù),保證作業(yè)安全。整體模型的動態(tài)載荷影響通過動態(tài)放大系數(shù)考慮。在選擇動態(tài)放大系數(shù)時,100 t以上分段一般取1.05[1],100 t及以下分段取1.1[1]。對于圓筒型FPSO的基準(zhǔn)定位分段,共有12個吊點吊裝,在校核分段強度時,還應(yīng)考慮1.25[1]倍傾斜載荷系數(shù)。除此以外,吊裝分段各個組成部分還需考慮結(jié)果系數(shù),和分段直接連接的吊點結(jié)果系數(shù)取1.3[1],和吊點直接連接的部件結(jié)果系數(shù)取1.15[1],其余結(jié)構(gòu)桿件結(jié)果系數(shù)取1.0[1]。

6.2 吊點布置

當(dāng)布置吊點時,應(yīng)根據(jù)所使用吊機的類型、吊鉤形式和吊點類型等進行綜合考慮,在吊裝船體分段時一般會采用龍門吊進行吊裝,龍門吊有三個主鉤,三個主鉤的位置位于一個三角形的三個角點上,每個鉤頭下面布置有吊排,吊排可以將鉤頭力平均分布于吊點上。圖9中圓圈位置為基準(zhǔn)定位分段吊點所在的位置,將吊點布置在矩形的艙壁上,正好能夠和龍門吊的三個主鉤位置對應(yīng)。在實際作業(yè)中布置吊點時,還需要考慮吊排尺寸、龍門吊上小車和下小車之間的距離及上小車兩個鉤頭之間的距離等對吊點位置的影響。上小車和下小車之間的距離直接影響龍門吊的最大起重能力,上小車兩個鉤頭之間的距離也需要滿足使用要求,如果距離過小或者過大都不能按照圖9和圖10的方式布置吊點并進行吊裝作業(yè)。

圖9 吊點布置圖Fig.9 Arrangement of lifting point

圖10 實際吊裝圖Fig.10 Actual hoisting drawing

6.3 吊點焊縫強度校核

根據(jù)6.2節(jié)中的分析,吊點位于矩形氣密艙壁上時是該分段最佳的吊點位置,在安裝分段吊點時,由于船體分段不同于框架結(jié)構(gòu),吊點可以全融透焊接在大梁的上翼緣,因此采用圖11中的填腳焊和圍焊的方式將吊點焊接在艙壁上。在這種情況下,在整個吊裝過程中,吊點本身強度、焊縫強度及與吊點直接焊接的艙壁強度都需要進行校核。吊點強度校核方法已經(jīng)比較成熟,此處不再贅述。與吊點直接焊接的艙壁強度通過有限元計算進行校核,圖12中的計算結(jié)果能夠看出應(yīng)力的大小和應(yīng)力在艙壁上的影響和分布區(qū)域,對于艙壁的強度來說,能夠滿足實際工程的需求。但是,對于焊縫來說,建模時并沒有將焊縫在模型中體現(xiàn),除非單獨建立有限元模型來模擬焊縫,否則計算結(jié)果并不能完全反映出焊縫的強度是否滿足吊裝要求。因此,在實際工程中,通常采用簡化的方法,使用力學(xué)公式計算焊縫強度,不僅極大地提高了設(shè)計效率,并且能夠保證計算結(jié)果準(zhǔn)確。

圖11 吊點焊接圖Fig.11 Welding diagram of lifting point

圖12 吊點和艙壁強度有限元計算結(jié)果圖Fig.12 Finite element calculation results of lifting point and bulkhead strength

通過6.3節(jié)的計算,可以確認(rèn)分段的吊點強度能夠滿足吊裝要求,還需要通過有限元計算校核分段的整體強度和變形是否滿足要求。在圖12中,為分布在400 t吊排下的4個85 t吊點使用有限元軟件計算的強度校核結(jié)果,最大等效應(yīng)力為40.35MPa。在吊裝鋼絲繩的端部約束x、y、z三個方向的平動運動,給分段施加重力荷載。

7 結(jié) 語

由于圓筒型FPSO獨特的結(jié)構(gòu)形式,其基準(zhǔn)定位分段和常規(guī)的船型分段存在較大的差異,在設(shè)計分段的吊裝和運輸作業(yè)時,分段劃分時要根據(jù)設(shè)備能力和場地空間確定分段大小,分段重量計算一定要考慮重量系數(shù),運輸設(shè)計嚴(yán)格按照場地要求和SPMT的特點設(shè)計運輸過程和運輸方法,在設(shè)計吊裝時,除理論計算外,還應(yīng)結(jié)合有限元軟件和力學(xué)知識互相印證,保證計算結(jié)果準(zhǔn)確。基準(zhǔn)定位分段是整個圓筒型FPSO船體建造周期內(nèi)第一個大型吊裝和運輸作業(yè),對項目后續(xù)分段的吊裝合攏有巨大影響,一定要嚴(yán)格按照公司要求和設(shè)計要點進行設(shè)計,確保作業(yè)安全。

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