结构设计报告

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1.0概述

1.1设计寿命

JUBILEE FPSO 将用于西非海岸。该设施在不进干坞，持续工作的情况下的设计寿命为20年。

1.2模块的介绍

主肋骨由板梁、轧制型钢梁和管状柱组成。在垂直平面内提供管状对角支撑。所有的焊接处均为焊接制作。

1.3分析的目的和范围

此计算记录中描述的分析的目的是检查上部模块主体结构在原位（运行、极端和船体破损）、装船、起吊和移航设计情况下抵制在FPSO 的设计寿命内可能产生的荷载的能力。分析依据“E-House 设计基础”MEG123-SIE-JUB-EH-ST-3001（最新版）做出。

1.4单位系统

此报告在整体上采用的是米制国际单位系统，在该系统中，力的单位为kN ，长度单位为米。

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2.0结论

E-House 主体结构的设计和构件尺寸设计符合API WSD/AISC强度规则检查要求。所有产生的相互作用比例少于1.0。

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3.0设计的前提

3.1参考规章

此说明书中参考了部分资料，参考资料为以下规章和标准的最新版本。美国船级社

·“钢船建造和分级规范”

·“近海装置上设施的建造和分级指南”·“浮式采油设施的建造和分级指南”美国钢结构协会（AISC ）

·“钢结构手册，允许应力设计”第九版

·“结构钢建筑规范——允许应力设计和塑性设计”美国石油协会（API ）·API RP 2A-WSD ，“固定近海平台的规划、设计和建造的推荐做法——工作应力设计”，第21版，2000年9月

·API Spec 2B ，“结构钢管的制作说明”，第5版，1996。美国土木工程协会（ASCE ）·ASCE 7-98，“建筑和其他结构的最小设计负载”，1998。美国焊接协会（AWS ）

·AWS D1.1“结构焊接规章——钢”，2004·美国职业安全和健康管理局（OSHA ）3.2参考图

参见船舶布置图。

3.3材料

模块结构由钢制成，并拥有以下性质：杨氏模数（E ）205000N/mm2剪切模数（G ）80000N/mm2泊松比，横向变形系数（U ）0.3密度（P ）7850kg/m3分析中采用的最低屈服应力Fy 如下：构件类型

主要梁（H608x228，H409x178和H350x350）法兰插入板，板眼等

材料

ASTM 572GR 50或等同品ABS EH36Z 或等同品

屈服应力（MPa ）[***********]

轧制管状件（660x25），板梁（PG608x250）ABS EH36或等同品无缝管状件（406x16，356x16，273x12）API 5L Gr. X52或等同品次要构件甲板板

ASTM A36或等同品ASTM A36或等同品

3.4设计荷载

3.4.1概述

本章节对在施工和使用中的建筑结构的设计中需进行考虑的负载进行了解释。

在安装的FPSO 的运行活动中产生的负载主要分为两种，如下：-因为设施的存在和使用而产生的功能荷载

-因波浪、水流和风对FPSO 的影响而产生的环境荷载

对结构产生的这些荷载为被支承的设备，工艺（加工）设备等的功能负载，包括静荷载（含结构、设备和散装材料的自重）、操作荷载和移动荷载。3.4.2结构静荷载

结构静荷载的定义是全部主要、第二级和第三级的结构组件，包括但不限于结构柱、支架、甲板铺板、格子板、甲板梁、扶手、阶梯、走道和休息平台。

载荷情况D01：由SACS 程序自动生成的模拟结构。模拟的静载荷为2468kN ，需为此类载荷考虑15%的特殊情况因素。

载荷情况D02：作为接头和梁荷载夹在结构之上的非模拟结构组件。重量为508kN ，需为此类载荷考虑20%的特殊情况因素。

图

3.4.3建筑荷载

载荷情况A01：建筑荷载的定义是隔热或隔音等的材料、墙板、假平顶和活动地板等的自重。重量为250kN ，需为此类载荷考虑20%的特殊情况因素。

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图

3.4.4活荷载

载荷情况L01：在使用分析中有以下开阔场地的活荷载起作用。肋板9020N/m2(920Kg/m2) 顶部4805N/m2(490Kg/m2) 走道、阶梯4510N/m2(460Kg/m2)

重量为4006kN 。底板和次梁需设计为100%的动荷载。主梁、支撑和立柱需以动荷载的0.75系数进行设计。

图

3.4.5管路、电气和HVAC 管道散装载荷

载荷情况E01：总荷载需通过重量控制报告获得，并均匀地分布至顶部和肋板平面。需将1.2kN/m2的全部面积荷载，而不是重量控制报告中更为精确的数据，应用于肋板平面和顶部平面用来说明管路、电缆、HVAC 管道和电缆桥架产生的荷载。

重量为1102kN ，需为此类载荷考虑20%的特殊情况因素。

图

3.4.6设备荷载

载荷情况E02：根据设备布置图，作用于建筑商实际位置的使用中设备荷载为所有机械、电气和仪表的静荷载。

重量为1102kN ，需为此类载荷考虑20%的特殊情况因素。

图

3.4.7风力荷载

需根据API RP 2A-WSD 计算风力荷载并与建筑纵向和横向加速度同一直线进行应用。需使用1.50的形状因素。

需使用平均海平面以上10米的全方位风速并与建筑纵向和横向加速度同一直线进行应用。

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逆程周期

全方位风速1分钟持续风

100年12.9

10年11.6

在平均海平面以上10米，移航过程中平均一个小时的最高风速为28.7m/s。平均海平面以上10米的1分钟持续风为大约35.2米/秒。

其他风压与一年的比率计算所得结果如下表所示：

100年场地

其他风压与一年的比率

1.24

拖曳9.21

10年场地1.00

风力计算

EL （+）10m 的1分钟持续风速为：11.6m/s，EL （+）40.9m 的1分钟持续风速为：13.8m/s。

单位力为：0.0473X （13.8X3.6）2X1.5=175N/m2=0.175kN/m2（0°&180°）时考虑的风速为：0.175X （21X10）=36.8kN（90°&270°）时考虑的风速为：0.175X （28X10）=49.0kN3.4.8FPSO 运动引起的加速度

需将FPSO 运动引起的E-House 的纵向、横向和垂直方向上的加速度提供给客户。设计准则归纳如下：

（A ）FPSO 船体完整状况

i ) 正常操作情况

10年暴风与分别的一分钟持续风速产生的FPSO 运动力如下：移动加速度0.053g 纵摇

0.232g 横摇0.131g 升沉

纵摇情况和横摇情况是同时发生的，因此需在相同的荷载组合情况下考虑以上两种情况。

ii ）极端操作情况

100年暴风与分别的一分钟持续风速产生的FPSO 运动力如下：移动加速度0.053g 纵摇

0.232g 横摇0.131g 升沉

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纵摇情况和横摇情况是同时发生的，因此需在相同的荷载组合情况下考虑以上两种情

况。允许应力值可以允许增加三分之一。

（B ）FPSO 船体破损情况

在船体破损的情况下，10年暴风与分别的一分钟持续风速产生的FPSO 运动力

如下：

倾斜参数22.5度横倾

10.0度纵倾（C ）移航情况

在移航与分别的一分钟持续风速情况下产生的FPSO 运动力如下：移航加速度0.122g 纵摇

0.256g 横摇0.158g 升沉

纵摇情况和横摇情况是同时发生的，因此需在相同的荷载组合情况下考虑以上两种情况。允许应力值可以允许增加三分之一。

3.4.9船的拱垂变形

移航分析和原位分析都需包括船体的弯曲力矩。相应装载排水量如下：

总中拱（Z-mm ）

FR-67

100年场地移航

0.00.0FR-67

100年场地移航

0.00.0

FR-6817.1526.02FR-68-16.30-26.04

FR-6933.2750.49FR-69-31.63-50.52

FR-7048.3773.40FR-70-45.99-73.44

FR-7163.3396.11FR-71-60.22-96.17

FR-7277.14117.05FR-72-73.34-117.12

总中垂（Z-mm ）

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4.0原位分析

4.1运行情况

模块运行的原位分析包括两种情况：生产符合要求的正常运行情况，使用高横摇时期和增加允许值的生产不符合要求的极端运行情况。两种运行情况包括根据暴风情况的风力荷载，以及因运动产生的合适加速度。

4.2破损情况

在运行期间对损坏的船体进行额外的在场情况分析。产生的船体状况是因为22.5度横倾或10度纵倾导致的静态倾斜。

4.3移航情况

移航情况包括结构重量，管子的干重，依据移航情况的风力荷载，以及因运动产生的合适加速度。

由于将情况作为极端情况进行考虑，因此允许在分析中使用应力修正值。4.4疲劳情况

模块不需要进行疲劳分析，但是上部模块/船体接口需要进行疲劳分析。Jubilee E-House 设计寿命为20年。

疲劳情况依据运行产生的100年加速度。不包括重力荷载、blanket area （地毯区？）荷载、风力荷载。

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5.0安装分析

5.1起吊条件

对于起吊情况，根据设备布置并考虑起吊后吊运架将使用的管路、散货等选择吊点（铁圈垫板孔眼）的位置。

根据API RP 2A 进行起吊分析以确定对设备造成的应力。在分析中只包括了起吊时存在的荷载。需移除原位模型的支撑点。在分析中需应用侧向弹簧支撑以确保分析的稳定性。

下表给出了起吊分析中需包括的各种因素。

载荷因素

冲击负载因素：·DAF

·偏心荷载因素·重心转移因素·后果因素

·起吊点，包括吊运架

·直接支撑或与起吊点相连的构件·不支撑或不与起吊点相连的构件

混合因素

·起吊点，包括吊运架1.15＊1.25＊1.10＊1.35=

·直接支撑或与起吊点相连的构件1.15＊1.25＊1.10＊1.15=·不支撑或不与起吊点相连的构件1.15＊1.25＊1.10＊1.00=

1.151.251.101.351.151.002.131.821.58

N oble D enton 准则

在混合荷载中，需为甲板固定荷载考虑1.15的偶然性因素，需为次级钢重，设备干重和散装重量考虑1.2的偶然性因素。

总起吊重量为677t 以及偶然性因素。5.2装船情况

装船过程由两套拖车执行，拖车将E-house 模块从制造场地运往运输驳船。在装船过程中，E-house 模块的支撑腿将安置于横梁上，横梁将在拖车架（trailer bed ）上得到支承。

根据API RP 2A 进行起吊分析以确定对设备造成的应力。在分析中只包括了起吊时存在的荷载。垂直支撑点位于拖车架（trailer bed ）上。需移除原位模型的支撑点。在分析中需应用侧向弹簧支撑以确保分析的稳定性。

下表给出了起吊分析中需包括的各种因素。

载荷因素

冲击负载因素：·DAF

·偏心荷载因素·重心转移因素·后果因素混合因素

1.151.251.101.151.82

N oble D enton 准则

在混合荷载中，需为甲板固定荷载考虑1.15的偶然性因素，需为次级钢重，设备干重和散装重量考虑1.2的偶然性因素。

总起吊重量为668t 以及偶然性因素。

6.0基本载荷和载荷组合

6.1基本载荷详情

分析中使用的载荷编号如表6.1所示：

载荷编号D01D02A01E01E02L01W000W090W180W270SAG1HOG1SAG2HOG2FXXX

模拟构件的计算机生成负载次级和第三级钢重建筑重量

散装重量（电缆、电缆架、管路、HVAC 导管）设备荷载活动荷载0方向的风力荷载090方向的风力荷载180方向的风力荷载270方向的风力荷载

在100年场地条件下的中垂导致支墩变形的装载排水量在100年场地条件下的中拱导致船体甲板变形的装载排水量在移航条件的中垂导致支墩变形的装载排水量在移航条件的中垂导致船体甲板变形的装载排水量模块支墩连接处的摩擦力

说明

＊注：在E-House 模块分析时考虑两种情况：1）摩擦系数0；2）摩擦系数0.3；其中，在第二种情况中，摩擦系数通过第一种情况的垂直荷载乘以0.3所得。

对于横向浪，摩擦力施加于横摇方向。对于船头浪，摩擦力施加于纵摇方向。对于艉侧浪，0.707倍的摩擦力施加于横摇方向，0.707倍的摩擦力施加于纵摇方向。摩擦力的方向与惯性力方向相反。

7.0分析方法

原位、移航、疲劳和起吊分析是一项对模块主结构构架的三维空间构架计算机模型的经典静态线性分析。

由于船舶的移动和加速，因FPSO 移动而对模块质量产生的惯性力是通过在三个平移方向上施加于模块的一批包括全部的最大加速度进行定义。

在拖曳情况下考虑了基本载荷的的数种情况，以便确定每个构件的最严重状况并据此确定尺寸。

7.1软件

模块的分析用软件SACS 5.2执行完成。

7.2数值模拟的原则

模块结构的计算机模型包括了所有的主要纵梁和横梁，支腿和对角撑。

次要结构（如用来支撑管线的构件、电缆架和设备支承）不包含于计算机模型内，因为它们被看作为非模型荷载。

普遍认为甲板铺板能确保相关肋板的水平稳性，因此使用板元进行建模。垂直撑板和主梁上的构件离心率通过构件型值进行考虑。7.3支承边界条件

原位和移航情况

E-House 在18个地方受到支撑。其中3个支撑处在原位和移航的情况下全方位受到限制。其中5个支撑处在摇摆方向和垂直方向上受到限制。其他支撑处仅在垂直方向上受到限制。如下图7.3-1所示。

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图7.3-1：原位和移航的边界条件

图

“0”表示释放。“1”表示固定。

装船条件

装船过程由两套拖车执行，拖车将E-house 模块从制造场地运往运输驳船。在卸载时，Row B&C和Row C&D之间的横梁将安置于拖车台上（trailer bed ）。如下图7.3-2所示。

图7.3-2装船的边界条件

图

“0”表示释放。

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“1”表示固定。

7.4疲劳过程

E-house 模块和支墩之间的接口需要进行疲劳分析。需对支墩的焊接件进行检查。无需对滑动连接件进行疲劳分析。设计寿命为20年，采用以下程序。

1．疲劳分析中使用和操作情况和0.0的摩擦相同的边界条件。

2．根据100年极端情况，运行（run ）包括了横摇、纵摇、升沉和波浪引起的中拱/中垂的所有可能组合情况的32种载荷情况。

表格表格

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表格表格

3．由于模块和船体之间的E-House 模块的接头接口需要进行疲劳检查，根据Item 2中所列的荷载组合，通过SACS 在接头接口处确定最大反作用力和最小反作用力。

4．根据Item 3中所列的反作用力，在三个焊接连接处得到最大反作用力范围（Fx ，Fy ，Fz ，Mx ，My ，Mz ）。

5．根据Item 4中所列的反作用力和结构详情得到三个焊接件处最大的应力范围。6．确定设计疲劳因素（DFF ）。3.0的疲劳因素适用于焊接件。允许的疲劳设计寿命为63年（20*3=60，另外的三年替代移航情况）。

7．确定Weibull 形状参数。

根据油船的ABS 规范计算。

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长期应力分布参数，γ（2002）

在5-1-A1/表1中，允许应力范围以长期分布参数的函数的形式（γ）给出，γ的定义如下：

γ

γ===

=1.40-0.2αL 0.21.40-0.16αL 0.21.54-0.245α0.8L 0.21.54-0.19α0.8L 0.2用于用于用于用于150＜L＜305m492＜L＜1000ftL＞305mL＞1000ft

1.54-0.245*1^0.8*315^0.2=0.77

在疲劳分析中采用0.90的参数。

8．板厚的效应调整

对于厚度超过22mm 的构件，厚度调节应用于S-N 曲线。厚度指数k=0.25。

9．周期荷载的平均周期

采用平均周期6s 而不是详细的波浪数据。

10．从文件“近海结构的疲劳评定”——ABS 确定疲劳详细分类。

11．计算允许应力范围。

如果厚度超过22mm ，则进行厚度调整。

在报告中，仅仅提供了反作用力。三个焊接接头的详细疲劳计算在杂项设计报告中给出。