FPSO上部模塊改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

李彥麗 穆 頃 祖 巍 楊肖龍 安振武

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心 天津 300452）

FPSO上部模塊改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

李彥麗 穆 頃 祖 巍 楊肖龍 安振武

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心 天津 300452）

隨著秦皇島32-6油田及周邊南堡35-2油田的開發(fā)，渤海世紀(jì)號(hào)FPSO上部模塊水系統(tǒng)無(wú)法滿足目前的生產(chǎn)需求，因此進(jìn)行水系統(tǒng)擴(kuò)容改造。本文結(jié)合渤海世紀(jì)號(hào)FPSO工藝模塊水系統(tǒng)擴(kuò)容改造工程實(shí)例，從基座設(shè)計(jì)、與原結(jié)構(gòu)連接、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等方面詳細(xì)說(shuō)明了FPSO上部模塊改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)難點(diǎn)及解決方法，分析了FPSO模塊改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并簡(jiǎn)述了改造中需注意的問題，為FPSO模塊改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

FPSO；上部模塊；改造；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引 言

在海洋石油開發(fā)領(lǐng)域，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（Floating Production Storage and Offloading，簡(jiǎn)稱FPSO）是一種常用的工程設(shè)施，主要由船體、上部模塊、單點(diǎn)系泊組成?！安澈Ｊ兰o(jì)”號(hào)FPSO是為中國(guó)渤海海域“秦皇島32-6”油田專門建造的15萬(wàn)噸級(jí)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置，于2001年10月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)壽命為25年［1］?！安澈Ｊ兰o(jì)”號(hào) FPSO設(shè)5對(duì)貨油艙、2對(duì)污油艙、6個(gè)工藝艙、6對(duì)專用壓載水艙，工藝甲板上設(shè)置電站、熱站、原油處理和水處理等7個(gè)模塊，首部設(shè)軛架式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，尾部甲板設(shè)有尾卸油系統(tǒng)。油田原油通過(guò)船首單點(diǎn)集管輸入，經(jīng)工藝甲板上的處理模塊處理后儲(chǔ)存于貨油艙，再經(jīng)尾卸油裝置輸出至穿梭油輪［2］。

1 模塊改造介紹

“秦皇島32-6”油田已進(jìn)入高含水期，水系統(tǒng)流程達(dá)到飽和狀態(tài)，為增強(qiáng)FPSO流程生產(chǎn)的穩(wěn)定性和安全性需求，作業(yè)公司希望在現(xiàn)有流程基礎(chǔ)上，新增設(shè)計(jì)處理能力14 400 m3/d的污水處理設(shè)備模塊，因此對(duì)原有水系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造。

污水處理流程為：從生產(chǎn)水艙引出的污水在增壓泵出口管線并入新增斜板除油器，處理后的污水進(jìn)入新增加的氣浮選器，然后經(jīng)新增的生產(chǎn)水泵打入核桃殼處理后進(jìn)入注水系統(tǒng)用于回注。按照工藝流程，需新增以下設(shè)備：3臺(tái)雙介質(zhì)核桃殼濾器、1臺(tái)斜板除油器、1臺(tái)加氣浮選器、3臺(tái)增壓泵。

根據(jù)設(shè)備布置情況及工藝處理需求，污水?dāng)U容改造在工藝模塊V實(shí)施，原工藝模塊V的設(shè)備布置情況及在FPSO船體甲板的位置見圖1。

圖1 “渤海世紀(jì)”號(hào)FPSO上部模塊布置

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FPSO模塊改造設(shè)計(jì)基本原則為：結(jié)合已有設(shè)施與空間，盡量少擴(kuò)甲板，將海上安裝、連接和調(diào)試的工作量降至最低?！安澈Ｊ兰o(jì)”號(hào)FPSO模塊V結(jié)構(gòu)有兩種改造方式：

（1）在原模塊甲板上清理空間，布置新增工藝處理設(shè)備；

（2）在原模塊甲板基礎(chǔ)上外擴(kuò)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及新增水處理設(shè)備外形尺寸，模塊V左舷外擴(kuò)甲板安裝新增的3臺(tái)核桃殼濾器，右舷外擴(kuò)甲板安裝新增的氣浮裝置，將中間甲板某設(shè)備切割移走，清空區(qū)域安裝新增的斜板除油器。模塊V改造總布置圖見圖2。

2.1 基座設(shè)計(jì)

2.1.1 基座位置的選擇

模塊的基座一般布置在強(qiáng)橫梁或橫艙壁與縱骨交接的位置上，并在基座所在的船體主甲板下設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。模塊外擴(kuò)甲板的基座設(shè)計(jì)也遵循相同的設(shè)計(jì)原則，對(duì)照船體艙壁及船體甲板結(jié)構(gòu)圖，將基座布置在強(qiáng)橫梁和縱骨相交的位置。

圖2 模塊V改造總布置圖

2.1.2 基座結(jié)構(gòu)形式

基座將上部模塊荷載傳遞至船體甲板，除了承受模塊設(shè)備的重力、慣性力、風(fēng)載作用外，還要考慮船體的變形影響。如果在惡劣海況下，船體縱向彎曲變形較大，基座與上甲板連接的位置會(huì)出現(xiàn)較大的支撐反力，出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，導(dǎo)致在上甲板處產(chǎn)生裂紋［3］?！扒鼗蕧u32-6”油田FPSO所處渤海海域，海況沒有南海惡劣，原模塊支撐結(jié)構(gòu)形式為普通的工字鋼/圓管普通桁架形式，直接焊接于船體甲板上。模塊V改造的基座設(shè)計(jì)也保持與原模塊相同設(shè)計(jì)，采用圓管普通桁架形式，見圖3。

圖3 基座結(jié)構(gòu)

左舷外擴(kuò)甲板由15個(gè)立柱基座支撐，最外側(cè)一排5個(gè)基座位于水艙上方，其他10個(gè)位于船體油艙上方。右舷外擴(kuò)甲板同樣由15個(gè)立柱基座支撐，最外側(cè)一排5個(gè)基座位于水艙上方，其他10個(gè)位于船體油艙上方。油艙附近嚴(yán)禁焊接動(dòng)火作業(yè)，因此油艙上方的20個(gè)基座不焊在船甲板上，另10個(gè)水艙上方的基座則焊接固定。若考慮不焊接基座不承受水平荷載，外擴(kuò)甲板的水平荷載則僅由兩排（10個(gè)）焊接基座傳遞至船體甲板。實(shí)際情況是基座受壓時(shí)，與甲板之間存在靜摩擦，可以承受一定的水平荷載，本文為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，不考慮靜摩擦作用，將其模擬為僅受壓力的滑移基座。圖4是改造投產(chǎn)后的左舷外擴(kuò)甲板模塊。

圖4 左舷外擴(kuò)甲板模塊

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，與甲板不焊接的基座未發(fā)生位移和變形。

2.2 與原模塊連接

船體橫搖使距離中軸線較遠(yuǎn)布置的設(shè)備及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的慣性力［4］。本次改造外擴(kuò)甲板在V模塊左右舷兩側(cè)，距離中軸線都較遠(yuǎn)，因此沿船寬方向慣性力很大，并且四排基座不焊接在甲板上。為防止船體橫搖運(yùn)動(dòng)引起可移動(dòng)基座發(fā)生較大位移并合理傳遞水平荷載，在活動(dòng)基座一側(cè)設(shè)置水平拉筋或斜撐桿件與焊接在船體甲板上的立柱連接，增加水平拉筋或斜撐需考慮不影響船體甲板的安全通道。

模塊V原甲板與外擴(kuò)甲板的連接只有主梁連通到改造甲板，既保證結(jié)構(gòu)剛度又可控制安裝尺寸誤差，詳細(xì)設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 甲板連接示意圖

2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

改造設(shè)計(jì)中V模塊新增設(shè)備質(zhì)量225 t，操作質(zhì)量514 t，并且在原模塊左右舷兩側(cè)外擴(kuò)甲板，改造對(duì)模塊原結(jié)構(gòu)的影響較大，需重新對(duì)模塊進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析。

2.3.1 結(jié)構(gòu)模擬

FPSO上部模塊結(jié)構(gòu)應(yīng)用海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SACS進(jìn)行有限元分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖6。模塊承受荷載包括結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備重力、風(fēng)載、船體運(yùn)動(dòng)引起的慣性力，并考慮船體變形的影響。

圖6 模塊V改造結(jié)構(gòu)模型

改造中，有20個(gè)新增基座是不焊接固定于船體主甲板的活動(dòng)基座，因此在模塊支腿與船體主甲板之間建立虛擬桿件，將這些桿件模擬成只承受壓力的GAP單元。對(duì)于與活動(dòng)基座相連的支撐桿件，其側(cè)向水平向約束能力有限，有效支撐長(zhǎng)度需進(jìn)行合理修正。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)模塊進(jìn)行操作工況、極端工況分析，分析結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，新增外擴(kuò)甲板結(jié)構(gòu)桿件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，但原模塊甲板中間新增斜板設(shè)備橇位置處的甲板結(jié)構(gòu)梁（H300×300和H300×150）、立柱支撐（H250×250）的UC大于1.0，外擴(kuò)甲板設(shè)置水平拉筋的原模塊立柱（H300×300）UC大于1.0，需進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

2.4 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

根據(jù)計(jì)算分析，需進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)桿件均為原模塊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)綜合考慮桿件受力特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工操作影響。

2.4.1 甲板梁加強(qiáng)

新增斜板設(shè)備處甲板主梁型鋼（H300×300）主要承受設(shè)備荷載引起的彎矩My，有以下三種桿件加強(qiáng)方式：

（1）在型鋼上面板或下面板補(bǔ)T形截面梁，增大桿件的抗y向彎矩的截面模數(shù)。從施工角度在型鋼上面板補(bǔ)T形是最好的方式，不需要仰焊，施工方便，但設(shè)備安裝高度將被抬高。

（2）替換桿件為截面屬性更好、幾何尺寸更大的型鋼?，F(xiàn)場(chǎng)施工需掀開甲板，將原H300×300型鋼切除，焊接替換型鋼。這樣主梁完整貫通性被破壞，新替換型鋼與原主梁連接處需格外注意。另外周圍都是管線、設(shè)備，型鋼質(zhì)量大，就位存在很大難度。

（3）H型鋼焊接鋼板封BOX，這種方式增大桿件截面面積，抗剪、抗彎能力都有所提高，但y軸抗彎模數(shù)增加有限。

2.4.2 支撐立柱加強(qiáng)

原模塊支撐立柱桿件補(bǔ)強(qiáng)需考慮臨側(cè)設(shè)備、管線的影響，可選增強(qiáng)措施如下：

措施11 立柱桿件兩側(cè)補(bǔ)T形截面梁，但桿件尺寸增大，與附近的設(shè)備、管線發(fā)生干涉。

措施22 更換立柱型材，施工中需設(shè)臨時(shí)支撐，施工繁瑣，并且位置在油艙上方，不能焊接于船體主甲板。

措施33 立柱撐桿H型鋼焊接鋼板封成BOX截面梁，這種方式增大桿件截面面積，抗剪、抗彎能力都有所提高。

2.4.3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)結(jié)論

經(jīng)分析，甲板主梁下面板補(bǔ)T形截面梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，支撐立柱封BOX梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。對(duì)上述桿件進(jìn)行模型修改，有限元計(jì)算結(jié)果顯示，按照上述方式加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

2.5 安裝問題

海上安裝施工裝備一般有兩種選擇：浮吊和平臺(tái)/FPSO的吊機(jī)。其特點(diǎn)如下：

（1）大型浮吊起重能力強(qiáng)，實(shí)際起重質(zhì)量一般大于2 000 t，但資源少，日費(fèi)率高。中小型浮吊，實(shí)際起重能力一般為300～1 000 t，日費(fèi)率相對(duì)低。

（2）平臺(tái)/FPSO吊機(jī)，起重能力最小。本文中FPSO為10 t（16 m回轉(zhuǎn)半徑），日費(fèi)率最低。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，左舷新增甲板結(jié)構(gòu)和設(shè)備的整體吊裝質(zhì)量約162.5 t；右舷新增甲板結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體吊裝質(zhì)量約140.6 t。從吊裝質(zhì)量和吊裝費(fèi)用等方面考慮，本改造項(xiàng)目采用FPSO吊機(jī)進(jìn)行海上安裝。

2.5.1 新增結(jié)構(gòu)安裝

新增外擴(kuò)甲板模塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量約36 t和46 t，F(xiàn)PSO吊機(jī)無(wú)法對(duì)新增甲板模塊進(jìn)行整體吊裝，只能提前將結(jié)構(gòu)鋼材下料后裝船運(yùn)輸，利用FPSO吊機(jī)吊裝至船體主甲板進(jìn)行組對(duì)焊接安裝。

2.5.2 新增設(shè)備安裝

根據(jù)污水處理設(shè)備質(zhì)量信息，F(xiàn)PSO上的吊機(jī)無(wú)法進(jìn)行設(shè)備整橇吊裝。在外擴(kuò)甲板結(jié)構(gòu)海上安裝后、設(shè)備運(yùn)輸之前將設(shè)備分解成小模塊，出海后利用FPSO吊機(jī)吊裝至模塊平臺(tái)后連接成橇，滑移就位。

2.6 干涉問題

模塊改造如果是新增外擴(kuò)甲板結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PSO主甲板上的探測(cè)井窗口、測(cè)量孔、艙口蓋、儀表氣管線都有可能影響新增模塊立柱的生根，需在改造設(shè)計(jì)啟動(dòng)之前進(jìn)行海上現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，準(zhǔn)確定位這些潛在干涉物位置，在設(shè)計(jì)中合理布置，避讓干涉物。

對(duì)于安全通道，在滿足安全規(guī)范要求前提下，可根據(jù)模塊改造的需求進(jìn)行重新布置。緊密聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，避免與結(jié)構(gòu)、甲板上的探測(cè)井等干涉。

如果情況是原模塊局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)以及增加斜撐桿件，那么大型設(shè)備和管線橋架等干涉的可能性比較大。電纜、儀表氣管線或橋架干涉可考慮改造施工時(shí)臨時(shí)移動(dòng)電纜、管線等位置，待完工后再恢復(fù)原位。如果是配管管線及設(shè)備干涉，最經(jīng)濟(jì)合理的方式是改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，避開設(shè)備或管線。

2.7 模塊改造對(duì)船體影響

模塊V改造新增設(shè)備質(zhì)量225 t，操作質(zhì)量達(dá)514 t，新增外擴(kuò)甲板結(jié)構(gòu)質(zhì)量82 t，模塊改造質(zhì)量增加達(dá)596 t，超過(guò)了空船排水量的1%（約407 t），需對(duì)船體重新進(jìn)行傾斜試驗(yàn)，進(jìn)行船體穩(wěn)性的校核計(jì)算。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，需對(duì)船體的總縱強(qiáng)度和船體甲板局部強(qiáng)度重新進(jìn)行校核。

3 改造中注意的問題

由于FPSO設(shè)施形式與固定平臺(tái)不同，主要由船體、上部模塊組成。文中概述了FPSO上部工藝處理模塊水系統(tǒng)擴(kuò)容改造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在FPSO模塊改造中應(yīng)注意以下問題［5］：

（1）應(yīng)考慮盡可能減少施工作業(yè)難度；

（2）注重現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)調(diào)研實(shí)際情況調(diào)整設(shè)計(jì)方案；

（3）注重現(xiàn)場(chǎng)人員反饋情況，避免改造后現(xiàn)場(chǎng)操作、維修困難；

（4）注重與船體、其他專業(yè)間界面溝通，避免缺漏及重復(fù)。

4 結(jié) 論

隨著海上油田生產(chǎn)的調(diào)整及新油田介入，F(xiàn)PSO原有的系統(tǒng)處理能力受到嚴(yán)峻考驗(yàn)，為充分利用現(xiàn)有資源，對(duì)FPSO進(jìn)行改造必將成為解決難題的一個(gè)途徑?！安澈Ｊ兰o(jì)”號(hào)FPSO模塊V結(jié)構(gòu)改造與實(shí)踐，為水系統(tǒng)擴(kuò)容改造新增設(shè)備提供合理空間，滿足其操作與維修需求，為油田的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)發(fā)揮了重要作用，也為以后油田FPSO改造提供有益借鑒。

［1］ 金強(qiáng).秦皇島32-6油田浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船（FPSO）總體設(shè)計(jì)［J］.船舶，2003（2）：32-39.

［2］ 吳嘉蒙. FPSO模塊支墩下甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)方法［J］.船舶，2005（5）：29-32.

［3］ 邱偉強(qiáng). FPSO甲板模塊支撐形式的研究［J］.船舶，2002（6）：17-21.

［4］ 袁中立. FPSO的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005（12）：24-29.

［5］ 王蓉.“海洋石油113”號(hào)FPSO永久復(fù)產(chǎn)水系統(tǒng)擴(kuò)容改造［J］.船舶，2014（1）：58-61.

Structural design of upper modular modifi cation for FPSO

LI Yan-li MU Qing ZU Wei YANG Xiao-long AN Zhen-wu
(CNOOC Ener-Tech Equipment Technology Research & Design Center, Tianjin 300452, China)

The water system of the upper module of BHSJ Floating Production Storage and Offl oading （FPSO）cannot meet the current production demand with the development of QHD32-6 oil fi eld and the peripheral NB35-2 oil fi eld. Therefore， the water system should be modifi ed to enlarge its capacity. The technical diffi culties and the corresponding solutions encountered during the modifi cation structural design of the upper module of BHSJ FPSO are introduced from the foundation design， connection to the former structure and structural reinforcement. Then， it analyzes the characteristics of the modification structural design， and summarizes the problems to be noticed during the modification， which can provide reference for the structural design of FPSO module modifi cation.

FPSO； upper module； modifi cation； structural design

U674.38

A

1001-9855（2015）06-0045-05

2015-06-25；

2015-09-08

李彥麗（1982-），女，碩士，工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

穆 頃（1981-），男，工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

祖 ?。?987-），男，工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

楊肖龍（1984-），男，工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

安振武（1981-），男，工程師，研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。