深水FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

王銘飛， 杜耀軍, 宋亞新, 羅 勇, 付東明

(高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100029)

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深水FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

王銘飛， 杜耀軍, 宋亞新, 羅 勇, 付東明

(高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100029)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)是船型FPSO運(yùn)用最廣泛的單點(diǎn)系泊方案。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的核心是由集成在船體內(nèi)、并可使船體自由轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)塔組成。有限元分析是內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要手段，目前工業(yè)界掌握內(nèi)轉(zhuǎn)塔分析和設(shè)計(jì)的公司較少，大部分技術(shù)和專(zhuān)利掌握在少數(shù)公司手中。該文提出了一種內(nèi)轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì)及分析方法，目標(biāo)油田為南中國(guó)海深水海域，同時(shí)，較詳細(xì)地描述了設(shè)計(jì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔的方法和思路以及有限元計(jì)算的流程和特殊之處。分析流程和方法對(duì)于未來(lái)我國(guó)自主設(shè)計(jì)FPSO具有重要的意義，為我國(guó)未來(lái)完全自主設(shè)計(jì)FPSO積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

FPSO；內(nèi)轉(zhuǎn)塔；有限元分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO(浮式生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油船)是目前海洋石油開(kāi)發(fā)中常用的一種油田解決方案。FPSO本身抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適用水深范圍廣、儲(chǔ)油能力大，并可轉(zhuǎn)移至新油田重復(fù)使用，是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的海洋石油開(kāi)發(fā)方式。目前，世界上已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的FPSO有多種形式，如：外轉(zhuǎn)塔式、內(nèi)轉(zhuǎn)塔可解脫式、內(nèi)轉(zhuǎn)塔永久系泊式等，其中內(nèi)轉(zhuǎn)塔永久系泊式廣泛運(yùn)用于深水海域。

由于在深水油田，通常缺少完善的海底管道系統(tǒng)，而深水FPSO以其儲(chǔ)油量大的特點(diǎn)，在深水油田開(kāi)發(fā)中占有較大的優(yōu)勢(shì)。目前，世界上已有33艘FPSO運(yùn)用于超過(guò)1 000 m水深的油田，尤其在巴西和安哥拉等地區(qū)應(yīng)用廣泛。這些成功運(yùn)用的實(shí)例說(shuō)明FPSO在深水具有一定的成本優(yōu)勢(shì)和穩(wěn)定的可靠性。

該文提出了一種適用于中國(guó)南海1 500 m水深的內(nèi)轉(zhuǎn)塔永久系泊FPSO方案。整個(gè)方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高，并能處理15根立管，抵抗500年一遇的環(huán)境條件。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔是整個(gè)FPSO系統(tǒng)中最核心的結(jié)構(gòu)，其主要功能有兩個(gè)：一是通過(guò)與內(nèi)轉(zhuǎn)塔上連接的系泊系統(tǒng)，將整個(gè)FPSO固定在指定海域，并通過(guò)其特有的風(fēng)向標(biāo)特點(diǎn)，使FPSO船頭始終朝向風(fēng)浪流最大的方向，使整個(gè)系統(tǒng)受力最??；二是通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)塔內(nèi)部的滑環(huán)(Swivel)系統(tǒng)，將海底的油、水、液壓管線(xiàn)、電力和信號(hào)與船上的油水處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)相連,保持管線(xiàn)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可正常工作。由于船體相對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)塔始終處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以?xún)?nèi)轉(zhuǎn)塔需要布置很多滑環(huán)、管線(xiàn)和閥門(mén)，大大增加了內(nèi)轉(zhuǎn)塔的復(fù)雜性。

對(duì)于深水油田，永久系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO有其特別的優(yōu)勢(shì)。早在20世紀(jì)80年代，永久系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔式就已經(jīng)成功運(yùn)用于油田開(kāi)發(fā)，多年的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明其具有很高的安全性和可靠性。相比于可解脫式內(nèi)轉(zhuǎn)塔，永久系泊式內(nèi)轉(zhuǎn)塔特別適用于深水油田，理由如下：(1) 相比可解脫式內(nèi)轉(zhuǎn)塔，永久系泊式內(nèi)轉(zhuǎn)塔免去了解脫系統(tǒng)以及相應(yīng)的解脫管線(xiàn)和閥門(mén)，所以結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，空間更大，容易維護(hù)；(2) 海上安裝更加常規(guī)，降低了安裝難度；(3) 操作更加簡(jiǎn)單，無(wú)需解脫和連接操作，相應(yīng)的維護(hù)工作也會(huì)降低；(4) 設(shè)計(jì)時(shí)考慮了極端惡劣環(huán)境以及整個(gè)系統(tǒng)冗余度，可靠性更高；(5) 能容納更多的立管和錨鏈，可以配套處理能力很大的FPSO，適合離岸較遠(yuǎn)的海域[1]。深水油田環(huán)境惡劣、離岸較遠(yuǎn)，海上設(shè)施較少，需要FPSO能夠連接更多的立管、也需要更大的錨鏈系統(tǒng)。而永久系泊式FPSO非常適合深水油田開(kāi)發(fā)。目前全世界最大的5個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔FPSO均為永久系泊式內(nèi)轉(zhuǎn)塔。

1 FPSO船體和環(huán)境條件

該文目標(biāo)為設(shè)計(jì)一艘150 000 t存儲(chǔ)能力的雙殼雙底FPSO，設(shè)計(jì)壽命30年，500年重現(xiàn)期作為極端設(shè)計(jì)海況標(biāo)準(zhǔn)。FPSO船體的主要參數(shù)見(jiàn)表 1，主要設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表 2，環(huán)境條件見(jiàn)表 3。

表1 FPSO 的主要參數(shù)

表2 裝載工況

表3 設(shè)計(jì)環(huán)境條件

圖1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)布置圖

2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔位于FPSO船體的前部船體內(nèi)，允許船體繞著內(nèi)轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔的系泊系統(tǒng)為3×3常規(guī)錨鏈系泊系統(tǒng)，由錨鏈、鋼纜及配重塊組成。圖 1為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的內(nèi)轉(zhuǎn)塔總布置圖。

整個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔由以下幾部分組成：內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊層、內(nèi)轉(zhuǎn)塔塔筒、內(nèi)轉(zhuǎn)塔軸承層、起重塔架、立管甲板、中間甲板、管匯甲板、設(shè)備甲板、軸承系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔主體是一個(gè)圓柱型鋼結(jié)構(gòu)，下部由系泊系統(tǒng)連接海底，使FPSO可以繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)。整個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔通過(guò)主軸承和下軸承與船體相連。該設(shè)計(jì)方案中，軸承系統(tǒng)為定制大尺寸滾柱軸承，可滿(mǎn)足500年重現(xiàn)期環(huán)境載荷，軸承承受的最大荷載可由有限元分析確定。

立管通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)塔內(nèi)的I-Tube到達(dá)立管甲板。立管甲板是內(nèi)轉(zhuǎn)塔工作甲板最下面的一層甲板，主要用于懸掛立管，立管的載荷從該層甲板傳給內(nèi)轉(zhuǎn)塔；中層甲板位于立管甲板與管匯甲板中間，用于布置起重絞車(chē)和液壓動(dòng)力模塊，該層甲板可360°轉(zhuǎn)動(dòng)以便安裝立管和系泊纜；管匯甲板位于中層甲板上方，功能是布置管匯和清管器收發(fā)裝置；滑環(huán)甲板位于管匯甲板上方，主要用于支撐滑環(huán)堆棧，所有的工作甲板均由內(nèi)轉(zhuǎn)塔支撐并與內(nèi)轉(zhuǎn)塔保持相對(duì)靜止；起重塔架位于船體甲板之上，隨船體一起繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動(dòng)，主要用于安裝和拆卸滑環(huán)，并給各種管線(xiàn)經(jīng)由滑環(huán)連通到船體油氣處理模塊提供結(jié)構(gòu)支撐。

軸承系統(tǒng)主要分為兩部分：主軸承和下部軸承。主軸承為定制大型滾柱軸承，主要功能為支持整個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔的垂向載荷及部分水平載荷。垂向載荷主要包括：內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)自重、加速度引起的慣性力、系泊纜的垂向載荷及立管垂向載荷。水平載何主要包括：船舶運(yùn)動(dòng)引起的各種水平載荷。下部軸承為免潤(rùn)滑摩擦式結(jié)構(gòu)，在靜止?fàn)顟B(tài)下與內(nèi)轉(zhuǎn)塔有10 mm的間隙。當(dāng)水平系泊力較大時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)塔會(huì)與下部軸承產(chǎn)生接觸，并產(chǎn)生水平載荷，分擔(dān)一部分水平載荷。該方案中的內(nèi)轉(zhuǎn)塔最多可以承載15根立管。

3 內(nèi)轉(zhuǎn)塔載荷分析

內(nèi)轉(zhuǎn)塔在工作時(shí)同時(shí)受到多個(gè)載荷的作用，主要載荷分析如圖 2所示，其中加速度主要由FPSO船體受到波浪力運(yùn)動(dòng)而引起。錨鏈載荷和立管載荷會(huì)隨著FPSO船體的運(yùn)動(dòng)及流作用在立管和錨鏈上變化。主軸承和下軸承對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔有約束作用，使其跟隨FPSO船體隨風(fēng)浪作用一起運(yùn)動(dòng)。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔載荷分析

內(nèi)轉(zhuǎn)塔載荷分析的主要方法為頻域水動(dòng)力分析和時(shí)域水動(dòng)力分析。可用的水動(dòng)力軟件為：WAMIT，ARIANE和OracFlex。載荷分析流程如圖3所示，分為三步：

(1) 船體水動(dòng)力系數(shù)分析，通過(guò)頻域分析方法獲得FPSO船體的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)系數(shù)，如運(yùn)動(dòng)RAO等，主要軟件為WAMIT。

(2) 用于工況篩選的頻域系泊分析。通過(guò)進(jìn)行全部工況的頻域系泊分析，包括考慮不同的裝載工況，不同方向來(lái)的風(fēng)、浪、流組合，找出最危險(xiǎn)的工況，主要軟件為ARIANE，篩選原則為：

(a) 當(dāng)主軸承垂向力最大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的載荷；

(b) 當(dāng)主軸承水平力最大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的載荷；

(c) 當(dāng)主軸承彎矩最大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的載荷；

(d) 當(dāng)下軸承水平力最大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的載荷；

(e) 當(dāng)水平加速度最大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的載荷；

(f) 當(dāng)垂向加速度最大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的載荷。

(3)根據(jù)篩選出來(lái)的工況，建立多體水動(dòng)力分析模型，即將FPSO船體與內(nèi)轉(zhuǎn)塔做為獨(dú)立浮體分開(kāi)建立，并根據(jù)兩者之間的約束關(guān)系進(jìn)行約束。對(duì)此模型進(jìn)行時(shí)域分析，找出上述篩選原則對(duì)應(yīng)的載荷，根據(jù)需要分析的設(shè)計(jì)工況，找出每個(gè)工況對(duì)應(yīng)以上原則最危險(xiǎn)的幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的載荷，設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表 4。

圖3 載荷分析流程

表4 設(shè)計(jì)工況

4 有限元分析

根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，建立詳細(xì)的有限元模型，有限元分析軟件采用ANSYS。有限元模型不僅模擬了內(nèi)轉(zhuǎn)塔、吊裝塔架的整個(gè)結(jié)構(gòu)、設(shè)備重量，而且將主軸承、下軸承之間的約束條件利用有限元接觸單元進(jìn)行了模擬。其中主軸承和下部軸承連接采用了實(shí)體單元模擬，板梁結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行模擬，細(xì)長(zhǎng)桿件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。整個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔有限元模型通過(guò)接觸單元與船體模型相連，根據(jù)載荷分析的結(jié)果，將對(duì)應(yīng)的載荷(主要為錨鏈載荷、立管載荷和加速度)加載到有限元模型上，進(jìn)行有限元分析，該有限元模型通過(guò)接觸單元可以真實(shí)地模擬內(nèi)轉(zhuǎn)塔與船體之間的相互連接作用。根據(jù)載荷分析的結(jié)果，將每個(gè)設(shè)計(jì)工況的幾組載荷分別進(jìn)行分析，該文給出的某一時(shí)刻的加載荷載情況見(jiàn)表 5，內(nèi)轉(zhuǎn)塔有限元分析模型如圖 4所示，有限元分析結(jié)果如圖 5所示。

根據(jù)全部工況的有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主體結(jié)構(gòu)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[2]，可以承受500年一遇重現(xiàn)期的極端惡劣環(huán)境。

表5 作用于有限元模型的載荷 (某一工況)

圖4 內(nèi)轉(zhuǎn)塔有限元分析模型

圖5 內(nèi)轉(zhuǎn)塔有限元分析結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)研究分析內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO的轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)水動(dòng)力軟件和有限元軟件的輔助，探索出一條FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔的設(shè)計(jì)流程和分析方法。主要結(jié)論如下：

(1) 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO擁有更大的直徑，可以容納更多的立管(10根以上)，具備更大的原油處理能力，適用于深水大型油田。

(2) 通過(guò)分析比選，確立了內(nèi)轉(zhuǎn)塔式結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析中的關(guān)鍵工況。

(3) 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO可以在南海500年一遇的環(huán)境中不解脫，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(4) 內(nèi)轉(zhuǎn)塔與船體聯(lián)接處是高應(yīng)力區(qū)，精確的接觸分析可以保證其連接的可靠性。

(5) 整個(gè)分析驗(yàn)證了內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO方案適合南海油水深田開(kāi)發(fā)。

該文提出的整個(gè)設(shè)計(jì)流程和分析方法對(duì)于未來(lái)中國(guó)自主設(shè)計(jì)FPSO有重要意義，為中國(guó)未來(lái)完全自主設(shè)計(jì)FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] LUO Y, WANG H W. Permanent Versus Disconnectable FPSOs[J]. Marine Science and Application,2009，28(8):93-98.

[2] ABS. Rules for Building and Classing Floating Production Installation[S]. 2014.

Finite Element Analysis for FPSO Turret Structural Design

WANG Ming-fei, DU Yao-jun, SONG Ya-xin, LUO Yong， FU Dong-ming

(High Deep Sea Technology Co., Ltd, Beijing 100029, China)

Turret mooring system is one of the most popular single point mooring (SPM) solutions to moor vessel-based FPSOs. The turret mooring system consists of a geostationary turret assembly that is integrated into the FPSO hull through a bearing system and attached to a mooring system. Finite element analysis (FEA) of turret structure is a key step in designing turret mooring system that is fit for purpose in harsh environment. However, industry standards of turret structural analysis technique, including loading condition and combination selection, boundary condition setup and structural analysis acceptance criterion, are not well documented. In this paper, an internal turret structure, which is designed for a FPSO operating in South China Sea, is used as a sample case to illustrate the detailed procedure of turret structural FEA. Emphases are given to aspects of practical importance to engineers conducting turret structure design, such as turret load derivation, boundary condition treatment at the bearing locations, and structural analysis software adoption, etc. It is concluded that the correct application of FEA is essential towards the safe design of a turret system.

FPSO； turret； FEA； structural design

2015-11-16

王銘飛(1982-)，男，結(jié)構(gòu)工程師。

1001-4500(2016)05-0006-06

P75

A