FPSO模塊結構設計研究

張 明，程玉鑫

0 引言

FPSO（floating production storage and offloading）是目前國際上公認的較為普遍的、經(jīng)濟性較好的海工產(chǎn)品，近年來在海工市場受到各大船東公司和船廠的高度關注。FPSO上部模塊作為海上油氣生產(chǎn)處理和公用設施的基地，在整個油田的開發(fā)中起著至關重要的作用，因此FPSO上部模塊設計和結構布置方案成為FPSO設計研究的主要方向。

1 FPSO模塊結構簡介

1.1 概念

作為FPSO上重要且不可或缺的一部分，上部模塊集成了更多更先進的技術。根據(jù)功能不同，可以將模塊分為：工藝模塊、氣體處理模塊、熱介質(zhì)模塊、化學藥劑注入模塊、高壓注入模塊、電站模塊、MCC模塊、壓縮空氣模塊和管廊等。模塊結構是承載設備并實現(xiàn)其功能的主要載體，由上方存放設備的模塊平臺結構和下方連接甲板的模塊底座結構組成，其基本設計與整個FPSO基本設計不可分割。

1.2 研究的意義

目前在國內(nèi)，F(xiàn)PSO真正獨立自主設計的能力嚴重不足，大量核心技術還沒有被切實掌握。因此，大力發(fā)展獨立自主的模塊結構設計研究，有利于早日掌握該領域的核心設計技術，實現(xiàn)FPSO整體承包的目標。只有真正掌握了FPSO各個領域的核心技術，才能進一步提出優(yōu)化方案和創(chuàng)新理論，在海工市場占據(jù)主導地位。

1.3 研究的主要內(nèi)容

本文以某FPSO項目壓縮機模塊結構設計為背景，在了解FPSO布置原則及工作原理的基礎上，熟悉各模塊結構的設計流程。根據(jù)相應規(guī)范，對模塊支撐結構進行基本設計，同時以有限元計算為依據(jù)，對結構設計的強度進行分析，確保模塊結構及底座滿足強度要求。

2 模塊結構設計原則

2.1 結構設計原則

模塊結構設計主要根據(jù)船東規(guī)格書以及船級社規(guī)范的要求，對模塊主體尺寸（長、寬、高和層數(shù)等）和構件尺寸進行設計細化和強度分析。設計的原則主要包括：

1）滿足模塊功能要求

即結構空間應該滿足所有相關設備裝置的布置、操作及維修；考慮模塊整體吊裝方案并合理布置吊耳。

2）滿足安全要求

需要考慮模塊與模塊之間的安全距離，保證主甲板留出足夠的逃生通道空間。合理布置模塊內(nèi)部的安全通道及四周的構件，保證設備安裝調(diào)試后仍留有足夠的空間，避免與安全通道干涉。

3）滿足規(guī)范要求

需要滿足規(guī)范對材料和焊接的要求及結構強度要求。

4）滿足FPSO基本設計要求

考慮模塊重量重心產(chǎn)生的支反力對模塊底座和主船體的影響，關鍵點主要包括三維梁系有限元分析和水動力分析。

2.2 模塊布置的原則

FPSO的工作原理是通過立管等傳輸設備將油水氣和泥沙混合的原始產(chǎn)品輸送到船上，經(jīng)過一系列生產(chǎn)模塊的分離、凈化、清洗、干燥等工藝處理后，將合格的產(chǎn)品暫時儲存在貨油艙內(nèi)，等待不定期輸出到穿梭油船上，同時將符合排放標準的水和氣進行排放、回注或燃燒，將不合格的和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣等進行存儲，等待靠岸排放。整個生產(chǎn)過程中最重要環(huán)節(jié)就是工藝處理，而實現(xiàn)工藝處理的設備和裝置大都放置在模塊上。因此，為滿足模塊的工藝處理功能，在布置上需要滿足以下幾個原則[1]。

1）安全可靠，符合規(guī)范

總體布置必須滿足規(guī)范對防火、防爆、逃生等方面的要求，至少應設計兩條互相遠離的主逃生通道。要使生活、指揮、消防設備、應急電站、救生設備、直升飛機平臺等（安全區(qū)）與油氣處理區(qū)（危險區(qū)）盡量遠離。生活區(qū)通常布置在上風口?；鹁嫠犬a(chǎn)生煙氣排放的設備應布置在遠離生活區(qū)的下風口。

2）大容積設備靠近中軸線布置

甲板上部模塊之間設有通道，由于波浪作用在船體上發(fā)生橫搖的幾率比縱搖大得多（對于圓筒型FPSO來說，僅需要重點考慮垂向加速度），而橫搖會使船體產(chǎn)生巨大的扭曲應力，該應力的集中部位正是通道。因此，在模塊布局上盡量將大容積設備如斜板隔油器、分離器等靠近中軸線布置，以減少船體搖擺產(chǎn)生的扭曲應力。

3）方便生產(chǎn)操作和設備維修

設計主甲板和生產(chǎn)甲板之間的距離時，要考慮到最大設備的高度、高架管線的高度和維修操作的高度，一般選擇3 m以上。根據(jù)大量的實船數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該高度值一般在4 m～5 m之間。另外，按照規(guī)定，危險區(qū)與非危險區(qū)兩模塊的間距不小于3 m。非危險區(qū)的通道寬度不小于2 m。設在甲板上的吊機一般布置在左右兩舷，前后錯位布置，使吊機能夠覆蓋絕大部分生產(chǎn)甲板。

4）人機工程設計要求

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程，按邏輯順序布置模塊及設備位置走向。設備的布置和空間要考慮操作和檢修的方便性，通道設計應考慮安全、快捷和易達性。考慮設備吊裝通道，盡量避免手動搬動設備和材料。

3 模塊結構設計內(nèi)容

模塊上的大型和重型設備一般都布置在模塊底層平臺上，底層結構承受的載荷較大。因此，在模塊設計時選取的構件尺寸也相對較大。越往上，平臺結構受力越小，所以構件尺寸也相對較小。這樣設計，不僅可以降低模塊整體重心，而且可以在保證結構強度的前提下減少結構重量。模塊結構設計需要注意幾個方面。

3.1 材料選取

1）材質(zhì)選擇

從結構強度及減輕重量的角度考慮，模塊的結構部分基本上全部選用高強度鋼，局部區(qū)域板厚方向需要承擔載荷，還要使用高強度Z向板，圖1為規(guī)范對Z向板要求。

圖1 規(guī)范對Z向板要求

2）溫度對材料的影響

根據(jù)海工設計規(guī)范對結構類別的劃分，船體結構一般分為特殊結構、主要結構和次要結構。規(guī)范要求，材料厚度與材質(zhì)選擇，與結構所屬類別和工作溫度有關，如表1所示[2]。

3.2 模塊底座設計

所有生產(chǎn)模塊都是通過模塊底座與主甲板連接，模塊底座承受模塊的自重和工作載荷，其結構位置和作用荷載是船體甲板構造和強度設計的重點之一。模塊底座支撐結構一般布置在船體甲板的強肋位上，根據(jù)模塊在操作和極端工況條件下支點的反力進行甲板強度校核。上部模塊與支撐底座間的連接形式，根據(jù)模塊的尺寸與底座布置不同，可分為固定式與滑動式（見圖2）。對于跨距比較大的模塊底座，部分連接點滑動接觸可以避免模塊構架平臺支腿隨著船體梁的縱向彎曲變形而發(fā)生強制變形，也可以釋放模塊自身重量引起的支腿變形，降低產(chǎn)生疲勞裂紋的概率[3]。

表1 ABS普通鋼與高強鋼在不同溫度下的材料選擇（板厚單位：mm）

圖2 模塊底座的連接形式

3.3 模塊平臺結構形式

模塊結構型式滿足設備總體布置的要求，以適應建造場地吊裝設施的能力，最大化地減少模塊在船體甲板上的建造工作量，滿足船體和上部模塊平行建造的要求，從而有效地降低模塊結構的材料費用。平臺結構型式主要采用由梁板組成的空間框架結構（見圖3），各模塊通過模塊底座與主甲板連接。規(guī)劃的重點是通過合理降低模塊剛性結構的多重約束，緩解結構內(nèi)部之間的相互影響；同時在滿足功能和強度要求的基礎上，盡量簡化結構，做好重量控制。

3.4 結構強度校核

船級社規(guī)范沒有對模塊自身結構的強度校核做要求，但是對上部模塊支撐和船體甲板下加強做了相關要求。因此，可以將上部模塊支撐的計算載荷和工況應用到模塊結構強度計算中。模塊結構屬于鋼結構，國際上通用的做法是按照API和AISC的標準進行鋼結構校核。

圖3 模塊平臺結構設計模型

1）設計載荷，包括：

（1）FPSO在拖航、工作等情況下的運動；

（2）環(huán)境載荷（風、浪、流等）；

（3）FPSO甲板變形量；

（4）模塊鋼結構自重；

（5）模塊上部設備重量（干重和濕重）；

（6）模塊上部活載（根據(jù)區(qū)域劃分）。

2）屈服強度校核

屈服強度校核是結構強度校核的主要內(nèi)容，主要包括，有限元強度分析滿足強度要求和屈曲校核滿足穩(wěn)定性要求。圖4為某模塊底座的有限元分析應力分布圖。整個模塊支撐及底座的最大應力點一般發(fā)生在模塊底座與甲板接觸的趾端位置，相應結構需要加強。

圖4 模塊底座有限元分析應力圖

3）疲勞強度校核

在進行疲勞強度分析的時候，除了考慮循環(huán)載荷外，還要選擇容易發(fā)生疲勞破壞的位置，如肘板趾端（見圖5）。通過有限元模型讀取熱點應力的數(shù)值，根據(jù)規(guī)范疲勞計算公式經(jīng)過計算得出應力幅值范圍，由S-N曲線選擇計算得到相應位置的疲勞壽命。

圖5 疲勞破壞發(fā)生的典型位置

4 結論

隨著海上油氣開采的迅速發(fā)展，F(xiàn)PSO將作為海上采油的主要產(chǎn)品，引導今后海工市場的發(fā)展趨勢。因此FPSO模塊的設計和研究，是未來FPSO發(fā)展的主要方向，對我國開發(fā)和占有國際海工市場具有十分重要的意義。

[1]廖紅琴.FPSO上部模塊結構設計[J].中國造船,2008,49(S2): 232-238.

[2]ABS.Rules for Building and Classing, Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[3]遲少艷, 趙耕賢.FPSO模塊支墩結構形式與設計原則[J].船舶與海洋工程, 2014(4): 24-27.