圓筒形浮式生產(chǎn)儲油裝置結(jié)構(gòu)設計及輕量化

周 佳，趙夕濱，王 璞

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

近年來，隨著國際油價持續(xù)走低，對海洋油氣開發(fā)裝備的設計和研發(fā)提出了更高的要求。只有擁有性能更為出色、成本更低的裝備，才能在現(xiàn)今的油氣開發(fā)市場中占據(jù)有利位置。自SEVAN MARINE公司推出圓筒形浮式生產(chǎn)儲油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）的概念（見圖1）并成功投入到工程應用中以來，該類型FPSO成為研究焦點，其獨有的圓筒形外觀對其在海洋環(huán)境中的運動和受到的環(huán)境載荷的影響均有別于常規(guī)船型FPSO的概念[1-2]。

圖1 SEVAN圓筒形FPSO示意

1 載荷與結(jié)構(gòu)強度分析

依照常規(guī)海洋工程結(jié)構(gòu)設計的流程，在確定結(jié)構(gòu)型式和外形之后，首先根據(jù)法規(guī)和規(guī)范的要求及作業(yè)功能需求對艙室進行劃分。在完成相應布置之后，依照結(jié)構(gòu)設計習慣和經(jīng)驗確定骨材間距、布置結(jié)構(gòu)桁材及強框。隨后，根據(jù)結(jié)構(gòu)件所設位置進行構(gòu)件規(guī)范計算，完成初步結(jié)構(gòu)設計。

海洋工程裝備往往需針對特定海域的環(huán)境條件，分析結(jié)構(gòu)在所處環(huán)境中可能遇到的最大環(huán)境載荷。隨著數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，設計波法已較多地應用到海洋工程裝備總強度載荷預報中。各大船級社根據(jù)其多年的設計經(jīng)驗積累，對常見的海洋工程裝備推薦了幾個載荷形式作為設計校核指標，例如船型FPSO在不同裝載工況下的最大彎矩和剪力及半潛式平臺在不同浪向下的彎曲、剪切、扭矩和最大加速度等[3]。根據(jù)預報的設計波載荷，對海洋工程裝備進行結(jié)構(gòu)總強度分析，對其整體結(jié)構(gòu)進行較為系統(tǒng)的分析和校核。

由于圓筒形FPSO外形的特殊性[4-6]，目前規(guī)范中尚無成熟的設計指南和推薦的總強度載荷模式。通過對不同工況和環(huán)境條件組合進行分析對比，并與相關(guān)領域的設計專家和資深船級社工程師討論可知，圓筒形結(jié)構(gòu)有良好的對稱性，各方向上的尺度一致；同時，由于型深和吃水較大，圓筒形FPSO的總縱彎矩和剖面剪力不再是以往常規(guī)船型FPSO的主控設計載荷；相對于環(huán)境載荷，其構(gòu)件壓力規(guī)范設計載荷將成為設計關(guān)鍵。通過分析對比不同工況的應力結(jié)果分布，最后確定以兩側(cè)最大液面高度差、平臺中心與兩側(cè)最大剪力差和艙內(nèi)液貨最大加速度等3個狀態(tài)為其總強度設計波環(huán)境載荷預報工況，其波浪載荷模式示意見圖2。在上述工況下，分別校核圓筒形FPSO直徑方向的最大壓力差、中心月池開口區(qū)向兩側(cè)的壓力差和艙內(nèi)液貨動壓力對垂直艙壁及外板的影響。

圖2 圓筒形FPSO典型波浪載荷模式示意

目標平臺主尺度為：外徑 88m，主甲板高 45m，雙底，雙殼，設計吃水 32m。按照前述分析流程，建立濕表面模型、質(zhì)量模型和結(jié)構(gòu)模型，對其進行設計波載荷預報和結(jié)構(gòu)總強度分析，分析采用DNV-GL開發(fā)的SESAM軟件包。圓筒形FPSO結(jié)構(gòu)模型示意見圖3，坐標原點定于底板圓筒中心處，主要艙壁和甲板采用板單元建模，主要設備的重量及其所在位置采用質(zhì)量點和梁模擬。為提高鋼材利用率，平臺結(jié)構(gòu)以水線面為界上下劃分，水線面上部分采用32kg級高強度鋼，水線面下部分采用36kg級高強度鋼。同時，為兼顧結(jié)構(gòu)設計剛度，在水線面以上部分適當預留一定的設計余量，為上部模塊等設備支撐提供足夠的余度。

圖3 圓筒形FPSO結(jié)構(gòu)模型示意

考慮到圓筒形FPSO的結(jié)構(gòu)和裝載的對稱性，在進行設計波載荷預報時，取典型浪向及液貨艙和壓載艙的裝載分布（見圖4），其在240°浪向下的典型RAO響應見圖5，反映筒體兩側(cè)海面高度差，校核平臺在最大水平剪力作用下的結(jié)構(gòu)受載情況和應力分布。對于裝載工況的選取，兼顧液貨艙和壓載艙在不同浪向下的裝載情況。如圖3所示，圓筒形FPSO外圈為外壓載艙，向內(nèi)依次為液貨艙、作業(yè)艙和內(nèi)壓載艙。

通過對波浪載荷進行短期預報，得到不同裝載工況下的液面高度差和水平加速度。從預報結(jié)果來看，作用在外壁上的波浪會對圓筒形FPSO的外形產(chǎn)生一定的爬升影響，F(xiàn)PSO兩側(cè)的高度差相對所處環(huán)境下的波高提升20%～30%。同時注意到，為兼顧修井功能，在目標FPSO中間設有月池開口，月池區(qū)內(nèi)的波浪抬升更為明顯，高差極值甚至達到環(huán)境波高的2倍。該結(jié)構(gòu)為數(shù)值預報結(jié)果，有待模型試驗或?qū)嵉乜睖y驗證。

圖4 典型載荷分析工況示意

圖5 最大兩側(cè)液面高度差的RAO響應（240°浪向）

此外，對于艙內(nèi)的液貨加速度預報值相對很小的情況，由于圓筒形FPSO具有良好的水動力性能，水平加速度僅為10%的重力加速度量級。在波浪載荷預報的基礎上，將水動力載荷映射到結(jié)構(gòu)模型上，進行結(jié)構(gòu)總強度分析，對設計構(gòu)件強度進行設計校核。

經(jīng)總強度分析，結(jié)構(gòu)應力水平在各工況下隨著型深的變化而變化的趨勢明顯，接近底部位置的應力水平較高，越接近水面或水面以上位置的應力水平較低。同時，在徑向和環(huán)向艙壁連接處、阻尼板與舷側(cè)外板連接區(qū)域及底部導纜器布置位置角隅處有局部應力集中現(xiàn)象，設計時應加以關(guān)注。典型應力分布云圖見圖6～圖9。由應力分析結(jié)果可知，整體結(jié)構(gòu)應力分布均勻，因裝載不同而產(chǎn)生一定差異。相對來說，艙內(nèi)液體壓力作為主控載荷，波浪動壓力及平臺運動產(chǎn)生的應力相對較小。

圖6 單艙裝載波峰位于月池工況底板應力分布示意

圖7 對稱裝載波峰位于月池工況外板應力分布示意

圖8 阻尼板與外板連接區(qū)域應力分布示意

圖9 阻尼板導纜器開口角隅高應力示意

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與減重

與同等裝載量級的船型FPSO相比，由于基礎方案不同、總強度設計載荷要求不同，圓筒形FPSO具備一定的優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)設計重量比船型FPSO輕25%以上。由于圓筒形FPSO外形獨特，其主體內(nèi)具體功能艙室的劃分等與傳統(tǒng)船型FPSO的分艙有很大不同，經(jīng)統(tǒng)計，初步方案結(jié)構(gòu)重量約為3萬t。在此基礎上，為挖掘其更大的潛力，進行減輕結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化設計，分別進行增加吃水、外徑變化和分艙調(diào)整等一系列方案對比。在滿足整體性能一致（即排水量不變）的前提下，探索圓筒的外徑、型深、內(nèi)部環(huán)形和徑向艙壁的位置及數(shù)量的調(diào)整和不同艙室布置對結(jié)構(gòu)設計重量的影響。

由上述結(jié)構(gòu)強度分析可知：圓筒形FPSO的結(jié)構(gòu)設計主要控制工況為規(guī)范計算公式要求，即設計壓頭；相對而言，其圓形外形承壓性能良好，總強度載荷對結(jié)構(gòu)的影響也相對較小。改變圓筒形FPSO的設計吃水，因設計壓頭增加對設計板厚有顯著影響，在裝載量相同的情況下，結(jié)構(gòu)增重明顯，整體結(jié)構(gòu)重心偏下；在加大型深之后，由于設計壓力增加，對結(jié)構(gòu)件的要求會顯著提高。因此，從輕量化的角度看，首先應控制設計方案的型深，以小型深為宜。其次，從主體內(nèi)部布置上看，因分艙采用從上到下的徑向艙壁和環(huán)向艙壁，水平設置環(huán)向水平桁。艙壁重量是結(jié)構(gòu)重量的主要部分。在滿足規(guī)范和法規(guī)對分艙要求的前提下，盡可能地減少垂向艙壁的數(shù)量，從而直接降低結(jié)構(gòu)設計重量。另外，艙壁大多貫穿于整個主體，從分隔艙壁的總長度上可得到整體結(jié)構(gòu)輕量化的方向，根據(jù)圓直徑與周長的關(guān)系考慮艙壁設置位置及判別環(huán)向分隔數(shù)量和徑向直徑大小的優(yōu)化方向。

根據(jù)以上結(jié)論，后期可對初步方案進行輕量化改進，以減少垂向分艙、適當降低型深為優(yōu)化方向，減少兩道垂向分隔。同時，在對外徑進行微調(diào)之后，成功減重約4000t，約為總重的13%，效果顯著?？梢?，作為新型海洋工程裝置的圓筒形FPSO，其不同于常規(guī)船型FPSO的主尺度和分艙設計會對空船重量造成顯著影響，有很大的優(yōu)化和深入研究空間。此外，因外形發(fā)生變化，相對矮胖的外形會增加系泊設計的載荷，在確定總體方案時需進行綜合評估。

3 結(jié) 語

本文通過對圓筒形FPSO的設計方案及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行介紹，總結(jié)了該型裝備的結(jié)構(gòu)設計要點和設計關(guān)鍵區(qū)域。通過對比不同設計方案，給出了結(jié)構(gòu)減重的優(yōu)化方向。受限于研究時間和進度要求，后續(xù)可對水平桁布置間距進行深入討論，進一步開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重研究。此外，水線上下范圍的結(jié)構(gòu)砰擊和內(nèi)部月池區(qū)域波浪載荷的非線性問題也值得關(guān)注并有待進一步研究。

【 參 考 文 獻 】

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