淺析FPSO模塊的設(shè)計(jì)與安裝工藝

孫宇 李丹 馮建新

摘要：本文對(duì)FPSO模塊的設(shè)計(jì)和安裝工藝進(jìn)行了介紹，通過(guò)對(duì)模塊結(jié)構(gòu)、安裝工藝等幾個(gè)方面的分析。通過(guò)分析球形支座的結(jié)構(gòu)形式、工藝性能、安裝方法，形成了一套全新的完整的模塊支座安裝工藝然后做出判斷，再通過(guò)快速有效的方法達(dá)到盡快解決故障問(wèn)題的目的

關(guān)鍵詞：FPSO，模塊;設(shè)計(jì);安裝工藝

FPSO是當(dāng)今海上油氣田開(kāi)發(fā)的主流生產(chǎn)裝置，能夠?qū)Ｉ显吞烊粴膺M(jìn)行初步加工、儲(chǔ)存和外輸，是集人員居住與生產(chǎn)指揮系統(tǒng)于一體的綜合性大型海上油氣生產(chǎn)基地，被稱為“海上油氣處理廠（Floating Production Storage andOffloading，F(xiàn)PSO）”。FPSO上部模塊作為海上油氣生產(chǎn)處理和公用設(shè)施的基地，在整個(gè)油田的開(kāi)發(fā)中起著至關(guān)重要的作用，因此FPSO上部模塊設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置方案成為FPSO設(shè)計(jì)研究的主要方向。

1、FPSO模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 研究的意義

目前在國(guó)內(nèi)，F(xiàn)PSO真正獨(dú)立自主設(shè)計(jì)的能力嚴(yán)重不足，大量核心技術(shù)還沒(méi)有被切實(shí)掌握。因此，大力發(fā)展獨(dú)立自主的模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，有利于早日掌握該領(lǐng)域的核心設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)FPSO整體承包的目標(biāo)。只有真正掌握了FPSO各個(gè)領(lǐng)域的核心技術(shù)，才能進(jìn)一步提出優(yōu)化方案和創(chuàng)新理論，在海工市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著世界人口的增加以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大。海洋油氣正在成為世界油氣的主要來(lái)源。截至2015年年底，海洋油氣產(chǎn)量已占全球能源總供給量的18%，當(dāng)年產(chǎn)量增幅為2.5%L10，未來(lái)海洋油氣產(chǎn)量所占比重還將進(jìn)一步上升。

1.2 研究的主要內(nèi)容

本文以某FPSO項(xiàng)目壓縮機(jī)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為背景，在了解FPSO布置原則及工作原理的基礎(chǔ)上，熟悉各模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，對(duì)模塊支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行基本設(shè)計(jì)，同時(shí)以有限元計(jì)算為依據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度進(jìn)行分析，確保模塊結(jié)構(gòu)及底座滿足強(qiáng)度要求。

2、FPSO模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

模塊是FPSO系統(tǒng)中上重要的組成，主要布置在FPSO船體上部，其集成了更多更先進(jìn)的技術(shù)，具有多種功能，具體分為：工藝模塊、氣體處理模塊、熱介質(zhì)模塊、化學(xué)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。其由模塊鋼結(jié)構(gòu)和其中布置的設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)承載著設(shè)備并實(shí)現(xiàn)其功能的主要載體，由上方存放設(shè)備的模塊平臺(tái)結(jié)構(gòu)和下方連接甲板的模塊底座結(jié)構(gòu)組成，其基本設(shè)計(jì)與整個(gè)FPSO基本設(shè)計(jì)不可分割。從力學(xué)角度分析，底座對(duì)模塊固定和運(yùn)行穩(wěn)定有決定作用。FPSO生活模塊由生活樓、直升機(jī)平臺(tái)及相應(yīng)舾裝件和相關(guān)設(shè)備組成。隨著海洋工程相關(guān)技術(shù)發(fā)展，近

年來(lái)生活模塊有如下發(fā)展趨勢(shì)：（1）建造技術(shù)向模塊化發(fā)展。目前，海洋平臺(tái)建造已開(kāi)始采用模塊化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)和上部設(shè)施同時(shí)建造施工，縮短建造周期口3。雖然現(xiàn)階段該方法的安全性和舒適性并未得到保證，但隨著技術(shù)水平的發(fā)展，將生活模塊系統(tǒng)進(jìn)行模塊單元化，設(shè)計(jì)生命力強(qiáng)的模塊產(chǎn)品，強(qiáng)化組合性，將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)新型輕質(zhì)材料的廣泛應(yīng)用。目前，新型輕質(zhì)材料已應(yīng)用于直升機(jī)甲板上。采用鋁質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制材料具有重量輕，強(qiáng)度、剛度好的優(yōu)點(diǎn)，能將直升機(jī)甲板的重量減少至原重量的三分之一，對(duì)船體的穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化也起到了重要作用。此外，鋁質(zhì)直升機(jī)甲板模塊化程度高，有利于縮短建造周期。因此，新型輕質(zhì)材料將在FPS0生活模塊上得到廣泛應(yīng)用。（3）對(duì)作業(yè)人員的安全性、舒適性更為重視。國(guó)際海事界對(duì)海上安全、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題日益關(guān)注，在海上作業(yè)時(shí)需要配備大量的工作人員。如何使生活模塊系統(tǒng)達(dá)到相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和船級(jí)社要求，在滿足安全性、環(huán)保性的同時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)性和快速性，對(duì)生活模塊系統(tǒng)的技術(shù)水平提出了更高要求。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)FPSO生活模塊的研究集中于模塊設(shè)計(jì)以及模塊吊裝、運(yùn)輸過(guò)程中的強(qiáng)度分析，而對(duì)從市場(chǎng)需求的角度開(kāi)展的研究則較少，有必要對(duì)FPS0生活模塊進(jìn)行市場(chǎng)需求的分析預(yù)測(cè)。

2.2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

模塊上的大型和重型設(shè)備一般都布置在模塊底層平臺(tái)上，底層結(jié)構(gòu)承受的載荷較大。因此，在模塊設(shè)計(jì)時(shí)選取的構(gòu)件尺寸也相對(duì)較大。越往上，平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力越小，所以構(gòu)件尺寸也相對(duì)較小。這樣設(shè)計(jì)，不僅可以降低模塊整體重心，而且可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下減少結(jié)構(gòu)重量。模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意幾個(gè)方面。

2.2.1 材料選取

1）材質(zhì)選擇

從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及減輕重量的角度考慮，模塊的結(jié)構(gòu)部分基本上全部選用高強(qiáng)度鋼，局部區(qū)域板厚方向需要承擔(dān)載荷，還要使用高強(qiáng)度Z 向板。

2）溫度對(duì)材料的影響

根據(jù)海工設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)類別的劃分，船體結(jié)構(gòu)一般分為特殊結(jié)構(gòu)、主要結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)。規(guī)范要求，材料厚度與材質(zhì)選擇，與結(jié)構(gòu)所屬類別和工作溫度有關(guān)。

2.3 模塊底座設(shè)計(jì)

所有生產(chǎn)模塊都是通過(guò)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(jié)構(gòu)位置和作用荷載是船體甲板構(gòu)造和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。模塊底座支撐結(jié)構(gòu)一般布置在船體甲板的強(qiáng)肋位上，根據(jù)模塊在操作和極端工況條件下支點(diǎn)的反力進(jìn)行甲板強(qiáng)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(dòng)式。對(duì)于跨距比較大的模塊底座，部分連接點(diǎn)滑動(dòng)接觸可以避免模塊構(gòu)架平臺(tái)支腿隨著船體梁的縱向彎曲變形而發(fā)生強(qiáng)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。

2.4 模塊安裝結(jié)構(gòu)

模塊支座作為FPSO上部模塊安裝中的一個(gè)關(guān)鍵部件，將立柱與甲板底座固定在一起，它包括球形支座和彈性支座兩部分，球形支座位于船體底座與模塊立柱之間，彈性支座位于限位裝置與立柱之間，共同對(duì)模塊橫向和縱向受力起到緩沖作用，而球形支座在FPSO模塊安裝中起著十分重要的作用。

2.4.1 球形支座

球形支座為德國(guó)MAURER公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，上下面為不銹鋼光滑面，通過(guò)內(nèi)襯板與球面聚四氟乙烯板之間的滑動(dòng)完成支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，具有轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、適用轉(zhuǎn)角大等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)球形支座都有最大荷載、編號(hào)、水平位移及對(duì)應(yīng)的船體肋位，且支座與上下結(jié)構(gòu)焊接，安裝時(shí)根據(jù)模塊的重量大小配置不同承載噸位的球形支座。

3 模塊支座安裝控制要點(diǎn)

（1）每個(gè)球形支座側(cè)面需標(biāo)注X軸線、Y軸線、肋位、承載力及受力方向，確保與船體上的肋位線相對(duì)應(yīng)，防止安裝時(shí)球形支座方向及位置發(fā)生錯(cuò)誤;

（2）為防止焊接作業(yè)中傳遞的熱量破壞支座部件，必須控制焊接溫度，確保連續(xù)地低熱量輸入，且上支座最高溫度不能超過(guò)80℃。

4 結(jié)論

上采油的主要產(chǎn)品，引導(dǎo)今后海工市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。因此FPSO 模塊的設(shè)計(jì)和研究，是未來(lái)FPSO發(fā)展的主要方向，對(duì)我國(guó)開(kāi)發(fā)和占有國(guó)際海工市場(chǎng)具有十分重要的意義。

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