FPSO多點(diǎn)系泊掣鏈器基座結(jié)構(gòu)分析

徐田甜

中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100028

超大型FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置）是海上油田開(kāi)發(fā)的重要工程設(shè)施。永久式系泊定位系統(tǒng)是事關(guān)FPSO安全的關(guān)鍵裝備。多點(diǎn)系泊FPSO作業(yè)于有主控波浪等環(huán)境荷載方向、環(huán)境條件較溫和的特定海域。FPSO多點(diǎn)系泊系統(tǒng)總體布置設(shè)計(jì)時(shí)，將FPSO船首對(duì)著主控波浪等環(huán)境荷載的來(lái)向，使系泊系統(tǒng)受環(huán)境荷載為最小，確保FPSO的位移和船首取向范圍滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和水下立管、油氣外輸管、電纜等生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)安全要求。

FPSO多點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要包括：甲板機(jī)械、導(dǎo)鏈裝置、系泊纜、系泊錨鏈、海底定位錨、系泊現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和完整性管理系統(tǒng)等。深水多點(diǎn)系泊系統(tǒng)與超大型FPSO船體結(jié)構(gòu)之間有多處界面，是FPSO工程總承包商負(fù)責(zé)管理的關(guān)鍵技術(shù)界面之一；深水多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束前提條件多，所需設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)多，各設(shè)計(jì)參數(shù)間的制約關(guān)系復(fù)雜[1]。同時(shí)，多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的廠家交貨期較長(zhǎng)，通常在采購(gòu)合同簽訂后12～16個(gè)月交付，系統(tǒng)技術(shù)選型和界面管理從基本設(shè)計(jì)（Front-End Engineering Design）時(shí)起即須開(kāi)展。一些國(guó)家的法規(guī)對(duì)FPSO和系泊系統(tǒng)工程提出了本地化（Local Content）要求，一些工程公司的標(biāo)準(zhǔn)化超大型FPSO船體設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧多點(diǎn)系泊和內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，給FPSO和系泊系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建造界面管理帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

掣鏈器是多點(diǎn)系泊系統(tǒng)必不可少的重要裝置。本文以一艘深水超大型FPSO多點(diǎn)系泊掣鏈器及基座為例，介紹其所屬公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)總則》及多點(diǎn)系泊掣鏈器及基座結(jié)構(gòu)分析的要點(diǎn)和成果。

1 FPSO系泊總體方案

FPSO船體為330 m×61 m×33.5 m[2]，滿載排水量499 202 t，入BV船級(jí)；多點(diǎn)系泊系統(tǒng)取得BV POSA和ALM入級(jí)符號(hào)，滿足FPSO服役25年不解脫，滿足35萬(wàn)載重噸級(jí)原油船串靠FPSO外輸作業(yè)要求，并考慮服役之前的3年建設(shè)期間的腐蝕冗余。FPSO兩舷側(cè)中部各設(shè)25處水下立管、電纜的懸掛點(diǎn)，相鄰懸掛點(diǎn)的縱向間距為5 m[3]。FPSO多點(diǎn)系泊總體布置示意見(jiàn)圖1，將船首對(duì)著主涌波浪傳播方向范圍的中央，系泊采用在四個(gè)角布置4組共16根懸鏈線纜的模式，相鄰系泊纜之間的夾角為2°；系泊纜布置要確保系泊纜與水下立管等設(shè)施的間距滿足規(guī)范要求，不會(huì)發(fā)生干涉碰撞；每根系泊纜由上部錨鏈、中部鋼纜和海底錨鏈組成，上部和海底錨鏈均為R3級(jí)無(wú)檔鏈。FPSO采用4臺(tái)軌道式行走錨機(jī)，每臺(tái)錨機(jī)進(jìn)行1組4根系泊纜的提升安裝，錨機(jī)額定拉力為3 600 kN，錨機(jī)基座下設(shè)有錨鏈艙。對(duì)FPSO火炬緊急燃燒和連續(xù)燃燒工況進(jìn)行熱輻射分析得出：船尾左舷錨機(jī)處的最大熱輻射強(qiáng)度分別為3.38 kW/m2（要求小于4.7 kW/m2） 和1.71 kW/m2（要求小于2.0 kW/m2），滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。16個(gè)定位吸力錨（P1～P8，S1～S8）所處海域水深范圍為1 432～1 513 m，每個(gè)吸力錨與FPSO舷側(cè)的掣鏈器的水平距離為2 100 m。

圖1 FPSO多點(diǎn)系泊總體布置示意

FPSO作業(yè)海域的設(shè)計(jì)環(huán)境條件見(jiàn)表1。為減少系泊荷載對(duì)FPSO穩(wěn)性的不利影響，多點(diǎn)系泊系統(tǒng)在FPSO舷側(cè)布置見(jiàn)圖2，采用水下出鏈方案[5]，每根上部錨鏈由FPSO舷側(cè)水下的掣鏈器控制，并在舷側(cè)外采用保護(hù)架，避免發(fā)生船舶碰撞系泊設(shè)施的意外事故[6]。

表1 FPSO作業(yè)海域設(shè)計(jì)環(huán)境條件

圖2 多點(diǎn)系泊系統(tǒng)在FPSO舷側(cè)布置

2 FPSO系泊分析

2.1 FPSO系泊分析工況

FPSO系泊系統(tǒng)如發(fā)生斷纜事故通常需6～12個(gè)月才能完成修復(fù)。FPSO所屬公司針對(duì)系泊系統(tǒng)事故的教訓(xùn)，編制了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)總則》，對(duì)斷纜事故工況提出了特殊要求，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)須考慮2根纜破斷的事故工況，以確定在修復(fù)斷纜之前維持生產(chǎn)的可能性，即任意2根纜破斷后仍可維持FPSO定位，1根纜破斷后仍可調(diào)整剩余的系泊纜上部錨鏈的長(zhǎng)度，保證FPSO在10年一遇環(huán)境條件下仍可維持臨時(shí)生產(chǎn)。FPSO在拖船的輔助下仍能在1年一遇環(huán)境條件下進(jìn)行原油外輸。該標(biāo)準(zhǔn)還要求FPSO系泊系統(tǒng)須額外采購(gòu)并始終保有1根由上部錨鏈、中部鋼纜和海底錨鏈組成的完整系泊纜作為應(yīng)急維修的備件。

FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 19901-7、美國(guó)石油學(xué)會(huì)API-RP-2SK和挪威船級(jí)社DNVGL-OS-E301等規(guī)范的要求[7-10]。系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用法國(guó)船級(jí)社的ARIANE7軟件，將FPSO船體與系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)作為一個(gè)整體求解，其中FPSO船體的水動(dòng)力系數(shù)、一階波浪力以及二階波浪力首先應(yīng)用WAMIT軟件在頻域中計(jì)算，然后將其轉(zhuǎn)換到時(shí)域內(nèi)，聯(lián)立求解方程得到耦合系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)[11]。系泊系統(tǒng)的回復(fù)力可通過(guò)求解系泊纜的動(dòng)力學(xué)微分方程獲得。在已知水動(dòng)力系數(shù)、波浪、風(fēng)、流荷載和系泊回復(fù)力的基礎(chǔ)上，F(xiàn)PSO系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程可表達(dá)為[12]：

式中：M為FPSO浮體質(zhì)量矩陣；A（∞）為頻率無(wú)窮大時(shí)FPSO浮體的附加質(zhì)量矩陣；（t）為位移矢量；Kx（t）為靜水力回復(fù)剛度矩陣；h（t）為加速度卷積積分函數(shù)；F（t）為總的外部力，包括波浪激勵(lì)力（一階波浪力及二階波浪力）、系泊力、漂移力、阻尼力和定常力等。

FPSO總體設(shè)計(jì)按《國(guó)際防止船舶造成污染公約（MARPOL） 2004年修正案》要求，計(jì)算了FPSO船艙破損工況時(shí)的最大縱、橫傾角和掣鏈器的方向角范圍，確定保護(hù)架的底部高程，確保保護(hù)架被供應(yīng)船碰撞變形后，保護(hù)架與掣鏈器之間的間距仍大于300 mm[4]。詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了系泊設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)的敏感性分析，考慮了波浪譜峰周期敏感性、系泊纜長(zhǎng)度和預(yù)張力誤差、吸力錨位置和角度安裝誤差、水下立管和油氣外輸管等因素對(duì)系泊設(shè)計(jì)的影響，為考慮合理的設(shè)計(jì)冗余提供依據(jù)。此外，詳細(xì)設(shè)計(jì)還進(jìn)行了FPSO的風(fēng)洞模型試驗(yàn)和系泊模型水池試驗(yàn)；風(fēng)洞模型試驗(yàn)測(cè)定了FPSO風(fēng)、流荷載系數(shù)[13]；考慮到實(shí)際作業(yè)水深和試驗(yàn)水池水深有限的矛盾，系泊模型水池試驗(yàn)采用了混合截?cái)嗍侥Ｐ驮囼?yàn)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[14]。FPSO系泊錨鏈、纜主要設(shè)計(jì)參數(shù)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表2和表3；上部錨鏈的直徑按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮了0.4 mm/a的腐蝕冗余。

表2 FPSO系泊錨鏈、纜主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 FPSO系泊設(shè)計(jì)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求及詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果

2.2 掣鏈器與船體界面荷載

FPSO系泊系統(tǒng)分析得出了在位操作、極端環(huán)境工況時(shí)，掣鏈器與船體界面處的荷載。根據(jù)DNVGL-OS-E301規(guī)范的要求，考慮FPSO的橫搖和縱搖，掣鏈器的水平面工作范圍角α（Horizontal design working range，DWR） 和垂向入口方向角β（Vertical design inlet angle，DIA） 須考慮 ±10°的冗余，其示意見(jiàn)圖3，界面處的荷載見(jiàn)表4[9]。

圖3 掣鏈器與FPSO船體界面荷載方向角示意

表4 掣鏈器與船體界面荷載（在位操作、極端環(huán)境工況）

按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，系泊纜事故工況時(shí)任一掣鏈器處應(yīng)能承受1.1倍的懸鏈線上最薄弱部件的最小破斷拉力及殘留的懸鏈線設(shè)施的重力，同時(shí)組合考慮同一組的其他掣鏈器處均承受1年一遇環(huán)境條件下的系泊拉力；系泊纜海上安裝工況時(shí)，水下立管、電纜、油氣外輸管等設(shè)施還未與FPSO連接，允許FPSO的平衡位置可偏離設(shè)計(jì)就位坐標(biāo)點(diǎn)5 m，界面處的荷載見(jiàn)表5。按《國(guó)際防止船舶造成污染公約（MARPOL）2004年修正案》要求，計(jì)算了FPSO船艙破損工況時(shí)的最大縱、橫傾角和掣鏈器的方向角范圍，此時(shí)所有掣鏈器處均承受1年一遇環(huán)境條件時(shí)的系泊拉力，見(jiàn)表6。

表5 掣鏈器與船體界面荷載（系泊纜事故、海上安裝工況）

表6 掣鏈器與船體界面荷載（船艙破損工況）

3 掣鏈器基座結(jié)構(gòu)分析

單個(gè)掣鏈器的產(chǎn)品基座（見(jiàn)圖4）從上至下依次為：止升基座、上基座、下基座和拖航/水下維修綁扎基座，由掣鏈器廠家負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、交付。掣鏈器的產(chǎn)品基座結(jié)構(gòu)分析按DNV-RP-C208規(guī)范考慮材料的彈塑性。按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，基座的最大塑性應(yīng)變小于5%；按DNV-RP-C203規(guī)范校核基座的疲勞壽命，F(xiàn)PSO舷外掣鏈器基座結(jié)構(gòu)和艙內(nèi)船體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命安全系數(shù)分別取10.0和5.0。按FPSO船體設(shè)計(jì)的要求，掣鏈器基座結(jié)構(gòu)板材厚度不能超過(guò)60 mm，且按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，板材厚度考慮6 mm的腐蝕冗余。

圖4 單個(gè)掣鏈器的產(chǎn)品基座組成

3.1 在位操作、極端環(huán)境和船艙破損工況

掣鏈器產(chǎn)品基座結(jié)構(gòu)分析包括FPSO在位操作、極端環(huán)境和船艙破損工況。應(yīng)用ANSYS軟件建立了掣鏈器和產(chǎn)品基座的整體有限元分析模型，計(jì)入掣鏈器和基座各部件的剛性以及掣鏈器轉(zhuǎn)動(dòng)軸和基座軸孔之間的非線性接觸，使系泊拉力合理地傳遞到基座上，以便得到基座與船體界面處的準(zhǔn)確荷載。應(yīng)用ANSYS軟件建立了掣鏈器各產(chǎn)品基座的獨(dú)立有限元分析模型，施加界面荷載，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變。下基座軸孔處的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.98%，見(jiàn)圖5。

圖5 掣鏈器下基座軸孔處的塑性應(yīng)變

3.2 遠(yuǎn)洋拖航和海上安裝工況

掣鏈器的拖航綁扎基座設(shè)計(jì)借鑒了同一遠(yuǎn)洋拖航航線（東北亞-馬六甲-好望角-西非） 上的某FPSO濕拖時(shí)掣鏈器與基座綁扎件斷裂導(dǎo)致掣鏈器嚴(yán)重?fù)p壞的事故教訓(xùn)，考慮掣鏈器上的風(fēng)荷載、由波浪破碎引起的升力、阻力以及船體運(yùn)動(dòng)慣性荷載，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和DNV-RP-C205規(guī)范校核拖航綁扎相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。FPSO遠(yuǎn)洋濕拖工期為85 d[2]，考慮正常拖航和拖航失速工況，見(jiàn)表7。掣鏈器受到的縱向、橫向和垂向最大荷載分別為0.12 g、0.41g和0.47g，縱向、橫向和垂向最大波浪破碎力分別為826 kN、1 487 kN和139 kN。掣鏈器和綁扎基座有限元分析見(jiàn)圖6。

表7 FPSO遠(yuǎn)洋拖航和海上安裝工況設(shè)計(jì)條件

圖6 掣鏈器和拖航綁扎基座結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力云圖

FPSO甲板錨機(jī)提升安裝系泊錨鏈的海上安裝工況按錨機(jī)的額定拉力和1年一遇環(huán)境條件的荷載校核掣鏈器及基座設(shè)計(jì)。此外，止升基座設(shè)計(jì)須考慮錨機(jī)進(jìn)行系泊錨鏈提升安裝時(shí)，錨鏈環(huán)卡在掣鏈器內(nèi)部的故障工況，止升基座對(duì)掣鏈器頂部起到限位作用，止升基座受到4 905 kN的頂升力。止升基座結(jié)構(gòu)最大名義應(yīng)力為144 MPa，小于許用應(yīng)力234 MPa，見(jiàn)圖7。

圖7 掣鏈器止升基座結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力云圖

4 FPSO船體結(jié)構(gòu)分析

4.1 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求

掣鏈器基座與船體之間的界面是FPSO海洋工程影響范圍（Offshore Area）內(nèi)的關(guān)鍵界面之一。與掣鏈器基座相關(guān)聯(lián)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足BVNR445、NR467和DNV-RP-C201規(guī)范要求。按公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《FPSO船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總則》的要求，掣鏈器基座應(yīng)布置在船體強(qiáng)桁材上。掣鏈器基座相關(guān)聯(lián)的船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)處應(yīng)有永久性檢查入口。船體基座拖航、海上安裝工況結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力和在位操作工況結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力相同；極端環(huán)境工況結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力為在位操作工況結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力的1.33倍；事故工況結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力為在位操作工況結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力的1.67倍。

掣鏈器基座及與之相關(guān)的船體局部加強(qiáng)艙壁、桁材、骨材和加厚板等結(jié)構(gòu)均屬于海洋工程影響范圍，見(jiàn)圖8（a）。由掣鏈器荷載在船體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的名義應(yīng)力（Von Mises應(yīng)力） 超過(guò)30 MPa的范圍也屬于海洋工程的影響范圍。掣鏈器下基座對(duì)FPSO舷側(cè)平臺(tái)甲板的海洋工程影響范圍見(jiàn)圖8（b）。

4.2 船體總縱彎曲分析

FPSO在船體傾斜時(shí)，除了在垂向產(chǎn)生總縱彎曲以外，還會(huì)在水平向產(chǎn)生總縱彎曲。每一組的4個(gè)掣鏈器的上基座連結(jié)為一體后的縱向總長(zhǎng)為10 m，與掣鏈器基座相關(guān)的船體設(shè)計(jì)應(yīng)按BV-NR445規(guī)范要求，考慮承受FPSO垂向、水平向總縱彎曲荷載的組合工況，見(jiàn)表8。

圖8 掣鏈器基座對(duì)FPSO船體結(jié)構(gòu)的海洋工程影響范圍

FPSO船體設(shè)計(jì)應(yīng)用 MSC/PATRAN、NASTRAN軟件建立了船首80 m長(zhǎng)和船尾90 m長(zhǎng)的艙段有限元模型，按BV-NR445規(guī)范組合施加船體的垂向、水平向總縱彎曲、船體運(yùn)動(dòng)慣性、舷外海水壓力和艙內(nèi)液體壓力等荷載，計(jì)算每組掣鏈器基座處15 m長(zhǎng)度內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)總縱彎曲應(yīng)力和應(yīng)變。FPSO船首、船尾段總縱彎曲最大變形如圖9所示，最大變形見(jiàn)表9。

4.3 掣鏈器基座與船體結(jié)構(gòu)分析

FPSO詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，分別在船首和船尾艙段有限元模型中再施加掣鏈器基座處的界面荷載，分析得出船體結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力，見(jiàn)表10。

因掣鏈器廠家僅對(duì)產(chǎn)品基座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，未考慮FPSO船體總縱彎曲荷載的影響因素，故FPSO工程總承包商重點(diǎn)檢查了基座與船體界面處的應(yīng)力熱點(diǎn)，確定了界面處的過(guò)渡節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)、全熔透焊接范圍和焊縫設(shè)計(jì)，并再次對(duì)掣鏈器的產(chǎn)品基座局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)力和疲勞壽命核實(shí)，見(jiàn)圖10。基座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)是結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，按DNV-RP-C203、C206規(guī)范和有限元法計(jì)算基座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)（SCF），其最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.11。分析結(jié)果表明，F(xiàn)PSO舷外掣鏈器基座結(jié)構(gòu)和艙內(nèi)船體結(jié)構(gòu)的最小疲勞壽命分別為589年和4 731年。掣鏈器下基座與FPSO舷側(cè)外板焊接節(jié)點(diǎn)圖見(jiàn)圖11。

表8 FPSO船體總縱彎曲荷載

圖9 FPSO船首、船尾段總縱彎曲變形（100年一遇環(huán)境條件）

表9 FPSO船體總縱彎曲最大變形

5 結(jié)束語(yǔ)

以深水超大型FPSO多點(diǎn)系泊掣鏈器及基座為分析對(duì)象，按公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、船級(jí)社規(guī)范對(duì)FPSO多點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況的要求，運(yùn)用時(shí)域耦合水動(dòng)力分析方法，計(jì)算了系泊纜拉力和掣鏈器與船體界面處的荷載。運(yùn)用有限元分析方法，計(jì)算了掣鏈器、基座及FPSO船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確定了掣鏈器基座對(duì)FPSO船體結(jié)構(gòu)的影響范圍，預(yù)測(cè)了掣鏈器基座和FPSO船體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。FPSO多點(diǎn)系泊掣鏈器及基座的設(shè)計(jì)分析成果可為FPSO船體和系泊系統(tǒng)的完整性管理提供技術(shù)依據(jù)。

表10 掣鏈器基座與船體結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力

圖10 掣鏈器基座和船體結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力云圖（2根纜破斷，100年一遇環(huán)境條件）

圖11 掣鏈器下基座與FPSO舷側(cè)外板焊接節(jié)點(diǎn)圖