深水FPSO立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

徐田甜

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 天津300459）

引 言

超大型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（FPSO）是深水油田開(kāi)發(fā)的重要工程設(shè)施。FPSO水下立管、電纜的導(dǎo)管和立管廊是船級(jí)社規(guī)范中界定的水下立管和電纜向上部模塊過(guò)渡連接的海洋工程區(qū)設(shè)施。水下立管、電纜與FPSO立管導(dǎo)管的界面是FPSO總包商與UFR（Umbilicals，flowlines and risers）總包商重點(diǎn)管理的關(guān)鍵技術(shù)界面。一些資源國(guó)的石油工業(yè)法規(guī)對(duì)FPSO立管導(dǎo)管及UFR工程還提出了本地化（Local content）要求。

立管導(dǎo)管的作用是避免水下立管和電纜遭受波浪、海流、火災(zāi)、爆炸，以及墜物、船舶碰撞等荷載的破壞，而將UFR荷載傳遞至FPSO船體結(jié)構(gòu)上。深水FPSO的立管導(dǎo)管及基座數(shù)量多，UFR荷載對(duì)FPSO船體結(jié)構(gòu)的海洋工程區(qū)影響范圍大。為保證FPSO船體建造質(zhì)量，縮短FPSO建造總工期，立管導(dǎo)管宜于FPSO船體在干船塢內(nèi)建造期間安裝就位。這些因素對(duì)FPSO船體結(jié)構(gòu)、立管導(dǎo)管和UFR輔助配套裝置（J形管節(jié)、防彎器、限彎器、鐘型嘴和接頭、法蘭接頭等）的設(shè)計(jì)以及建造、交付進(jìn)度和界面管理等，均提出了較高的要求。

本文以一艘西非多點(diǎn)系泊FPSO的舷側(cè)立管導(dǎo)管與基座結(jié)構(gòu)為例，介紹其所屬石油公司的相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的技術(shù)要點(diǎn)和成果。

1 立管導(dǎo)管及基座總體布置

FPSO作業(yè)油田的水深范圍為1 150 ～1 750 m，F(xiàn)PSO船體總長(zhǎng)×型寬×型深尺度為330 m×61 m×33.5 m，滿載吃水25.81 m，最小作業(yè)吃水10.65 m；遠(yuǎn)洋正常拖航和拖航失速（風(fēng)暴自存）工況吃水分別為7.511 m和12.0 m；海上安裝工況吃水9.0 m。FPSO入BV船級(jí)，設(shè)計(jì)壽命25年，并考慮延壽服役15年，以開(kāi)發(fā)周邊的邊際油氣田。

FPSO船體在東北亞船廠建造，船體出塢后在碼頭系泊17個(gè)月，安裝上部模塊。FPSO遠(yuǎn)洋拖航航線為東北亞-中國(guó)南海-巽他海峽-毛里求斯-好望角-西非幾內(nèi)亞灣，濕拖工期為85天；FPSO在西非碼頭系泊7個(gè)月，完成總裝、調(diào)試后出海安裝。FPSO作業(yè)海域/遠(yuǎn)洋拖航航線的設(shè)計(jì)環(huán)境條件參見(jiàn)表1。

表1 FPSO作業(yè)海域/遠(yuǎn)洋拖航航線設(shè)計(jì)環(huán)境條件

FPSO作業(yè)油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)采用自由站立式混合立管（Free standing hybrid riser，F(xiàn)SHR）和柔性動(dòng)態(tài)跨接軟管（Flexible dynamic riser jumper）與FPSO舷側(cè)立管導(dǎo)管底部的J形管節(jié)相連；動(dòng)態(tài)跨接電纜的導(dǎo)管在J形管節(jié)底部再增加安裝限彎鐘型嘴。水下柔性跨接軟管主要參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表2。

FPSO所屬石油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《FPSO總體設(shè)計(jì)總則》要求：水下跨接管、電纜、外輸、系泊設(shè)施的布置應(yīng)考慮船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)；不允許將水下跨接管、電纜的導(dǎo)管布置在船體內(nèi)部，而應(yīng)布置在舷外，并設(shè)防撞保護(hù)設(shè)施。導(dǎo)管的支撐結(jié)構(gòu)不能與其防撞保護(hù)架共用船體基座，避免碰撞事故發(fā)生時(shí)的升級(jí)效應(yīng)。

表2 水下柔性跨接軟管主要參數(shù)

圖1 FPSO舷側(cè)立管導(dǎo)管總體布置

FPSO立管廊設(shè)工藝甲板、主甲板和下甲板。下甲板（頂部標(biāo)高EL.+26.1 m）設(shè)在FPSO滿載吃水線之上，立管導(dǎo)管的頂部界面法蘭高于立管廊下甲板0.5 m，盡量避免波浪拍擊立管關(guān)斷閥，并盡量降低立管懸掛荷載的重心高度，降低立管荷載對(duì)FPSO穩(wěn)性的影響。

FPSO基本設(shè)計(jì)在左、右舷外（FR.145-FR.260）分別布置34根立管導(dǎo)管，相鄰導(dǎo)管縱向間距為3.333 m；導(dǎo)管采用上部、下部分體式結(jié)構(gòu)，部分上部導(dǎo)管和防撞保護(hù)架共用船體上基座，以盡量減小FPSO舷側(cè)上的海洋工程區(qū)，見(jiàn)圖2。

圖2 立管上部導(dǎo)管和防撞保護(hù)架共用上基座（基本設(shè)計(jì)）

詳細(xì)設(shè)計(jì)因考慮水下跨接管、電纜的避碰，對(duì)FPSO多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的定位性能提出了設(shè)計(jì)要求，并改為在FPSO左、右舷外（FR.140-FR.265）分別布置25根導(dǎo)管，相鄰導(dǎo)管縱向間距為5 m，且將導(dǎo)管和防撞保護(hù)架的船體上基座完全分開(kāi)；按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《被動(dòng)防火設(shè)計(jì)總則》對(duì)油、氣立管防火設(shè)計(jì)的要求，改為采用連續(xù)的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)形式，并在油、氣立管導(dǎo)管表面采用被動(dòng)防火（PFP）涂層，見(jiàn)圖3。

圖3 立管導(dǎo)管和船體基座（詳細(xì)設(shè)計(jì)）

立管導(dǎo)管及基座設(shè)計(jì)標(biāo)高見(jiàn)表3。詳細(xì)設(shè)計(jì)為便于在FPSO出海安裝前對(duì)舷外的導(dǎo)管下基座焊縫進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)，將下基座布置在FPSO海上安裝工況吃水線之上；為避免鐘型嘴底部觸碰海床而損壞，將電纜的導(dǎo)管底部標(biāo)高提高1 m。

表3 立管導(dǎo)管及基座設(shè)計(jì)標(biāo)高（距離FPSO船底基線高度）

BV-NR445規(guī)范未對(duì)立管導(dǎo)管提出腐蝕余量設(shè)計(jì)要求，僅要求導(dǎo)管基座設(shè)計(jì)取1 mm腐蝕余量。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《FPSO船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總則》要求立管導(dǎo)管、上基座和下基座設(shè)計(jì)分別取6 mm、6 mm和3 mm腐蝕余量。

FPSO基本設(shè)計(jì)考慮滿足資源國(guó)的石油工業(yè)法規(guī)對(duì)FPSO工程本地化要求，計(jì)劃所有立管導(dǎo)管在西非本地建造、安裝。為盡量縮短FPSO在西非的總裝工期，避免FPSO下水后電纜限彎鐘型嘴處生長(zhǎng)的海生物影響電纜拖拉，避免遠(yuǎn)洋拖航期間波浪拍擊導(dǎo)致鐘型嘴損壞，詳細(xì)設(shè)計(jì)改為將45根立管的導(dǎo)管、J形管節(jié)在東北亞船廠干船塢內(nèi)安裝到FPSO船體上，僅將5根電纜的導(dǎo)管、J形管節(jié)及鐘型嘴在西非總裝碼頭安裝就位。詳細(xì)設(shè)計(jì)的此項(xiàng)改進(jìn)使FPSO在西非碼頭的總裝工期縮短了3個(gè)月。

2 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)靜力分析

2.1 立管導(dǎo)管/UFR界面荷載

立管導(dǎo)管與UFR的界面分別位于立管導(dǎo)管的頂部和底部法蘭處。FPSO設(shè)計(jì)按《國(guó)際防止船舶造成污染公約（MARPOL）2004年修正案》，計(jì)算了FPSO船艙破損工況時(shí)的最大吃水和縱、橫傾角。UFR總包商根據(jù)水下跨接管、電纜產(chǎn)品設(shè)計(jì)和海上安裝方案，確定了“固定式主絞車+可滑動(dòng)吊運(yùn)車”的海上安裝提升系統(tǒng)總體技術(shù)方案；海上安裝提升系統(tǒng)作業(yè)能力考慮正常提升水下原油生產(chǎn)跨接管最大荷載為1 864 kN，動(dòng)載系數(shù)取1.33、安全系數(shù)取1.25，確定主絞車額定提升荷載為3 110 kN。UFR總包商確定的立管導(dǎo)管/UFR界面荷載見(jiàn)表4和表5。

表4 立管導(dǎo)管頂部/UFR界面最大垂向荷載值

表5 立管導(dǎo)管底部/UFR界面最大荷載值

2.2 立管導(dǎo)管及基座有限元分析

立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用PATRAN/NASTRAN軟件建立了FPSO船體中部三列完整原油貨艙段（FR.145-FR.240）95 m長(zhǎng)的有限元模型。對(duì)相鄰立管導(dǎo)管的基座進(jìn)行了應(yīng)力敏感性分析，結(jié)果表明對(duì)某一導(dǎo)管施加UFR荷載后，在其相鄰導(dǎo)管的基座處產(chǎn)生的應(yīng)力很小，可忽略不計(jì)，故僅對(duì)FR.195-2.5 m和FR.195+2.5 m處的兩根立管導(dǎo)管及基座建立細(xì)化有限元模型并施加局部荷載，有限元網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm，見(jiàn)下頁(yè)圖4。立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)靜力分析主要參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表6。

詳細(xì)設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)化各種組合工況對(duì)海流、波浪、風(fēng)荷載的組合模式，按DNV-RP-C205規(guī)范中的Stokes五階波理論和Morison公式計(jì)算導(dǎo)管受到的波浪荷載，再取50%冗余，以此數(shù)值作為海流、波浪、風(fēng)的合成荷載，線性分布施加在導(dǎo)管上，見(jiàn)下頁(yè)圖5。為控制導(dǎo)管自重，將導(dǎo)管分為上、下兩段，分別優(yōu)化各段的壁厚。

圖4 立管導(dǎo)管及基座有限元模型

表6 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)靜力分析主要參數(shù)

圖5 立管導(dǎo)管施加海流、波浪、風(fēng)荷載示意圖

與立管導(dǎo)管基座相關(guān)聯(lián)的FPSO船體的海洋工程區(qū)和船舶區(qū)結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度分別滿足BVNR445和NR467規(guī)范要求；船體結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度滿足DNV-RP-C201規(guī)范要求。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《FPSO船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總則》要求：基座及與之相關(guān)的船體桁材、骨材和加厚板等結(jié)構(gòu)均屬于海洋工程區(qū)。由UFR荷載在FPSO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區(qū)。

立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)的靜力分析組合工況按BV-NR467規(guī)范要求，組合施加FPSO各典型載況的船體受靜水荷載、波浪荷載、貨油艙內(nèi)壓力荷載、運(yùn)動(dòng)慣性荷載和導(dǎo)管受海流、波浪、風(fēng)荷載和運(yùn)動(dòng)慣性荷載等（見(jiàn)表7）。

表7 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)靜力分析工況荷載組合

立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)靜力分析名義應(yīng)力（見(jiàn)下頁(yè)表8）。導(dǎo)管按API-RP-2A-WSD規(guī)范校核，導(dǎo)管的材質(zhì)為EH36，上段、下段壁厚的優(yōu)化結(jié)果分別為25.5 mm和35 mm。按DNV-RP-C205規(guī)范校核表明，導(dǎo)管在正常拖航工況時(shí)不會(huì)發(fā)生因海流引起的渦激振動(dòng)，校核結(jié)果見(jiàn)表9。FPSO舷外的50根立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)總自重質(zhì)量為1 087 t。FPSO總包商確定立管導(dǎo)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)后，UFR總包商再對(duì)立管導(dǎo)管/UFR界面的法蘭、J形管節(jié)和限彎鐘型嘴等進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)分析。

表8 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)靜力分析名義應(yīng)力

圖6 立管導(dǎo)管下基座垂向肘板（艙內(nèi)）名義應(yīng)力云圖（極端環(huán)境工況）

圖7 立管導(dǎo)管名義應(yīng)力云圖（立管事故工況）

表9 立管導(dǎo)管因海流引起渦激振動(dòng)校核結(jié)果（正常拖航工況）

3 立管導(dǎo)管及基座抗爆炸、防火設(shè)計(jì)

3.1 立管區(qū)油氣泄漏擴(kuò)散和爆燃風(fēng)險(xiǎn)分析

圖8 FPSO天然氣外輸立管關(guān)斷閥泄漏擴(kuò)散分布分析結(jié)果

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度級(jí)抗爆炸分析

立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度級(jí)抗爆炸分析應(yīng)用PATRAN/NASTRAN軟件建立了FPSO船體中部三列完整原油貨艙段（FR.145-FR.240）95 m長(zhǎng)的有限元模型，有限元網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。按DNV-RP-C204規(guī)范要求，組合施加FPSO在一年一遇環(huán)境條件時(shí)各典型載況的船體受靜水荷載、波浪荷載、貨油艙內(nèi)壓力荷載和導(dǎo)管受海流、波浪、風(fēng)荷載、UFR界面荷載、爆炸荷載等，見(jiàn)表10。立管導(dǎo)管和基座的爆炸荷載計(jì)算阻力系數(shù)

C

分別取0.5和1.0。按BV-NR445規(guī)范，結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力為1.1倍鋼材的屈服強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)抗爆炸分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力小于許用名義應(yīng)力，見(jiàn)下頁(yè)表11和圖9。

表10 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)抗爆炸分析工況荷載組合

表11 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)抗爆炸分析結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力MPa

3.3 被動(dòng)防火設(shè)計(jì)

FPSO油、氣立管、關(guān)斷閥及立管導(dǎo)管和立管廊是防火安全關(guān)鍵設(shè)施。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《被動(dòng)防火設(shè)計(jì)總則》要求：FPSO的油、氣立管導(dǎo)管、關(guān)斷閥和立管廊主體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用被動(dòng)防火保護(hù)（PFP）涂層，確保在120 min噴射式烴類火災(zāi)事故中立管和關(guān)斷閥的表面溫度不超過(guò)200℃，立管導(dǎo)管及立管廊主體結(jié)構(gòu)的表面溫度不超過(guò)400℃，降低因烴類火災(zāi)引發(fā)立管破裂或關(guān)斷閥無(wú)法執(zhí)行切斷動(dòng)作等引發(fā)大規(guī)模環(huán)境和安全事故的概率。PFP涂層范圍為從最低天文潮以下3 m或年最低涌浪波谷的最低處到立管夾/懸掛裝置、關(guān)斷閥及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)以上2 m處。

圖9 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)變形（兩根導(dǎo)管之間及導(dǎo)管內(nèi)部爆炸工況）

油、氣立管導(dǎo)管及基座的PFP涂層采用環(huán)氧樹(shù)脂，厚度為25.4 mm，每根油、氣立管導(dǎo)管上的PFP涂層自重質(zhì)量為3.1 t。油、氣立管導(dǎo)管及基座PFP涂層見(jiàn)圖10（a）。油、氣立管導(dǎo)管頂部的立管夾/懸掛裝置、關(guān)斷閥外部采用PFP保護(hù)罩，見(jiàn)圖10（b），保護(hù)罩厚度為35 mm，設(shè)計(jì)爆炸超壓峰值

P

為160 kPa。

圖10 油、氣立管導(dǎo)管及基座防火設(shè)計(jì)

4 立管導(dǎo)管及基座疲勞分析

立管導(dǎo)管及基座與FPSO舷側(cè)結(jié)構(gòu)連接處存在應(yīng)力熱點(diǎn)疲勞。疲勞分析應(yīng)用PATRAN軟件建立了FPSO船體中部FR.190至FR.200處的船體及立管導(dǎo)管細(xì)網(wǎng)格有限元子模型?；贒NV-RPC203規(guī)范中的S-N曲線和Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論方法，應(yīng)用DNV SESAM-WADAM、SESTRA、STOFAT軟件分析FR.195-2.5 m和FR.195+2.5 m處的兩根立管導(dǎo)管及基座的疲勞累積損傷，計(jì)算預(yù)報(bào)應(yīng)力熱點(diǎn)處的疲勞壽命。

疲勞分析綜合考慮了FPSO遠(yuǎn)洋拖航、海上安裝和在位操作期間的原油裝卸作業(yè)工況，計(jì)入的荷載包括船體受靜水荷載、波浪荷載、貨油艙內(nèi)壓力荷載、運(yùn)動(dòng)慣性荷載和導(dǎo)管受UFR界面荷載等，得到在FPSO全生命周期內(nèi)的疲勞累積總損傷。FPSO船體、立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)的疲勞壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)為25.75 a，疲勞分析典型工況見(jiàn)表12。A組和B組原油外輸量均為15.1萬(wàn)m。

表12 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)疲勞分析典型工況

立管導(dǎo)管及基座應(yīng)力熱點(diǎn)疲勞分析結(jié)果見(jiàn)表13，應(yīng)力熱點(diǎn)A、B、C分別為按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《FPSO船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總則》取不同疲勞安全系數(shù)的3處疲勞壽命最小的熱點(diǎn)。應(yīng)力熱點(diǎn)A位于導(dǎo)管下基座的艙內(nèi)肘板根部（見(jiàn)圖6），疲勞設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2.0。應(yīng)力熱點(diǎn)B位于FPSO舷側(cè)外板與上基座頂面板焊接處，此處受PFP涂層保護(hù)，疲勞設(shè)計(jì)安全系數(shù)為4.0（見(jiàn)下頁(yè)圖11）。應(yīng)力熱點(diǎn)C位于導(dǎo)管與下基座底面板焊接處（見(jiàn)圖7），此處始終浸沒(méi)于水中，疲勞設(shè)計(jì)安全系數(shù)為10.0（見(jiàn)下頁(yè)圖12）。

表13 立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)應(yīng)力熱點(diǎn)疲勞分析結(jié)果

續(xù)表13

圖11 立管導(dǎo)管上基座應(yīng)力熱點(diǎn)

圖12 立管導(dǎo)管下基座應(yīng)力熱點(diǎn)

按DNV-RP-C203規(guī)范，對(duì)熱點(diǎn)C處400 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的全熔透焊縫提出焊趾打磨技術(shù)要求，作為進(jìn)一步提高其疲勞壽命的補(bǔ)充措施，并可提高在FPSO運(yùn)營(yíng)期中焊縫檢驗(yàn)的可靠性（見(jiàn)下頁(yè)圖13）。

圖13 立管導(dǎo)管與下基座底面板全熔透焊接節(jié)點(diǎn)圖（應(yīng)力熱點(diǎn)C）

5 結(jié) 語(yǔ)

深水FPSO立管導(dǎo)管及基座是船級(jí)社規(guī)范中界定的海洋工程區(qū)的重要結(jié)構(gòu)物，應(yīng)根據(jù)FPSO作業(yè)海域和拖航航線的環(huán)境條件、水下UFR設(shè)施避碰、立管海上安裝方案和石油公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，合理地布置立管導(dǎo)管及基座。FPSO和UFR設(shè)計(jì)方應(yīng)在基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段協(xié)同、優(yōu)化，確定各設(shè)計(jì)工況的立管導(dǎo)管/UFR界面荷載。立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)同時(shí)受海流、波浪、風(fēng)荷載，應(yīng)合理簡(jiǎn)化環(huán)境荷載的組合模式和算法。

立管導(dǎo)管及基座工程設(shè)計(jì)中應(yīng)開(kāi)展防火、抗爆炸和抗船舶碰撞等事故工況的風(fēng)險(xiǎn)分析，為工程設(shè)計(jì)提供相關(guān)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)。FPSO工程設(shè)計(jì)按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求開(kāi)展了立管區(qū)油氣泄漏擴(kuò)散、燃爆連鎖風(fēng)險(xiǎn)定量分析，確定了立管導(dǎo)管及基座設(shè)計(jì)爆炸超壓。立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)抗爆炸事故工況的強(qiáng)度分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于許用應(yīng)力。油、氣立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行被動(dòng)防火設(shè)計(jì)?；诶鄯e損傷的分析方法，可預(yù)報(bào)立管導(dǎo)管及基座結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)壽命要求。