深水浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置海水提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張美榮，徐田甜，何寧強(qiáng)，陳 卓

（1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.中海石油 （中國(guó)）有限公司 天津分公司，天津 300459）

超大型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置（FPSO）是深水油田開發(fā)的重要工程設(shè)施。海水冷卻系統(tǒng)是FPSO正常生產(chǎn)必須的公用系統(tǒng)之一。FPSO海水冷卻系統(tǒng)有船舶機(jī)艙海水冷卻系統(tǒng)和舷外潛沒式海水提升系統(tǒng)2種。舷外潛沒式海水提升系統(tǒng)的應(yīng)用可降低FPSO機(jī)艙海水泵的排量和海水管道的尺寸，縮小FPSO的機(jī)艙尺度，使海水提升系統(tǒng)具有更高的可靠性和可維護(hù)性［1-2］。

文中以某石油公司一艘深水多點(diǎn)系泊FPSO海水提升系統(tǒng)為例，結(jié)合該公司制定的《FPSO總體設(shè)計(jì)總則》（簡(jiǎn)稱企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 1）、《FPSO船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總則》（簡(jiǎn)稱企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2）以及《玻璃鋼（Glass reinforced epoxy）管道應(yīng)力設(shè)計(jì)總則》（簡(jiǎn)稱企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3）的要求，介紹海水提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)和成果。

1 海水提升系統(tǒng)總體方案

1.1 FPSO概況

FPSO作業(yè)油田的水深范圍為1 150～1 750 m，船體主尺度（總長(zhǎng)×型寬×型深）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)洋拖航最小和最大吃水分別為7.511 m和12.0 m,近海拖航吃水為8.3 m。FPSO入BV船級(jí)，設(shè)計(jì)壽命 25 a，并可延長(zhǎng)服役 15 a［3-8］。

1.2 海水提升系統(tǒng)概況

1.2.1 設(shè)計(jì)條件參數(shù)

FPSO海水提升系統(tǒng)主要由4臺(tái)潛沒式海水提升泵（簡(jiǎn)稱提升泵）、提升泵保護(hù)管（簡(jiǎn)稱護(hù)管）、海水玻璃鋼管道（簡(jiǎn)稱管道）、海水提升軟管（簡(jiǎn)稱軟管）等核心設(shè)施，以及管道支架平臺(tái)、海上安裝支架、防撞保護(hù)架等輔助設(shè)施組成。提升泵在護(hù)管內(nèi)，泵頭定位在護(hù)管底部，每根護(hù)管底端下方懸掛8節(jié)軟管，每節(jié)軟管長(zhǎng)10.53 m。海水提升系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)條件參數(shù)見表1。

表1 海水提升系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)條件參數(shù)

1.2.2 環(huán)境條件

FPSO作業(yè)海域/拖航航線設(shè)計(jì)環(huán)境條件見表2。

表2 FPSO作業(yè)海域/拖航航線環(huán)境條件

1.2.3 護(hù)管布置

護(hù)管是提升泵的外部保護(hù)設(shè)施，護(hù)管內(nèi)徑1.2 m，滿足泵頭可順利下放到護(hù)管底端的要求。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1要求，①不允許將護(hù)管布置在FPSO船體內(nèi)部，同時(shí)FPSO舷外設(shè)施的布置應(yīng)考慮船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)。②不允許護(hù)管與其防撞保護(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)。保護(hù)架被撞變形后與護(hù)管的間距應(yīng)大于 300 mm［3-5］。按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1將護(hù)管布置在FPSO右舷外，設(shè)置護(hù)管防撞保護(hù)架，設(shè)置護(hù)管專用船體基座，總體布置見圖1。

圖1 FPSO右舷護(hù)管總體布置

1.2.4 護(hù)管及船體基座標(biāo)高

每根護(hù)管的3個(gè)船體基座分別設(shè)置在FPSO舷側(cè)上、中、下位置，對(duì)應(yīng)稱作上基座、中基座及下基座。護(hù)管頂端與FPSO主甲板等高，便于布置海水玻璃鋼管道及管道支架。下基座布置在FPSO最小作業(yè)吃水之上，便于下基座焊縫的檢測(cè)和修復(fù)。護(hù)管的底端高程滿足FPSO最小作業(yè)吃水以及最大傾斜工況時(shí)仍能保證海水提升的技術(shù)要求［4-5］。為避免FPSO拖航工況時(shí)泵頭觸碰海床，將護(hù)管臨時(shí)提升、焊接固定在上基座處，使護(hù)管底端在FPSO船底之上1.2 m。

護(hù)管及船體基座標(biāo)高（距離FPSO船底基線高度）見表 3。

表3 護(hù)管及船體基座標(biāo)高 m

1.3 海水提升系統(tǒng)建造及安裝方案

FPSO在船廠建造，通過遠(yuǎn)洋拖航至油田，現(xiàn)場(chǎng)安裝。拖航工期為85 d，油田現(xiàn)場(chǎng)海上安裝工期為6個(gè)月［5-6］。為縮短海上安裝工期，在拖航工況時(shí)每根護(hù)管內(nèi)預(yù)先安裝3節(jié)軟管，F(xiàn)PSO在油田系泊定位后切除上基座處的臨時(shí)固定肘板，用海上安裝支架將護(hù)管下放11.2 m，現(xiàn)場(chǎng)焊接上基座面板上的環(huán)形焊縫和肘板，再用主起重機(jī)將5節(jié)軟管依次下放，然后下放安裝海水提升泵頭。FPSO海水提升系統(tǒng)建造及安裝過程關(guān)鍵工序示圖見圖2。

圖2 FPSO海水提升系統(tǒng)建造及安裝過程關(guān)鍵工序示圖

1.4 護(hù)管及船體基座裝配

護(hù)管安裝建造工藝要求管內(nèi)徑誤差小于±5 mm，同心度誤差小于10 mm，垂直度誤差要求每3 m管長(zhǎng)小于1 mm。為保證護(hù)管下放時(shí)能順利穿過基座，在保證護(hù)管建造工藝要求的前提下，在上基座面板環(huán)形焊縫處預(yù)留3 mm裝配間隙。在護(hù)管與中基座間、護(hù)管與下基座間均預(yù)留23 mm間隙，基座內(nèi)壁上設(shè)13 mm厚的氯丁橡膠層，即護(hù)管與氯丁橡膠層間預(yù)留了10 mm的間隙。上基座承受護(hù)管的全部垂向荷載，中基座與下基座的作用僅為限制護(hù)管的水平位移，不承受護(hù)管的垂向荷載。護(hù)管及船體基座裝配界面見圖3。

圖3 護(hù)管及船體基座裝配界面

2 護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)分析

2.1 泵和軟管懸掛荷載

單根護(hù)管底端下方懸掛的軟管自重為22.6 t。軟管懸掛縱向、橫向和垂向荷載分別取軟管自重的30%、30%和115%。每根護(hù)管內(nèi)的泵設(shè)備、管道自重合計(jì)為13.7 t。提升泵是旋轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，考慮設(shè)備旋轉(zhuǎn)扭矩的影響，自重荷載取25%的冗余系數(shù)，施加在每根護(hù)管的頂端。

2.2 有限元分析

2.2.1 對(duì)象結(jié)構(gòu)建模

應(yīng)用PATRAN/NASTRAN軟件建立FPSO船首部110 m長(zhǎng)艙段（FR.0-FR.110肋位）的結(jié)構(gòu)有限元模型,見圖4。有限元網(wǎng)格尺寸小于100 mm×100 mm，應(yīng)力熱點(diǎn)區(qū)的有限元細(xì)網(wǎng)格尺寸級(jí)別為2t× 2t（t為構(gòu)件厚度）。

圖4 FPSO船首部艙段結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2.2 應(yīng)力分析參數(shù)

護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)靜力分析采用的主要條件參數(shù)見表4。

表4 護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)靜力分析主要條件參數(shù)

2.2.3 應(yīng)力分析要點(diǎn)

按 DNVGL-RP-C205—2010《Environmental Conditions and Environmental Loads》［9］中Stokes五階波理論和Morison公式計(jì)算護(hù)管受到的最大波浪、海流荷載，以此最大荷載值線性分布施加在4根護(hù)管中心線上，加載時(shí)環(huán)境荷載方向分別取 0°、45°、90°和 135°。在位操作、極端環(huán)境、FPSO船艙破損以及遠(yuǎn)洋拖航工況時(shí)，護(hù)管上波浪、海流荷載分別為 3.80 kN/m、5.46 kN/m、3.80 kN/m和21.82 kN/m。護(hù)管內(nèi)的海水質(zhì)量及水平向慣性荷載也施加在護(hù)管中心線上。

FPSO總體設(shè)計(jì)時(shí)，按《國(guó)際防止船舶造成污染公約（MARPOL）73/78》［10］計(jì)算船艙破損工況時(shí)的最大吃水和縱、橫傾角［7-8］。按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2，護(hù)管和中、下基座取6 mm腐蝕裕量，上基座取3 mm腐蝕裕量，艙內(nèi)船體結(jié)構(gòu)取0.5 mm腐蝕裕量。FPSO船體海洋工程區(qū)的結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度滿足BV-NR445—2013 《Rules for the Classification of Offshore Units》［11］要求，船舶區(qū)的結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度滿足BV-NR467—2013《Rules for the Classification of Steel Ships》［12］要求，船體結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度滿足DNVGL-RP-C201—2010《Buckling Strength of Plated Structures》［13］要求。按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2，基座及與之相關(guān)的船體艙壁、桁材、骨材和加厚板等結(jié)構(gòu)均屬于海洋工程區(qū)，護(hù)管荷載在FPSO船體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的名義應(yīng)力 （Von Mises應(yīng)力）超過30 MPa的范圍也屬于海洋工程區(qū)。

按照BV-NR467—2013，進(jìn)行護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)靜力分析時(shí)組合施加FPSO各典型荷載工況時(shí)的船體荷載，護(hù)管受波浪、海流荷載，運(yùn)動(dòng)慣性荷載和軟管懸掛荷載等，荷載組合見表5［12］。其中FPSO船體承受荷載包括靜水荷載、波浪荷載、貨油艙內(nèi)壓力荷載和運(yùn)動(dòng)慣性荷載。

表5 護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)靜力分析荷載組合

2.2.4 應(yīng)力分析結(jié)果

護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)許用名義應(yīng)力見表6，構(gòu)件最大名義應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表7。根據(jù)護(hù)管強(qiáng)度分析結(jié)果確定的護(hù)管壁厚為24 mm。按照DNVGL-RP-C205—2010進(jìn)行校核，結(jié)果表明護(hù)管在拖航工況時(shí)不會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)。

表6 護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)許用名義應(yīng)力

表7 護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大名義應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.2.5 應(yīng)力熱點(diǎn)位置

根據(jù)護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力分析結(jié)果確定的應(yīng)力熱點(diǎn)分布見圖5。其中，應(yīng)力熱點(diǎn)A位于護(hù)管下基座面板趾端位置，應(yīng)力熱點(diǎn)B位于上基座面板海上現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)形焊縫位置，應(yīng)力熱點(diǎn)C位于上基座面板趾端位置。

圖5 護(hù)管及船體基座結(jié)構(gòu)應(yīng)力熱點(diǎn)分布

2.3 船體基座疲勞分析

2.3.1 建模及分析方法

應(yīng)用 PATRAN軟件建立 FPSO船體 FR.65～FR.80肋位處的舷側(cè)及護(hù)管基座結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格有限元模型，見圖6。應(yīng)力熱點(diǎn)區(qū)的精細(xì)化有限元網(wǎng)格尺寸級(jí)別為 t×t?；?DNVGL-RP-C203—2012 《Fatigue Design of Offshore Steel Structures》［14］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軟件分析基座的疲勞累積損傷，計(jì)算應(yīng)力熱點(diǎn)的疲勞壽命。

圖6 船體基座疲勞分析有限元模型

2.3.2 工況參數(shù)

船體基座疲勞分析典型工況參數(shù)見表8?；Y(jié)構(gòu)疲勞綜合考慮了FPSO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)慣性荷載和軟管懸掛荷載等，得到在FPSO全生命周期內(nèi)的疲勞累積總損傷?；Y(jié)構(gòu)的疲勞壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)為25.5 a，其中包括在位操作時(shí)間25 a和海上安裝時(shí)間0.5 a。FPSO的20個(gè)貨油艙中的原油分為A組和B組交替進(jìn)行外輸，A組和B組原油外輸量均為15.1萬m3。

表8 船體基座疲勞分析典型工況參數(shù)

2.3.3 分析結(jié)果

船體基座應(yīng)力熱點(diǎn)疲勞分析結(jié)果見表9。其中，疲勞設(shè)計(jì)安全系數(shù)SF按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2取值。S-N曲線按照DNVGL-RP-C203—2012中相關(guān)規(guī)定選取。

表9 船體基座應(yīng)力熱點(diǎn)疲勞分析結(jié)果

2.3.4 焊接技術(shù)要求

應(yīng)力熱點(diǎn)B環(huán)焊縫焊接節(jié)點(diǎn)圖見圖7，應(yīng)力熱點(diǎn)C焊接節(jié)點(diǎn)圖見圖8。圖8中，基座面板厚t為 26 或 30 mm，a=5 mm，b=25 mm，h=25 mm。按照DNVGL-RP-C203—2012，對(duì)應(yīng)力熱點(diǎn) C處 250 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的焊縫提出了背刨清根和焊趾平整的技術(shù)要求，此要求是進(jìn)一步提高焊縫疲勞壽命的補(bǔ)充措施，同時(shí)有利于提高FPSO運(yùn)營(yíng)期內(nèi)焊縫檢驗(yàn)可靠性［15］。

圖7 應(yīng)力熱點(diǎn)B焊接要求圖

圖8 應(yīng)力熱點(diǎn)C焊接要求圖

3 管道支架平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

海水提升系統(tǒng)在FPSO主甲板以上的海水管道采用玻璃鋼管。玻璃鋼管耐腐蝕、耐高溫、材質(zhì)輕并且水力學(xué)性能好，在FPSO的海水系統(tǒng)有廣泛應(yīng)用［16］。玻璃鋼管道設(shè)計(jì)中考慮了自重荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、船體變形荷載和運(yùn)動(dòng)慣性荷載等［17］。按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3，僅承受自重荷載的玻璃鋼管道垂向變形應(yīng)小于10 mm。應(yīng)用CAESAR II軟件建立海水系統(tǒng)玻璃鋼管道分析模型，進(jìn)行應(yīng)力分析和水錘分析。

根據(jù) ASME B31.3—2016《Process Piping》［18］，評(píng)估玻璃鋼管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、偶然應(yīng)力、管道支架支反力以及管口荷載等。應(yīng)用SACS軟件建立管道支架平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析模型，采用CAESAR II軟件分析管道在限位支座上的支反力荷載，分析管道支架平臺(tái)在位操作、極端環(huán)境、拖航、FPSO船艙破損等工況的強(qiáng)度和剛度。

FPSO海水提升系統(tǒng)玻璃鋼管道支架結(jié)構(gòu)分析模型見圖9。FPSO船艙破損工況時(shí)船體橫傾角取為25°，對(duì)圖9中管道支架平臺(tái)上玻璃鋼管的x、y向限位支座 （包括x向支座 1個(gè)、y向支座 2個(gè)）進(jìn)行反力分析，結(jié)果見表10。管道支架平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果滿足API RP 2A WSD 21st,2007(R-2010)《Recommended Practice for Planning,Designing,and Constructing Fixed Offshore Platforms — Working Stress Design》［19］要求。

圖9 海水玻璃鋼管道支架結(jié)構(gòu)分析模型

表10 FPSO船艙破損工況玻璃鋼管道限位支座支反力

4 海上安裝支架結(jié)構(gòu)分析

4.1 安裝方案

每根護(hù)管質(zhì)量為32.825 t，拖航工況時(shí)護(hù)管內(nèi)預(yù)安裝的3節(jié)軟管質(zhì)量為6.975 t。FPSO右舷主起重機(jī)主鉤的額定起重能力為25 t，無法完成護(hù)管的下放作業(yè)。護(hù)管海上下放安裝方案為在P1上部模塊上層甲板（EL.+50.0）邊處懸掛1個(gè)海上安裝支架，在支架吊梁上設(shè)4個(gè)氣動(dòng)吊裝機(jī)具吊裝點(diǎn)，吊裝點(diǎn)額定荷載為45 t，氣動(dòng)吊裝機(jī)具額定荷載為50 t。懸掛式海上安裝支架自重質(zhì)量為9.5 t，由主起重機(jī)安裝、拆卸，見圖10。

圖10 護(hù)管海上安裝支架

4.2 應(yīng)力分析

應(yīng)用SACS軟件建立P1上部模塊上層甲板、立柱和海上安裝支架的結(jié)構(gòu)分析模型，海上安裝工況取1.5倍的吊裝荷載垂向動(dòng)載系數(shù)和0.1倍的水平方向荷載系數(shù)，并考慮了上層甲板處的運(yùn)動(dòng)慣性荷載和風(fēng)荷載，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果見圖11，分析得到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足API RP 2A WSD 21st,2007(R-2010)要求。

圖11 海上安裝支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果（海上安裝工況）

5 防撞保護(hù)架結(jié)構(gòu)分析

FPSO工程設(shè)計(jì)中開展了船舶碰撞量化風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)海上安裝、生產(chǎn)、維修中的船舶碰撞事故及其后果進(jìn)行系統(tǒng)分析，針對(duì)事故發(fā)生的可能原因和條件，提出降低風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)措施，確保船舶發(fā)生誤操作或設(shè)備故障后碰撞FPSO也不會(huì)導(dǎo)致重大事故［3］。護(hù)管防撞保護(hù)架按DNVGL-RP-C204—2019《Design Against Accidental Loads》［20］和DNVGL-RP-C208—2016《Determination of Structural Capacity by Non-linear Finite Element Analysis Methods》［21］設(shè)計(jì)。供應(yīng)船滿載排水量為7 500 t，船首和船側(cè)碰撞工況的附加水質(zhì)量分別按0.1和0.4倍供應(yīng)船排水量取值，供應(yīng)船撞擊保護(hù)架時(shí)的速度為1.35 m/s。應(yīng)用LS-DYNA3D軟件進(jìn)行供應(yīng)船撞擊護(hù)管保護(hù)架分析，供應(yīng)船船首撞擊保護(hù)架變形分析結(jié)果見圖12，供應(yīng)船舷側(cè)撞擊保護(hù)架變形分析結(jié)果見圖13。供應(yīng)船撞擊保護(hù)架結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力結(jié)果見表11。按照保護(hù)架變形后與護(hù)管間距大于300 mm，F(xiàn)PSO舷側(cè)結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力小于規(guī)范許用應(yīng)力346.5 MPa對(duì)撞擊事件進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2和BV-NR445—2013要求。

圖12 供應(yīng)船船首撞擊保護(hù)架變形分析結(jié)果

圖13 供應(yīng)船舷側(cè)撞擊保護(hù)架變形分析結(jié)果

表11 供應(yīng)船撞擊保護(hù)架結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分析結(jié)果

6 結(jié)語

深水超大型FPSO采用潛沒式海水提升系統(tǒng)技術(shù)已漸趨成熟。海水提升泵護(hù)管及FPSO船體基座是船級(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、海上安裝方案以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求合理地布置。海水提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮了FPSO在位操作、極端環(huán)境、船艙破損、拖航、海上安裝和供應(yīng)船碰撞等工況。按DNV、BV船級(jí)社規(guī)范和公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求開展了護(hù)管、船體基座、管道支架平臺(tái)、海上安裝支架和防撞保護(hù)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，保證了海水提升系統(tǒng)海上安裝作業(yè)的安全、高效，滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命的要求。