海洋石油115 FPSO船體結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估

徐業(yè)峻，王 棟，周楊柳，劉中柏，梁興華

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油深圳分公司 廣東深圳 518052)

0 引 言

FPSO具有較大油田開發(fā)的經(jīng)濟性優(yōu)勢，被廣泛用于世界各地的淺水到深水油田開發(fā)。FPSO一般10～15年才進塢1次，服役期間常常遭遇惡劣臺風(fēng)天氣。據(jù)統(tǒng)計南海每年都會有4～5次臺風(fēng)，海況多變，船體結(jié)構(gòu)受到的外力載荷具有很強的隨機性。在遭遇極端海況、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷、裝配不合理或人員操作失誤等因素的影響下，船體結(jié)構(gòu)極易遭到破壞，在船舶設(shè)計建造時也很難通過經(jīng)驗和理論預(yù)測這種隨機性對結(jié)構(gòu)的破壞[1-2]。近年在渤海和南海 FPSO發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)損傷，如渤海某FPSO油艙一個橫艙壁局部變形，南海某FPSO單點液壓大鉗基座焊縫出現(xiàn)大量裂紋、上部模塊支墩焊縫裂紋等[3]。國內(nèi)FPSO運營期間因油田調(diào)整等原因，上部模塊均存在設(shè)備或其他改造等問題，或多或少都會增加本身空船重量，有的 FPSO 增加的重量超過原空船重量的1%，按照規(guī)范要求，需要重新做傾斜試驗，但因海上沒有實施條件，傾斜試驗無法執(zhí)行[4]。因此，有必要在FPSO塢修前進行結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估[5]。

海洋石油115FPSO船體由708所于2003年設(shè)計完成，2007年在西江油田投產(chǎn)，現(xiàn)已連續(xù)服役 13年。經(jīng)確認(rèn)船體結(jié)構(gòu)狀態(tài)并開展海上結(jié)構(gòu)測厚工作，發(fā)現(xiàn)壓載艙、船外板等局部腐蝕嚴(yán)重、油漆脫落或起泡，已不能有效發(fā)揮保護作用?；诖?，利用現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測厚數(shù)據(jù)帶入船體有限元模型計算分析，目的是發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度和疲勞強度的不足之處，為后期塢修做好準(zhǔn)備。

1 海洋石油115 FPSO主要參數(shù)

總長232m；載重水線長225m；型寬46m；型深24.1m；設(shè)計吃水16m；結(jié)構(gòu)吃水16.3m；載重量約 12萬t；工藝模塊濕重約7200t；設(shè)計壽命25年；定員100人。具體參見圖1、2所示。

圖1 海洋石油115FPSO Fig.1 HYSY 115 FPSO

圖2 海洋石油115 FPSO布置圖 Fig.2 Layout of HYSY 115 FPSO

2 船體結(jié)構(gòu)評估計算方法及環(huán)境基礎(chǔ)

2.1 船體結(jié)構(gòu)評估方法

對船體進行結(jié)構(gòu)分析以評估船體結(jié)構(gòu)的屈服、屈曲和疲勞強度，加入水動力波浪載荷的屈曲和疲勞強度分析計算過程中設(shè)計結(jié)構(gòu)的腐蝕裕量。為此，進行了包括基于2D剖面的縱向結(jié)構(gòu)件強度分析和疲勞強度分析[6-7]，基于3D有限元的三艙段結(jié)構(gòu)剖面計算評估方法見圖3。

圖3 船體結(jié)構(gòu)評估方法 Fig.3 Hull structure evaluation method

所有2D橫剖面模型和3D有限元模型均基于原設(shè)計圖紙和設(shè)計資料完成。

2.2 作業(yè)海域海況及波浪條件

浮式生產(chǎn)儲油船的船體結(jié)構(gòu)評估中需要考慮其作業(yè)海域的海況，包括該海域的海洋氣象數(shù)據(jù)和系泊等條件，波浪信息包括浪向、波譜、波頻等，以上信息及數(shù)據(jù)是確定結(jié)構(gòu)所受環(huán)境荷載的基礎(chǔ)要素。

船體結(jié)構(gòu)所受荷載還取決于結(jié)構(gòu)分析中使用的 浮式裝置的操作條件。因此，計算中還考慮了船舶在不同區(qū)域的水動力和繞射強度及水動力荷載的三維分布[3]。

根據(jù)BV規(guī)范，采用10-8.7年一遇概率(或約 100年一遇)進行屈服和屈曲分析。疲勞分析采用 10-5年概率。

2.3 裝載工況

海洋石油115FPSO共有 28 個裝載工況，按照船級社規(guī)范要求，計算中考慮了 6 種最為嚴(yán)酷的典型裝載工況。

3 2D剖面模型有限元分析

3.1 2D剖面模型

采用2D剖面模型對船體結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)件進行計算[7]，沿船長方向選取典型橫剖面進行計算，其計算結(jié)果用于評估尺寸是否滿足最新BV規(guī)范的要求。海洋石油115共10個液貨艙，本報告選擇了具有代表性的15個橫剖面進行計算分析，其中包括10個橫框架和5個橫艙壁，見圖4、圖5。

圖4 船體結(jié)構(gòu)評估方法 Fig.4 Hull structure evaluation method

圖5 船體強框架截面及橫艙壁截面 Fig.5 Hull strong frame section and cross bulkhead section

3.2 2D剖面模型分析結(jié)果

3.2.1 船體梁總縱強度

船體梁總縱強度分析結(jié)果見表1，基于測厚報告計算得到的船體梁的剖面模數(shù)滿足規(guī)范要求。

表1 船體梁總縱強度 Tab.1 Total longitudinal strength of hull girder

3.2.2 船體梁的極限強度

依據(jù)船體中剖面特性可以計算得到船體梁極限 彎矩值，見表2。裝載手冊給出了船體梁靜水彎矩及波浪彎矩的最大值。

表2 船體梁極限彎矩 Tab.2 Ultimate bending moment of hull girder

中垂和中拱應(yīng)滿足以下檢查標(biāo)準(zhǔn)：

在中拱狀態(tài)下，實際載荷/極限載荷＝69.73%。

在中垂?fàn)顟B(tài)下，實際載荷/極限載荷＝84.78%。

計算結(jié)果表明：船體梁的極限載荷滿足規(guī)范 要求。

3.2.3 縱骨疲勞

利用MARS2000程序?qū)Υw內(nèi)縱骨與橫框架和橫艙壁連接處進行了二維疲勞評估，涉及甲板、底板、舷側(cè)、底部縱骨與橫框架、橫艙壁的連接。對每個典型液貨艙的中間部分和橫艙壁部分的縱骨進行了疲勞強度計算與校核，結(jié)果表明：構(gòu)件滿足最新的BV海工規(guī)范要求。

4 3D艙段有限元模型

采用3D有限元模型對高應(yīng)力區(qū)域和屈曲水平較高的位置進行全局范圍內(nèi)的篩查，其結(jié)果可用于評估船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸是否滿足最新BV海工規(guī)范的要求。圖6給出了評估艙COT3艙室主要構(gòu)件的高應(yīng)力區(qū)域。經(jīng)計算分析這些區(qū)域可知，高應(yīng)力區(qū)域不多，且集中在縱向、橫向結(jié)構(gòu)的連接處，結(jié)構(gòu)形式突變處，這些位置也是疲勞強度薄弱的區(qū)域。

圖6 船體3D模型 Fig.6 3D model of hull

采用3D有限元計算模型對主要橫向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)(如趾端)進行了疲勞評估。分析的疲勞結(jié)果表明：計算疲勞壽命結(jié)果均大于40年，超出本船25年設(shè)計年限，疲勞壽命滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

FPSO從投產(chǎn)到第1次塢修，一般面臨著生產(chǎn)模塊的改造增重和升版的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，故FPSO塢修前的船體結(jié)構(gòu)評估是一項必要工作。本文將海洋石油115FPSO現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測厚數(shù)據(jù)帶入到有限元模型中，基于2D模型及3D模型的屈服和屈曲計算結(jié)果，雖然表明強度和疲勞結(jié)果滿足船級社最新規(guī)范要求，但結(jié)合現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測厚數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域腐蝕超過20%，加上現(xiàn)行BV海工規(guī)范比建造當(dāng)年的規(guī)范更嚴(yán)格，因此船體結(jié)構(gòu)中存在低于規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件，需要在后期塢修過程中進行更換或加強?！?/p>