通用型FPSO船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李成君，周佳

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

現(xiàn)有FPSO一般包含新建FPSO及油船改造兩種形式。新建FPSO是根據(jù)目標(biāo)作業(yè)海域環(huán)境參數(shù)、油品特性全新定制船體上部模塊，以及系泊定位設(shè)施等，設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)性強(qiáng)，但是建造周期較長(zhǎng)，成本較高；油船改造形式是以舊油船為基礎(chǔ)，按照同樣流程進(jìn)行適應(yīng)性改造，周期較短[1-2]，不過(guò)功能受原有油船的限制較明顯，且疲勞分析復(fù)雜。新一代FPSO具有通用型特征[3]，采用新建標(biāo)準(zhǔn)化船殼，然后加裝上部模塊及系泊設(shè)施等，其標(biāo)準(zhǔn)化船殼更適應(yīng)FPSO的特點(diǎn)，同時(shí)批量建造可降低成本、縮短項(xiàng)目交付時(shí)間。

1 通用型FPSO船體

海上油田受水深、風(fēng)浪、溫度，以及石油品質(zhì)等影響，各作業(yè)海域的FPSO在構(gòu)造、系泊方式，以及生產(chǎn)流程上各不相同，其設(shè)計(jì)思路也存在差異。作業(yè)于各個(gè)不同海域的FPSO基本都是根據(jù)特定海域特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，見(jiàn)表1。

表1 不同海域的常規(guī)FPSO特征

同時(shí)，油田規(guī)模、油品質(zhì)量，以及油田開(kāi)發(fā)模式則對(duì)FPSO上部模塊有關(guān)鍵影響，也對(duì)FPSO船體的主尺度有一定影響。

現(xiàn)有FPSO設(shè)計(jì)多針對(duì)單一海域和確定的油田，采用的是定制化設(shè)計(jì)方案，而通用型FPSO船體在設(shè)計(jì)過(guò)程中需兼顧多個(gè)海域油田的特點(diǎn)，在尚不明確油田的情況下設(shè)計(jì)，需滿(mǎn)足多個(gè)海域油田的使用功能，通過(guò)設(shè)計(jì)一型適用于多種海域環(huán)境條件，多種系泊方式，不同規(guī)模的上部模塊，兼容不同立管系統(tǒng)等，可滿(mǎn)足一定范圍內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)組合的通用型FPSO船殼結(jié)構(gòu)。

2 通用型FPSO船體載荷

關(guān)于通用型FPSO船體的載荷特點(diǎn)，以某一通用型FPSO船體載荷為例進(jìn)行描述。

2.1 載荷特征

作為示例的通用型FPSO適用于包括巴西、西非及墨西哥灣等多種海域，選取巴西及西非兩種典型海域?qū)PSO設(shè)計(jì)過(guò)程中的載荷特點(diǎn)進(jìn)行討論。充分考慮不同海況的環(huán)境特征，并對(duì)不同環(huán)境的載荷進(jìn)行包絡(luò)處理。由于海況跨度大，系泊方式靈活，因此環(huán)境條件及系泊方式均不確定，系泊方式對(duì)FPSO的靜水載荷具有較大影響，環(huán)境條件主要對(duì)波浪載荷具有較大影響。

2.2 靜水載荷特點(diǎn)

基于裝載手冊(cè)對(duì)不同裝載工況的彎矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到單點(diǎn)/多點(diǎn)系泊對(duì)船艏的靜水彎矩的影響見(jiàn)圖1。

圖1 不同系泊工況下全船靜水彎矩分布

對(duì)于一般FPSO而言，最大垂向彎矩位置出現(xiàn)在縱向的船舯位置，同時(shí)艏艉方向彎矩逐漸降為0，而對(duì)于目標(biāo)FPSO，由于單點(diǎn)/多點(diǎn)提供定位載荷的同時(shí)在船首產(chǎn)生了由于定位載荷所造成的中拱，因此靜水彎矩包絡(luò)值與常規(guī)FPSO相比，較為獨(dú)特。

考慮到靜水載荷為設(shè)計(jì)載荷的主要載荷，同時(shí)針對(duì)影響靜水載荷的裝載資料的充分程度，在對(duì)載荷進(jìn)行包絡(luò)過(guò)程中對(duì)于船舯0.4L(L為船長(zhǎng))范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)靜水彎矩針對(duì)最大靜水彎矩預(yù)留5%的裕度，其范圍外的設(shè)計(jì)靜水彎矩在線性變化的基礎(chǔ)上充分考慮載荷裕度的控制，在合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本。

2.3 波浪載荷特點(diǎn)

基于HydroD軟件針對(duì)目標(biāo)FPSO進(jìn)行載荷計(jì)算，為了得到不同系泊方式對(duì)波浪載荷的影響，將不同的系泊方式選取同一個(gè)海域進(jìn)行分析比較。由于巴西海況內(nèi)轉(zhuǎn)塔的波浪載荷更加主控，因此將巴西海況作為環(huán)境條件分析，統(tǒng)計(jì)不同系泊方式下得到滿(mǎn)載工況的垂向剪力、垂向彎矩、水平彎矩以及波面升高，見(jiàn)圖2。

圖2 波浪載荷曲線

從圖2整體上可以看出，外轉(zhuǎn)塔的各項(xiàng)波浪載荷均較小，這與外轉(zhuǎn)塔風(fēng)標(biāo)效應(yīng)下始終處于環(huán)境力最小的方位有關(guān)。從最大垂向剪力圖中可以看出，多點(diǎn)系泊最大剪力出現(xiàn)在船尾，且船首尾的最大垂向剪力相當(dāng)，而內(nèi)轉(zhuǎn)塔最大垂向剪力出現(xiàn)在船首，且船首處的剪力比船尾明顯偏大，而首部及尾部的波浪彎矩均較小，因此剪力工況的校核應(yīng)當(dāng)作為通用型FPSO的艏部以及尾部的主控載荷進(jìn)行校核，且不同系泊方式下的剪力校核應(yīng)當(dāng)同時(shí)進(jìn)行；從波浪垂向彎矩以及水平彎矩中可以看出，系泊方式對(duì)該載荷的影響較小，最大載荷位置也較為接近，且船中位置的剪力較小，因此彎矩工況的校核應(yīng)當(dāng)作為通用型FPSO的中部的主控載荷進(jìn)行校核，且不同系泊方式下的波浪彎矩校核可以簡(jiǎn)化為一個(gè)系泊方式進(jìn)行校核；從波面升高圖(多點(diǎn)系泊未考慮風(fēng)標(biāo)效應(yīng))中可以看出，多點(diǎn)系泊的波面升高較為均勻，單點(diǎn)系泊的波面升高較為劇烈，在計(jì)算工況包括舷外水壓力時(shí)，單點(diǎn)系泊工況下首部的波面升高更為明顯，特別是對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)塔，應(yīng)當(dāng)著重考慮垂向剪切力與舷外水壓力的綜合作用。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)波浪環(huán)境較好的海域一般采用多點(diǎn)系泊，波浪環(huán)境較差的海域一般采用單點(diǎn)系泊。圖2中所示的多點(diǎn)系泊的波浪升高基于巴西海域進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上不會(huì)出現(xiàn)。

3 通用型FPSO船體的結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

通用型FPSO船體采用標(biāo)準(zhǔn)化船殼的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中無(wú)法像常規(guī)FPSO一樣做確定性的考慮，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般按照可能出現(xiàn)的所有嚴(yán)重情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。不確定因素如下。

1)質(zhì)量分布及多海況對(duì)結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度的要求。

2)上部模塊對(duì)貨艙區(qū)甲板結(jié)構(gòu)要求。

3)多種系泊定位方式對(duì)船體結(jié)構(gòu)的要求。

4)多種外輸配置對(duì)艏艉結(jié)構(gòu)的要求。

5)大型生活樓的結(jié)構(gòu)要求。

針對(duì)上述不確定性因素進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，主要從以下幾方面進(jìn)行分析。

1)總縱構(gòu)件對(duì)總強(qiáng)度載荷的包絡(luò)性。

2)適用多種系泊形式的艏部結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

圖3 兼顧多種系泊方式的艏部結(jié)構(gòu)

3)甲板結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化上部模塊支撐的適用性設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化上部模塊結(jié)構(gòu)

4)舷側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)立管支撐的適用性設(shè)計(jì)。

5)滿(mǎn)足一定靈活性的克令吊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

6)適用通用型FPSO需求的生活區(qū)結(jié)構(gòu)。

圖3中的艏部結(jié)構(gòu)兼顧了多點(diǎn)系泊、內(nèi)轉(zhuǎn)塔，以及外轉(zhuǎn)塔3種系泊方式；圖4所示通用型FPSO的分布式上部模塊，可適應(yīng)多種不同重量的模塊。艏部結(jié)構(gòu)及分布式上部模塊是通用型FPSO區(qū)別于常規(guī)FPSO的重要特征。

3.2 結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)證

由于通用型FPSO船體為新概念船型，因此許多位置、結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，以確保設(shè)計(jì)的可行性，總強(qiáng)度校核及局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核為常規(guī)校核，能夠體現(xiàn)出通用型FPSO主要特征的是包絡(luò)不同規(guī)模上部模塊的甲板支撐結(jié)構(gòu)和不同系泊方式下的船舯貨艙區(qū)艙段強(qiáng)度校核及艏部艙段校核。如2.3所述，不同系泊方式呈現(xiàn)出不同的波浪載荷特征，其主要控制載荷也存在差異，因此對(duì)于通用型FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)貨艙區(qū)艙段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及艏部分段在各種系泊方式下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是非常有必要的。

3.3 貨艙區(qū)艙段強(qiáng)度校核分析

貨艙區(qū)艙段強(qiáng)度在校核過(guò)程需要考慮不同系泊方式的影響。其中，單點(diǎn)系泊的船體梁載荷明顯高于多點(diǎn)系泊形式；多點(diǎn)系泊工況應(yīng)當(dāng)考慮左右舷非對(duì)稱(chēng)波面升高引起的舷外水壓載荷差異。篇幅所限，選擇目標(biāo)FPSO典型的單點(diǎn)系泊工況。

由于需要兼顧不同重量范圍的上部模塊[4-5]，因此在貨艙區(qū)艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核過(guò)程中應(yīng)當(dāng)首要考慮模塊重量的選取，而具體的上部模塊需要考慮作業(yè)油田具體的生產(chǎn)要素進(jìn)行確定，根據(jù)目標(biāo)通用型FPSO設(shè)計(jì)要求，將上限4萬(wàn)t作為模塊重量的設(shè)計(jì)值。此時(shí)滿(mǎn)載的中垂彎矩最大。由2.3的討論可知，貨艙區(qū)艙段的結(jié)構(gòu)校核與系泊方式關(guān)系不大，因此將各個(gè)系泊工況下的貨艙區(qū)艙段校核簡(jiǎn)化為1個(gè)計(jì)算模型進(jìn)行分析，同時(shí)由于主控載荷為中垂彎矩，且船中0.4L范圍內(nèi)的中拱彎矩以及中垂彎矩都取為設(shè)計(jì)的最大包絡(luò)值，由圖1、2可知，艙段計(jì)算的中垂彎矩包絡(luò)值Me=Ms+Mw，垂向剪力載荷作為非主控載荷，可直接將貨艙區(qū)艙段校核區(qū)域的靜水剪力包絡(luò)值與波浪剪力包絡(luò)值疊加作為設(shè)計(jì)值進(jìn)行校核。

從圖5看出，高應(yīng)力區(qū)域主要集中在水平桁與縱艙壁交叉區(qū)域及強(qiáng)框自由邊區(qū)域。

圖5 不同區(qū)域應(yīng)力UC分布

3.4 艏部分段強(qiáng)度校核分析

艏部波浪載荷受系泊方式的影響較大，需要對(duì)每個(gè)系泊工況單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算模型見(jiàn)圖6。

圖6 艏部計(jì)算模型

3.4.1 外轉(zhuǎn)塔計(jì)算分析

目標(biāo)FPSO采用懸掛式外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)，建立外轉(zhuǎn)塔艏部模型時(shí)僅對(duì)懸臂梁部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。在外轉(zhuǎn)塔重心位置處施加系泊載荷及自重。為了更好地體現(xiàn)艏部區(qū)域船體梁載荷的包絡(luò)性，對(duì)外轉(zhuǎn)塔系泊形式下的FPSO所有裝載工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將船體梁艏部區(qū)域是否發(fā)生靜水彎矩最值或剪力最值作為挑選艏部區(qū)域船體梁包絡(luò)載荷的依據(jù)，然后根據(jù)彎矩或剪力最值發(fā)生的對(duì)應(yīng)工況進(jìn)行艏部包絡(luò)載荷的施加。經(jīng)過(guò)計(jì)算選取典型設(shè)計(jì)工況及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 典型設(shè)計(jì)工況(最小彎矩和最大剪力)及結(jié)果

3.4.2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔計(jì)算分析

垂向載荷主要由系泊載荷垂向分量及系泊系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)自重組成，主軸承平面力為系泊力在風(fēng)浪流運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的水平分量。主軸承彎矩主要產(chǎn)生于船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)系泊系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)重心偏離結(jié)構(gòu)重心。按照《海上浮式裝置入級(jí)規(guī)范》第11章第7節(jié)“與系泊裝置連接的船體結(jié)構(gòu)”中對(duì)主軸承反力的規(guī)定，平面力應(yīng)在120°范圍內(nèi)按照余弦函數(shù)分布。

滿(mǎn)載生存工況較之其他工況，載荷更為典型，因此選取滿(mǎn)載生存工況作為典型工況進(jìn)行校核，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得知水平系泊載荷與彎矩為90°作用時(shí)應(yīng)力最大。見(jiàn)圖7。

圖7 不同區(qū)域的應(yīng)力分布

3.4.3 多點(diǎn)系泊計(jì)算分析

目標(biāo)船采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)為水下出纜方式(見(jiàn)圖8)，下端導(dǎo)纜器處的系泊纜張力與水平面的夾角α考慮0°～90°范圍；FPSO正常作業(yè)前會(huì)調(diào)節(jié)并保持各區(qū)域系泊纜與主船體呈某一固定方位角，該偏差角度基于減小工況計(jì)算量及其與初始方位角進(jìn)行聯(lián)合考慮，水平面角度β變化范圍為。另?yè)?jù)DNV與ABS的相關(guān)規(guī)范，應(yīng)至少考慮單根系泊纜處于最小破斷載荷、所有系泊纜處于預(yù)張力載荷和單根系泊索破斷3種狀態(tài)。

圖8 多點(diǎn)系泊載荷夾角

設(shè)計(jì)工況選取百年一遇的環(huán)境荷載。通過(guò)對(duì)3種系泊纜狀態(tài)，3種系泊纜張力角以及3種系泊纜與船體的夾角3種影響因素的組合工況進(jìn)行計(jì)算，得到最大應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 多點(diǎn)系泊不同工況應(yīng)力峰值

4 結(jié)論

針對(duì)目標(biāo)船舷側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)立管支撐的設(shè)計(jì)以及多海況對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求是通用型FPSO的特點(diǎn)，雖然結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度分析方面沒(méi)有太大區(qū)別，但由于結(jié)構(gòu)形式大不同，因此有必要兼顧不同海域特點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行研究。另外，標(biāo)準(zhǔn)化的上部模塊支撐結(jié)構(gòu)及多點(diǎn)系泊(包括立管)界面結(jié)構(gòu)等也需要有針對(duì)性的研究。