FPSO模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張 明，程玉鑫

0 引言

FPSO（floating production storage and offloading）是目前國(guó)際上公認(rèn)的較為普遍的、經(jīng)濟(jì)性較好的海工產(chǎn)品，近年來(lái)在海工市場(chǎng)受到各大船東公司和船廠的高度關(guān)注。FPSO上部模塊作為海上油氣生產(chǎn)處理和公用設(shè)施的基地，在整個(gè)油田的開(kāi)發(fā)中起著至關(guān)重要的作用，因此FPSO上部模塊設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置方案成為FPSO設(shè)計(jì)研究的主要方向。

1 FPSO模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 概念

作為FPSO上重要且不可或缺的一部分，上部模塊集成了更多更先進(jìn)的技術(shù)。根據(jù)功能不同，可以將模塊分為：工藝模塊、氣體處理模塊、熱介質(zhì)模塊、化學(xué)藥劑注入模塊、高壓注入模塊、電站模塊、MCC模塊、壓縮空氣模塊和管廊等。模塊結(jié)構(gòu)是承載設(shè)備并實(shí)現(xiàn)其功能的主要載體，由上方存放設(shè)備的模塊平臺(tái)結(jié)構(gòu)和下方連接甲板的模塊底座結(jié)構(gòu)組成，其基本設(shè)計(jì)與整個(gè)FPSO基本設(shè)計(jì)不可分割。

1.2 研究的意義

目前在國(guó)內(nèi)，F(xiàn)PSO真正獨(dú)立自主設(shè)計(jì)的能力嚴(yán)重不足，大量核心技術(shù)還沒(méi)有被切實(shí)掌握。因此，大力發(fā)展獨(dú)立自主的模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，有利于早日掌握該領(lǐng)域的核心設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)FPSO整體承包的目標(biāo)。只有真正掌握了FPSO各個(gè)領(lǐng)域的核心技術(shù)，才能進(jìn)一步提出優(yōu)化方案和創(chuàng)新理論，在海工市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。

1.3 研究的主要內(nèi)容

本文以某FPSO項(xiàng)目壓縮機(jī)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為背景，在了解FPSO布置原則及工作原理的基礎(chǔ)上，熟悉各模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，對(duì)模塊支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行基本設(shè)計(jì)，同時(shí)以有限元計(jì)算為依據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度進(jìn)行分析，確保模塊結(jié)構(gòu)及底座滿足強(qiáng)度要求。

2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)船東規(guī)格書(shū)以及船級(jí)社規(guī)范的要求，對(duì)模塊主體尺寸（長(zhǎng)、寬、高和層數(shù)等）和構(gòu)件尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)細(xì)化和強(qiáng)度分析。設(shè)計(jì)的原則主要包括：

1）滿足模塊功能要求

即結(jié)構(gòu)空間應(yīng)該滿足所有相關(guān)設(shè)備裝置的布置、操作及維修；考慮模塊整體吊裝方案并合理布置吊耳。

2）滿足安全要求

需要考慮模塊與模塊之間的安全距離，保證主甲板留出足夠的逃生通道空間。合理布置模塊內(nèi)部的安全通道及四周的構(gòu)件，保證設(shè)備安裝調(diào)試后仍留有足夠的空間，避免與安全通道干涉。

3）滿足規(guī)范要求

需要滿足規(guī)范對(duì)材料和焊接的要求及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

4）滿足FPSO基本設(shè)計(jì)要求

考慮模塊重量重心產(chǎn)生的支反力對(duì)模塊底座和主船體的影響，關(guān)鍵點(diǎn)主要包括三維梁系有限元分析和水動(dòng)力分析。

2.2 模塊布置的原則

FPSO的工作原理是通過(guò)立管等傳輸設(shè)備將油水氣和泥沙混合的原始產(chǎn)品輸送到船上，經(jīng)過(guò)一系列生產(chǎn)模塊的分離、凈化、清洗、干燥等工藝處理后，將合格的產(chǎn)品暫時(shí)儲(chǔ)存在貨油艙內(nèi)，等待不定期輸出到穿梭油船上，同時(shí)將符合排放標(biāo)準(zhǔn)的水和氣進(jìn)行排放、回注或燃燒，將不合格的和生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、廢氣等進(jìn)行存儲(chǔ)，等待靠岸排放。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中最重要環(huán)節(jié)就是工藝處理，而實(shí)現(xiàn)工藝處理的設(shè)備和裝置大都放置在模塊上。因此，為滿足模塊的工藝處理功能，在布置上需要滿足以下幾個(gè)原則[1]。

1）安全可靠，符合規(guī)范

總體布置必須滿足規(guī)范對(duì)防火、防爆、逃生等方面的要求，至少應(yīng)設(shè)計(jì)兩條互相遠(yuǎn)離的主逃生通道。要使生活、指揮、消防設(shè)備、應(yīng)急電站、救生設(shè)備、直升飛機(jī)平臺(tái)等（安全區(qū)）與油氣處理區(qū)（危險(xiǎn)區(qū)）盡量遠(yuǎn)離。生活區(qū)通常布置在上風(fēng)口。火炬塔等產(chǎn)生煙氣排放的設(shè)備應(yīng)布置在遠(yuǎn)離生活區(qū)的下風(fēng)口。

2）大容積設(shè)備靠近中軸線布置

甲板上部模塊之間設(shè)有通道，由于波浪作用在船體上發(fā)生橫搖的幾率比縱搖大得多（對(duì)于圓筒型FPSO來(lái)說(shuō)，僅需要重點(diǎn)考慮垂向加速度），而橫搖會(huì)使船體產(chǎn)生巨大的扭曲應(yīng)力，該應(yīng)力的集中部位正是通道。因此，在模塊布局上盡量將大容積設(shè)備如斜板隔油器、分離器等靠近中軸線布置，以減少船體搖擺產(chǎn)生的扭曲應(yīng)力。

3）方便生產(chǎn)操作和設(shè)備維修

設(shè)計(jì)主甲板和生產(chǎn)甲板之間的距離時(shí)，要考慮到最大設(shè)備的高度、高架管線的高度和維修操作的高度，一般選擇3 m以上。根據(jù)大量的實(shí)船數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該高度值一般在4 m～5 m之間。另外，按照規(guī)定，危險(xiǎn)區(qū)與非危險(xiǎn)區(qū)兩模塊的間距不小于3 m。非危險(xiǎn)區(qū)的通道寬度不小于2 m。設(shè)在甲板上的吊機(jī)一般布置在左右兩舷，前后錯(cuò)位布置，使吊機(jī)能夠覆蓋絕大部分生產(chǎn)甲板。

4）人機(jī)工程設(shè)計(jì)要求

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程，按邏輯順序布置模塊及設(shè)備位置走向。設(shè)備的布置和空間要考慮操作和檢修的方便性，通道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮安全、快捷和易達(dá)性。考慮設(shè)備吊裝通道，盡量避免手動(dòng)搬動(dòng)設(shè)備和材料。

3 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

模塊上的大型和重型設(shè)備一般都布置在模塊底層平臺(tái)上，底層結(jié)構(gòu)承受的載荷較大。因此，在模塊設(shè)計(jì)時(shí)選取的構(gòu)件尺寸也相對(duì)較大。越往上，平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力越小，所以構(gòu)件尺寸也相對(duì)較小。這樣設(shè)計(jì)，不僅可以降低模塊整體重心，而且可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下減少結(jié)構(gòu)重量。模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意幾個(gè)方面。

3.1 材料選取

1）材質(zhì)選擇

從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及減輕重量的角度考慮，模塊的結(jié)構(gòu)部分基本上全部選用高強(qiáng)度鋼，局部區(qū)域板厚方向需要承擔(dān)載荷，還要使用高強(qiáng)度Z向板，圖1為規(guī)范對(duì)Z向板要求。

圖1 規(guī)范對(duì)Z向板要求

2）溫度對(duì)材料的影響

根據(jù)海工設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)類(lèi)別的劃分，船體結(jié)構(gòu)一般分為特殊結(jié)構(gòu)、主要結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)。規(guī)范要求，材料厚度與材質(zhì)選擇，與結(jié)構(gòu)所屬類(lèi)別和工作溫度有關(guān)，如表1所示[2]。

3.2 模塊底座設(shè)計(jì)

所有生產(chǎn)模塊都是通過(guò)模塊底座與主甲板連接，模塊底座承受模塊的自重和工作載荷，其結(jié)構(gòu)位置和作用荷載是船體甲板構(gòu)造和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。模塊底座支撐結(jié)構(gòu)一般布置在船體甲板的強(qiáng)肋位上，根據(jù)模塊在操作和極端工況條件下支點(diǎn)的反力進(jìn)行甲板強(qiáng)度校核。上部模塊與支撐底座間的連接形式，根據(jù)模塊的尺寸與底座布置不同，可分為固定式與滑動(dòng)式（見(jiàn)圖2）。對(duì)于跨距比較大的模塊底座，部分連接點(diǎn)滑動(dòng)接觸可以避免模塊構(gòu)架平臺(tái)支腿隨著船體梁的縱向彎曲變形而發(fā)生強(qiáng)制變形，也可以釋放模塊自身重量引起的支腿變形，降低產(chǎn)生疲勞裂紋的概率[3]。

表1 ABS普通鋼與高強(qiáng)鋼在不同溫度下的材料選擇（板厚單位：mm）

圖2 模塊底座的連接形式

3.3 模塊平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式

模塊結(jié)構(gòu)型式滿足設(shè)備總體布置的要求，以適應(yīng)建造場(chǎng)地吊裝設(shè)施的能力，最大化地減少模塊在船體甲板上的建造工作量，滿足船體和上部模塊平行建造的要求，從而有效地降低模塊結(jié)構(gòu)的材料費(fèi)用。平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式主要采用由梁板組成的空間框架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），各模塊通過(guò)模塊底座與主甲板連接。規(guī)劃的重點(diǎn)是通過(guò)合理降低模塊剛性結(jié)構(gòu)的多重約束，緩解結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間的相互影響；同時(shí)在滿足功能和強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，做好重量控制。

3.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

船級(jí)社規(guī)范沒(méi)有對(duì)模塊自身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核做要求，但是對(duì)上部模塊支撐和船體甲板下加強(qiáng)做了相關(guān)要求。因此，可以將上部模塊支撐的計(jì)算載荷和工況應(yīng)用到模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中。模塊結(jié)構(gòu)屬于鋼結(jié)構(gòu)，國(guó)際上通用的做法是按照API和AISC的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)校核。

圖3 模塊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

1）設(shè)計(jì)載荷，包括：

（1）FPSO在拖航、工作等情況下的運(yùn)動(dòng)；

（2）環(huán)境載荷（風(fēng)、浪、流等）；

（3）FPSO甲板變形量；

（4）模塊鋼結(jié)構(gòu)自重；

（5）模塊上部設(shè)備重量（干重和濕重）；

（6）模塊上部活載（根據(jù)區(qū)域劃分）。

2）屈服強(qiáng)度校核

屈服強(qiáng)度校核是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的主要內(nèi)容，主要包括，有限元強(qiáng)度分析滿足強(qiáng)度要求和屈曲校核滿足穩(wěn)定性要求。圖4為某模塊底座的有限元分析應(yīng)力分布圖。整個(gè)模塊支撐及底座的最大應(yīng)力點(diǎn)一般發(fā)生在模塊底座與甲板接觸的趾端位置，相應(yīng)結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)。

圖4 模塊底座有限元分析應(yīng)力圖

3）疲勞強(qiáng)度校核

在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析的時(shí)候，除了考慮循環(huán)載荷外，還要選擇容易發(fā)生疲勞破壞的位置，如肘板趾端（見(jiàn)圖5）。通過(guò)有限元模型讀取熱點(diǎn)應(yīng)力的數(shù)值，根據(jù)規(guī)范疲勞計(jì)算公式經(jīng)過(guò)計(jì)算得出應(yīng)力幅值范圍，由S-N曲線選擇計(jì)算得到相應(yīng)位置的疲勞壽命。

圖5 疲勞破壞發(fā)生的典型位置

4 結(jié)論

隨著海上油氣開(kāi)采的迅速發(fā)展，F(xiàn)PSO將作為海上采油的主要產(chǎn)品，引導(dǎo)今后海工市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。因此FPSO模塊的設(shè)計(jì)和研究，是未來(lái)FPSO發(fā)展的主要方向，對(duì)我國(guó)開(kāi)發(fā)和占有國(guó)際海工市場(chǎng)具有十分重要的意義。

[1]廖紅琴.FPSO上部模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造船,2008,49(S2): 232-238.

[2]ABS.Rules for Building and Classing, Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[3]遲少艷, 趙耕賢.FPSO模塊支墩結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)原則[J].船舶與海洋工程, 2014(4): 24-27.