FPSO多點系泊掣鏈器基座結構分析

徐田甜

中國海洋石油國際有限公司，北京 100028

超大型FPSO（浮式生產儲卸油裝置）是海上油田開發的重要工程設施。永久式系泊定位系統是事關FPSO安全的關鍵裝備。多點系泊FPSO作業于有主控波浪等環境荷載方向、環境條件較溫和的特定海域。FPSO多點系泊系統總體布置設計時，將FPSO船首對著主控波浪等環境荷載的來向，使系泊系統受環境荷載為最小，確保FPSO的位移和船首取向范圍滿足設計規范和水下立管、油氣外輸管、電纜等生產設施的設計安全要求。

FPSO多點系泊系統主要包括：甲板機械、導鏈裝置、系泊纜、系泊錨鏈、海底定位錨、系泊現場監測和完整性管理系統等。深水多點系泊系統與超大型FPSO船體結構之間有多處界面，是FPSO工程總承包商負責管理的關鍵技術界面之一；深水多點系泊系統的設計約束前提條件多，所需設計輸入參數多，各設計參數間的制約關系復雜[1]。同時，多點系泊系統的廠家交貨期較長，通常在采購合同簽訂后12～16個月交付，系統技術選型和界面管理從基本設計（Front-End Engineering Design）時起即須開展。一些國家的法規對FPSO和系泊系統工程提出了本地化（Local Content）要求，一些工程公司的標準化超大型FPSO船體設計同時兼顧多點系泊和內轉塔式單點系泊系統的設計要求，給FPSO和系泊系統的工程設計、采購、建造界面管理帶來了更大的挑戰。

掣鏈器是多點系泊系統必不可少的重要裝置。本文以一艘深水超大型FPSO多點系泊掣鏈器及基座為例，介紹其所屬公司的企業標準——《FPSO系泊系統設計總則》及多點系泊掣鏈器及基座結構分析的要點和成果。

1 FPSO系泊總體方案

FPSO船體為330 m×61 m×33.5 m[2]，滿載排水量499 202 t，入BV船級；多點系泊系統取得BV POSA和ALM入級符號，滿足FPSO服役25年不解脫，滿足35萬載重噸級原油船串靠FPSO外輸作業要求，并考慮服役之前的3年建設期間的腐蝕冗余。FPSO兩舷側中部各設25處水下立管、電纜的懸掛點，相鄰懸掛點的縱向間距為5 m[3]。FPSO多點系泊總體布置示意見圖1，將船首對著主涌波浪傳播方向范圍的中央，系泊采用在四個角布置4組共16根懸鏈線纜的模式，相鄰系泊纜之間的夾角為2°；系泊纜布置要確保系泊纜與水下立管等設施的間距滿足規范要求，不會發生干涉碰撞；每根系泊纜由上部錨鏈、中部鋼纜和海底錨鏈組成，上部和海底錨鏈均為R3級無檔鏈。FPSO采用4臺軌道式行走錨機，每臺錨機進行1組4根系泊纜的提升安裝，錨機額定拉力為3 600 kN，錨機基座下設有錨鏈艙。對FPSO火炬緊急燃燒和連續燃燒工況進行熱輻射分析得出：船尾左舷錨機處的最大熱輻射強度分別為3.38 kW/m2（要求小于4.7 kW/m2） 和1.71 kW/m2（要求小于2.0 kW/m2），滿足企業標準要求[4]。16個定位吸力錨（P1～P8，S1～S8）所處海域水深范圍為1 432～1 513 m，每個吸力錨與FPSO舷側的掣鏈器的水平距離為2 100 m。

圖1 FPSO多點系泊總體布置示意

FPSO作業海域的設計環境條件見表1。為減少系泊荷載對FPSO穩性的不利影響，多點系泊系統在FPSO舷側布置見圖2，采用水下出鏈方案[5]，每根上部錨鏈由FPSO舷側水下的掣鏈器控制，并在舷側外采用保護架，避免發生船舶碰撞系泊設施的意外事故[6]。

表1 FPSO作業海域設計環境條件

圖2 多點系泊系統在FPSO舷側布置

2 FPSO系泊分析

2.1 FPSO系泊分析工況

FPSO系泊系統如發生斷纜事故通常需6～12個月才能完成修復。FPSO所屬公司針對系泊系統事故的教訓，編制了企業標準——《FPSO系泊系統設計總則》，對斷纜事故工況提出了特殊要求，系泊系統設計須考慮2根纜破斷的事故工況，以確定在修復斷纜之前維持生產的可能性，即任意2根纜破斷后仍可維持FPSO定位，1根纜破斷后仍可調整剩余的系泊纜上部錨鏈的長度，保證FPSO在10年一遇環境條件下仍可維持臨時生產。FPSO在拖船的輔助下仍能在1年一遇環境條件下進行原油外輸。該標準還要求FPSO系泊系統須額外采購并始終保有1根由上部錨鏈、中部鋼纜和海底錨鏈組成的完整系泊纜作為應急維修的備件。

FPSO系泊系統設計滿足國際標準化組織ISO 19901-7、美國石油學會API-RP-2SK和挪威船級社DNVGL-OS-E301等規范的要求[7-10]。系泊系統設計應用法國船級社的ARIANE7軟件，將FPSO船體與系泊系統的動力響應作為一個整體求解，其中FPSO船體的水動力系數、一階波浪力以及二階波浪力首先應用WAMIT軟件在頻域中計算，然后將其轉換到時域內，聯立求解方程得到耦合系統的整體運動響應[11]。系泊系統的回復力可通過求解系泊纜的動力學微分方程獲得。在已知水動力系數、波浪、風、流荷載和系泊回復力的基礎上，FPSO系泊系統的時域耦合運動方程可表達為[12]：

式中：M為FPSO浮體質量矩陣；A（∞）為頻率無窮大時FPSO浮體的附加質量矩陣；（t）為位移矢量；Kx（t）為靜水力回復剛度矩陣；h（t）為加速度卷積積分函數；F（t）為總的外部力，包括波浪激勵力（一階波浪力及二階波浪力）、系泊力、漂移力、阻尼力和定常力等。

FPSO總體設計按《國際防止船舶造成污染公約（MARPOL） 2004年修正案》要求，計算了FPSO船艙破損工況時的最大縱、橫傾角和掣鏈器的方向角范圍，確定保護架的底部高程，確保保護架被供應船碰撞變形后，保護架與掣鏈器之間的間距仍大于300 mm[4]。詳細設計進行了系泊設計輸入參數的敏感性分析，考慮了波浪譜峰周期敏感性、系泊纜長度和預張力誤差、吸力錨位置和角度安裝誤差、水下立管和油氣外輸管等因素對系泊設計的影響，為考慮合理的設計冗余提供依據。此外，詳細設計還進行了FPSO的風洞模型試驗和系泊模型水池試驗；風洞模型試驗測定了FPSO風、流荷載系數[13]；考慮到實際作業水深和試驗水池水深有限的矛盾，系泊模型水池試驗采用了混合截斷式模型試驗，對數值模擬結果進行驗證[14]。FPSO系泊錨鏈、纜主要設計參數及企業標準要求見表2和表3；上部錨鏈的直徑按照企業標準要求，考慮了0.4 mm/a的腐蝕冗余。

表2 FPSO系泊錨鏈、纜主要設計參數

表3 FPSO系泊設計企業標準要求及詳細設計結果

2.2 掣鏈器與船體界面荷載

FPSO系泊系統分析得出了在位操作、極端環境工況時，掣鏈器與船體界面處的荷載。根據DNVGL-OS-E301規范的要求，考慮FPSO的橫搖和縱搖，掣鏈器的水平面工作范圍角α（Horizontal design working range，DWR） 和垂向入口方向角β（Vertical design inlet angle，DIA） 須考慮 ±10°的冗余，其示意見圖3，界面處的荷載見表4[9]。

圖3 掣鏈器與FPSO船體界面荷載方向角示意

表4 掣鏈器與船體界面荷載（在位操作、極端環境工況）

按企業標準要求，系泊纜事故工況時任一掣鏈器處應能承受1.1倍的懸鏈線上最薄弱部件的最小破斷拉力及殘留的懸鏈線設施的重力，同時組合考慮同一組的其他掣鏈器處均承受1年一遇環境條件下的系泊拉力；系泊纜海上安裝工況時，水下立管、電纜、油氣外輸管等設施還未與FPSO連接，允許FPSO的平衡位置可偏離設計就位坐標點5 m，界面處的荷載見表5。按《國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）2004年修正案》要求，計算了FPSO船艙破損工況時的最大縱、橫傾角和掣鏈器的方向角范圍，此時所有掣鏈器處均承受1年一遇環境條件時的系泊拉力，見表6。

表5 掣鏈器與船體界面荷載（系泊纜事故、海上安裝工況）

表6 掣鏈器與船體界面荷載（船艙破損工況）

3 掣鏈器基座結構分析

單個掣鏈器的產品基座（見圖4）從上至下依次為：止升基座、上基座、下基座和拖航/水下維修綁扎基座，由掣鏈器廠家負責設計、交付。掣鏈器的產品基座結構分析按DNV-RP-C208規范考慮材料的彈塑性。按企業標準要求，基座的最大塑性應變小于5%；按DNV-RP-C203規范校核基座的疲勞壽命，FPSO舷外掣鏈器基座結構和艙內船體結構的疲勞壽命安全系數分別取10.0和5.0。按FPSO船體設計的要求，掣鏈器基座結構板材厚度不能超過60 mm，且按企業標準要求，板材厚度考慮6 mm的腐蝕冗余。

圖4 單個掣鏈器的產品基座組成

3.1 在位操作、極端環境和船艙破損工況

掣鏈器產品基座結構分析包括FPSO在位操作、極端環境和船艙破損工況。應用ANSYS軟件建立了掣鏈器和產品基座的整體有限元分析模型，計入掣鏈器和基座各部件的剛性以及掣鏈器轉動軸和基座軸孔之間的非線性接觸，使系泊拉力合理地傳遞到基座上，以便得到基座與船體界面處的準確荷載。應用ANSYS軟件建立了掣鏈器各產品基座的獨立有限元分析模型，施加界面荷載，分析結構應力和應變。下基座軸孔處的最大塑性應變為0.98%，見圖5。

圖5 掣鏈器下基座軸孔處的塑性應變

3.2 遠洋拖航和海上安裝工況

掣鏈器的拖航綁扎基座設計借鑒了同一遠洋拖航航線（東北亞-馬六甲-好望角-西非） 上的某FPSO濕拖時掣鏈器與基座綁扎件斷裂導致掣鏈器嚴重損壞的事故教訓，考慮掣鏈器上的風荷載、由波浪破碎引起的升力、阻力以及船體運動慣性荷載，按企業標準和DNV-RP-C205規范校核拖航綁扎相關結構設計。FPSO遠洋濕拖工期為85 d[2]，考慮正常拖航和拖航失速工況，見表7。掣鏈器受到的縱向、橫向和垂向最大荷載分別為0.12 g、0.41g和0.47g，縱向、橫向和垂向最大波浪破碎力分別為826 kN、1 487 kN和139 kN。掣鏈器和綁扎基座有限元分析見圖6。

表7 FPSO遠洋拖航和海上安裝工況設計條件

圖6 掣鏈器和拖航綁扎基座結構名義應力云圖

FPSO甲板錨機提升安裝系泊錨鏈的海上安裝工況按錨機的額定拉力和1年一遇環境條件的荷載校核掣鏈器及基座設計。此外，止升基座設計須考慮錨機進行系泊錨鏈提升安裝時，錨鏈環卡在掣鏈器內部的故障工況，止升基座對掣鏈器頂部起到限位作用，止升基座受到4 905 kN的頂升力。止升基座結構最大名義應力為144 MPa，小于許用應力234 MPa，見圖7。

圖7 掣鏈器止升基座結構名義應力云圖

4 FPSO船體結構分析

4.1 企業標準要求

掣鏈器基座與船體之間的界面是FPSO海洋工程影響范圍（Offshore Area）內的關鍵界面之一。與掣鏈器基座相關聯的船體結構設計滿足BVNR445、NR467和DNV-RP-C201規范要求。按公司企業標準——《FPSO船體結構設計總則》的要求，掣鏈器基座應布置在船體強桁材上。掣鏈器基座相關聯的船體內部結構處應有永久性檢查入口。船體基座拖航、海上安裝工況結構許用應力和在位操作工況結構許用應力相同；極端環境工況結構許用應力為在位操作工況結構許用應力的1.33倍；事故工況結構許用應力為在位操作工況結構許用應力的1.67倍。

掣鏈器基座及與之相關的船體局部加強艙壁、桁材、骨材和加厚板等結構均屬于海洋工程影響范圍，見圖8（a）。由掣鏈器荷載在船體結構上產生的名義應力（Von Mises應力） 超過30 MPa的范圍也屬于海洋工程的影響范圍。掣鏈器下基座對FPSO舷側平臺甲板的海洋工程影響范圍見圖8（b）。

4.2 船體總縱彎曲分析

FPSO在船體傾斜時，除了在垂向產生總縱彎曲以外，還會在水平向產生總縱彎曲。每一組的4個掣鏈器的上基座連結為一體后的縱向總長為10 m，與掣鏈器基座相關的船體設計應按BV-NR445規范要求，考慮承受FPSO垂向、水平向總縱彎曲荷載的組合工況，見表8。

圖8 掣鏈器基座對FPSO船體結構的海洋工程影響范圍

FPSO船體設計應用 MSC/PATRAN、NASTRAN軟件建立了船首80 m長和船尾90 m長的艙段有限元模型，按BV-NR445規范組合施加船體的垂向、水平向總縱彎曲、船體運動慣性、舷外海水壓力和艙內液體壓力等荷載，計算每組掣鏈器基座處15 m長度內的船體結構總縱彎曲應力和應變。FPSO船首、船尾段總縱彎曲最大變形如圖9所示，最大變形見表9。

4.3 掣鏈器基座與船體結構分析

FPSO詳細設計時，分別在船首和船尾艙段有限元模型中再施加掣鏈器基座處的界面荷載，分析得出船體結構的名義應力，見表10。

因掣鏈器廠家僅對產品基座進行了結構分析，未考慮FPSO船體總縱彎曲荷載的影響因素，故FPSO工程總承包商重點檢查了基座與船體界面處的應力熱點，確定了界面處的過渡節點細節、全熔透焊接范圍和焊縫設計，并再次對掣鏈器的產品基座局部結構設計節點進行了應力和疲勞壽命核實，見圖10。基座結構的應力集中區是結構疲勞強度的薄弱環節，按DNV-RP-C203、C206規范和有限元法計算基座結構的應力集中系數（SCF），其最大應力集中系數為1.11。分析結果表明，FPSO舷外掣鏈器基座結構和艙內船體結構的最小疲勞壽命分別為589年和4 731年。掣鏈器下基座與FPSO舷側外板焊接節點圖見圖11。

表8 FPSO船體總縱彎曲荷載

圖9 FPSO船首、船尾段總縱彎曲變形（100年一遇環境條件）

表9 FPSO船體總縱彎曲最大變形

5 結束語

以深水超大型FPSO多點系泊掣鏈器及基座為分析對象，按公司企業標準、船級社規范對FPSO多點系泊系統設計工況的要求，運用時域耦合水動力分析方法，計算了系泊纜拉力和掣鏈器與船體界面處的荷載。運用有限元分析方法，計算了掣鏈器、基座及FPSO船體結構強度，確定了掣鏈器基座對FPSO船體結構的影響范圍，預測了掣鏈器基座和FPSO船體結構的疲勞壽命。FPSO多點系泊掣鏈器及基座的設計分析成果可為FPSO船體和系泊系統的完整性管理提供技術依據。

表10 掣鏈器基座與船體結構名義應力

圖10 掣鏈器基座和船體結構名義應力云圖（2根纜破斷，100年一遇環境條件）

圖11 掣鏈器下基座與FPSO舷側外板焊接節點圖