深水浮式生產儲油卸油裝置海水提升系統結構設計

張美榮，徐田甜，何寧強，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）有限公司 天津分公司，天津 300459）

超大型浮式生產儲油卸油裝置（FPSO）是深水油田開發的重要工程設施。海水冷卻系統是FPSO正常生產必須的公用系統之一。FPSO海水冷卻系統有船舶機艙海水冷卻系統和舷外潛沒式海水提升系統2種。舷外潛沒式海水提升系統的應用可降低FPSO機艙海水泵的排量和海水管道的尺寸，縮小FPSO的機艙尺度，使海水提升系統具有更高的可靠性和可維護性［1-2］。

文中以某石油公司一艘深水多點系泊FPSO海水提升系統為例，結合該公司制定的《FPSO總體設計總則》（簡稱企業標準 1）、《FPSO船體結構設計總則》（簡稱企業標準2）以及《玻璃鋼（Glass reinforced epoxy）管道應力設計總則》（簡稱企業標準3）的要求，介紹海水提升系統結構設計的技術要點和成果。

1 海水提升系統總體方案

1.1 FPSO概況

FPSO作業油田的水深范圍為1 150～1 750 m，船體主尺度（總長×型寬×型深）為330 m×61 m×33.5 m，滿載吃水25.81 m，最小作業吃水10.65 m。遠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，設計壽命 25 a，并可延長服役 15 a［3-8］。

1.2 海水提升系統概況

1.2.1 設計條件參數

FPSO海水提升系統主要由4臺潛沒式海水提升泵（簡稱提升泵）、提升泵保護管（簡稱護管）、海水玻璃鋼管道（簡稱管道）、海水提升軟管（簡稱軟管）等核心設施，以及管道支架平臺、海上安裝支架、防撞保護架等輔助設施組成。提升泵在護管內，泵頭定位在護管底部，每根護管底端下方懸掛8節軟管，每節軟管長10.53 m。海水提升系統主要設計條件參數見表1。

表1 海水提升系統主要設計條件參數

1.2.2 環境條件

FPSO作業海域/拖航航線設計環境條件見表2。

表2 FPSO作業海域/拖航航線環境條件

1.2.3 護管布置

護管是提升泵的外部保護設施，護管內徑1.2 m，滿足泵頭可順利下放到護管底端的要求。企業標準1要求，①不允許將護管布置在FPSO船體內部，同時FPSO舷外設施的布置應考慮船舶碰撞風險。②不允許護管與其防撞保護架共用船體基座，避免碰撞事故發生時的升級效應。保護架被撞變形后與護管的間距應大于 300 mm［3-5］。按照企業標準1將護管布置在FPSO右舷外，設置護管防撞保護架，設置護管專用船體基座，總體布置見圖1。

圖1 FPSO右舷護管總體布置

1.2.4 護管及船體基座標高

每根護管的3個船體基座分別設置在FPSO舷側上、中、下位置，對應稱作上基座、中基座及下基座。護管頂端與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最小作業吃水之上，便于下基座焊縫的檢測和修復。護管的底端高程滿足FPSO最小作業吃水以及最大傾斜工況時仍能保證海水提升的技術要求［4-5］。為避免FPSO拖航工況時泵頭觸碰海床，將護管臨時提升、焊接固定在上基座處，使護管底端在FPSO船底之上1.2 m。

護管及船體基座標高（距離FPSO船底基線高度）見表 3。

表3 護管及船體基座標高 m

1.3 海水提升系統建造及安裝方案

FPSO在船廠建造，通過遠洋拖航至油田，現場安裝。拖航工期為85 d，油田現場海上安裝工期為6個月［5-6］。為縮短海上安裝工期，在拖航工況時每根護管內預先安裝3節軟管，FPSO在油田系泊定位后切除上基座處的臨時固定肘板，用海上安裝支架將護管下放11.2 m，現場焊接上基座面板上的環形焊縫和肘板，再用主起重機將5節軟管依次下放，然后下放安裝海水提升泵頭。FPSO海水提升系統建造及安裝過程關鍵工序示圖見圖2。

圖2 FPSO海水提升系統建造及安裝過程關鍵工序示圖

1.4 護管及船體基座裝配

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

圖3 護管及船體基座裝配界面

2 護管及船體基座結構分析

2.1 泵和軟管懸掛荷載

單根護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%。每根護管內的泵設備、管道自重合計為13.7 t。提升泵是旋轉動設備，考慮設備旋轉扭矩的影響，自重荷載取25%的冗余系數，施加在每根護管的頂端。

2.2 有限元分析

2.2.1 對象結構建模

應用PATRAN/NASTRAN軟件建立FPSO船首部110 m長艙段（FR.0-FR.110肋位）的結構有限元模型,見圖4。有限元網格尺寸小于100 mm×100 mm，應力熱點區的有限元細網格尺寸級別為2t× 2t（t為構件厚度）。

圖4 FPSO船首部艙段結構有限元模型

2.2.2 應力分析參數

護管及船體基座結構靜力分析采用的主要條件參數見表4。

表4 護管及船體基座結構靜力分析主要條件參數

2.2.3 應力分析要點

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

FPSO總體設計時，按《國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）73/78》［10］計算船艙破損工況時的最大吃水和縱、橫傾角［7-8］。按照企業標準2，護管和中、下基座取6 mm腐蝕裕量，上基座取3 mm腐蝕裕量，艙內船體結構取0.5 mm腐蝕裕量。FPSO船體海洋工程區的結構屈服強度滿足BV-NR445—2013 《Rules for the Classification of Offshore Units》［11］要求，船舶區的結構屈服強度滿足BV-NR467—2013《Rules for the Classification of Steel Ships》［12］要求，船體結構屈曲強度滿足DNVGL-RP-C201—2010《Buckling Strength of Plated Structures》［13］要求。按照企業標準2，基座及與之相關的船體艙壁、桁材、骨材和加厚板等結構均屬于海洋工程區，護管荷載在FPSO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區。

按照BV-NR467—2013，進行護管及船體基座結構靜力分析時組合施加FPSO各典型荷載工況時的船體荷載，護管受波浪、海流荷載，運動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、貨油艙內壓力荷載和運動慣性荷載。

表5 護管及船體基座結構靜力分析荷載組合

2.2.4 應力分析結果

護管及船體基座結構許用名義應力見表6，構件最大名義應力計算結果見表7。根據護管強度分析結果確定的護管壁厚為24 mm。按照DNVGL-RP-C205—2010進行校核，結果表明護管在拖航工況時不會發生渦激振動。

表6 護管及船體基座結構許用名義應力

表7 護管及船體基座結構構件最大名義應力計算結果

2.2.5 應力熱點位置

根據護管及船體基座結構名義應力分析結果確定的應力熱點分布見圖5。其中，應力熱點A位于護管下基座面板趾端位置，應力熱點B位于上基座面板海上現場焊接環形焊縫位置，應力熱點C位于上基座面板趾端位置。

圖5 護管及船體基座結構應力熱點分布

2.3 船體基座疲勞分析

2.3.1 建模及分析方法

應用 PATRAN軟件建立 FPSO船體 FR.65～FR.80肋位處的舷側及護管基座結構細網格有限元模型，見圖6。應力熱點區的精細化有限元網格尺寸級別為 t×t。基于 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，應用DNV SESAM軟件分析基座的疲勞累積損傷，計算應力熱點的疲勞壽命。

圖6 船體基座疲勞分析有限元模型

2.3.2 工況參數

船體基座疲勞分析典型工況參數見表8。基座結構疲勞綜合考慮了FPSO海上安裝和在位操作期間的原油裝卸作業工況，計入的荷載包括船體受靜水荷載、波浪荷載、貨油艙內壓力荷載、運動慣性荷載和軟管懸掛荷載等，得到在FPSO全生命周期內的疲勞累積總損傷。基座結構的疲勞壽命設計目標為25.5 a，其中包括在位操作時間25 a和海上安裝時間0.5 a。FPSO的20個貨油艙中的原油分為A組和B組交替進行外輸，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

2.3.3 分析結果

船體基座應力熱點疲勞分析結果見表9。其中，疲勞設計安全系數SF按照企業標準2取值。S-N曲線按照DNVGL-RP-C203—2012中相關規定選取。

表9 船體基座應力熱點疲勞分析結果

2.3.4 焊接技術要求

應力熱點B環焊縫焊接節點圖見圖7，應力熱點C焊接節點圖見圖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，對應力熱點 C處 250 mm長度范圍內的焊縫提出了背刨清根和焊趾平整的技術要求，此要求是進一步提高焊縫疲勞壽命的補充措施，同時有利于提高FPSO運營期內焊縫檢驗可靠性［15］。

圖7 應力熱點B焊接要求圖

圖8 應力熱點C焊接要求圖

3 管道支架平臺結構分析

海水提升系統在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、材質輕并且水力學性能好，在FPSO的海水系統有廣泛應用［16］。玻璃鋼管道設計中考慮了自重荷載、風荷載、溫度荷載、船體變形荷載和運動慣性荷載等［17］。按照企業標準3，僅承受自重荷載的玻璃鋼管道垂向變形應小于10 mm。應用CAESAR II軟件建立海水系統玻璃鋼管道分析模型，進行應力分析和水錘分析。

根據 ASME B31.3—2016《Process Piping》［18］，評估玻璃鋼管道的一次應力、二次應力、偶然應力、管道支架支反力以及管口荷載等。應用SACS軟件建立管道支架平臺結構分析模型，采用CAESAR II軟件分析管道在限位支座上的支反力荷載，分析管道支架平臺在位操作、極端環境、拖航、FPSO船艙破損等工況的強度和剛度。

FPSO海水提升系統玻璃鋼管道支架結構分析模型見圖9。FPSO船艙破損工況時船體橫傾角取為25°，對圖9中管道支架平臺上玻璃鋼管的x、y向限位支座 （包括x向支座 1個、y向支座 2個）進行反力分析，結果見表10。管道支架平臺結構應力分析結果滿足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構分析模型

表10 FPSO船艙破損工況玻璃鋼管道限位支座支反力

4 海上安裝支架結構分析

4.1 安裝方案

每根護管質量為32.825 t，拖航工況時護管內預安裝的3節軟管質量為6.975 t。FPSO右舷主起重機主鉤的額定起重能力為25 t，無法完成護管的下放作業。護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個海上安裝支架，在支架吊梁上設4個氣動吊裝機具吊裝點，吊裝點額定荷載為45 t，氣動吊裝機具額定荷載為50 t。懸掛式海上安裝支架自重質量為9.5 t，由主起重機安裝、拆卸，見圖10。

圖10 護管海上安裝支架

4.2 應力分析

應用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構分析模型，海上安裝工況取1.5倍的吊裝荷載垂向動載系數和0.1倍的水平方向荷載系數，并考慮了上層甲板處的運動慣性荷載和風荷載，結構應力分析結果見圖11，分析得到的結構強度、剛度滿足API RP 2A WSD 21st,2007(R-2010)要求。

圖11 海上安裝支架結構應力分析結果（海上安裝工況）

5 防撞保護架結構分析

FPSO工程設計中開展了船舶碰撞量化風險分析，對海上安裝、生產、維修中的船舶碰撞事故及其后果進行系統分析，針對事故發生的可能原因和條件，提出降低風險的技術措施，確保船舶發生誤操作或設備故障后碰撞FPSO也不會導致重大事故［3］。護管防撞保護架按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］設計。供應船滿載排水量為7 500 t，船首和船側碰撞工況的附加水質量分別按0.1和0.4倍供應船排水量取值，供應船撞擊保護架時的速度為1.35 m/s。應用LS-DYNA3D軟件進行供應船撞擊護管保護架分析，供應船船首撞擊保護架變形分析結果見圖12，供應船舷側撞擊保護架變形分析結果見圖13。供應船撞擊保護架結構變形和應力結果見表11。按照保護架變形后與護管間距大于300 mm，FPSO舷側結構名義應力小于規范許用應力346.5 MPa對撞擊事件進行評價，結果滿足企業標準2和BV-NR445—2013要求。

圖12 供應船船首撞擊保護架變形分析結果

圖13 供應船舷側撞擊保護架變形分析結果

表11 供應船撞擊保護架結構變形和應力分析結果

6 結語

深水超大型FPSO采用潛沒式海水提升系統技術已漸趨成熟。海水提升泵護管及FPSO船體基座是船級社規范中界定的海洋工程區的重要結構物，應根據FPSO作業海域和拖航航線的環境條件、海上安裝方案以及企業標準要求合理地布置。海水提升系統結構設計中考慮了FPSO在位操作、極端環境、船艙破損、拖航、海上安裝和供應船碰撞等工況。按DNV、BV船級社規范和公司企業標準要求開展了護管、船體基座、管道支架平臺、海上安裝支架和防撞保護架結構設計分析，保證了海水提升系統海上安裝作業的安全、高效，滿足了結構設計壽命的要求。