海洋石油115 FPSO船體結構狀態評估

徐業峻，王 棟，周楊柳，劉中柏，梁興華

(中海油能源發展股份有限公司采油深圳分公司 廣東深圳 518052)

0 引 言

FPSO具有較大油田開發的經濟性優勢，被廣泛用于世界各地的淺水到深水油田開發。FPSO一般10～15年才進塢1次，服役期間常常遭遇惡劣臺風天氣。據統計南海每年都會有4～5次臺風，海況多變，船體結構受到的外力載荷具有很強的隨機性。在遭遇極端海況、船體結構設計缺陷、裝配不合理或人員操作失誤等因素的影響下，船體結構極易遭到破壞，在船舶設計建造時也很難通過經驗和理論預測這種隨機性對結構的破壞[1-2]。近年在渤海和南海 FPSO發現一些結構損傷，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大量裂紋、上部模塊支墩焊縫裂紋等[3]。國內FPSO運營期間因油田調整等原因，上部模塊均存在設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，傾斜試驗無法執行[4]。因此，有必要在FPSO塢修前進行結構狀態評估[5]。

海洋石油115FPSO船體由708所于2003年設計完成，2007年在西江油田投產，現已連續服役 13年。經確認船體結構狀態并開展海上結構測厚工作，發現壓載艙、船外板等局部腐蝕嚴重、油漆脫落或起泡，已不能有效發揮保護作用。基于此，利用現場結構測厚數據帶入船體有限元模型計算分析，目的是發現結構強度和疲勞強度的不足之處，為后期塢修做好準備。

1 海洋石油115 FPSO主要參數

總長232m；載重水線長225m；型寬46m；型深24.1m；設計吃水16m；結構吃水16.3m；載重量約 12萬t；工藝模塊濕重約7200t；設計壽命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 船體結構評估計算方法及環境基礎

2.1 船體結構評估方法

對船體進行結構分析以評估船體結構的屈服、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計結構的腐蝕裕量。為此，進行了包括基于2D剖面的縱向結構件強度分析和疲勞強度分析[6-7]，基于3D有限元的三艙段結構剖面計算評估方法見圖3。

圖3 船體結構評估方法 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計圖紙和設計資料完成。

2.2 作業海域海況及波浪條件

浮式生產儲油船的船體結構評估中需要考慮其作業海域的海況，包括該海域的海洋氣象數據和系泊等條件，波浪信息包括浪向、波譜、波頻等，以上信息及數據是確定結構所受環境荷載的基礎要素。

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

根據BV規范，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，按照船級社規范要求，計算中考慮了 6 種最為嚴酷的典型裝載工況。

3 2D剖面模型有限元分析

3.1 2D剖面模型

采用2D剖面模型對船體結構的縱向構件進行計算[7]，沿船長方向選取典型橫剖面進行計算，其計算結果用于評估尺寸是否滿足最新BV規范的要求。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 船體結構評估方法 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剖面模型分析結果

3.2.1 船體梁總縱強度

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

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

中垂和中拱應滿足以下檢查標準：

在中拱狀態下，實際載荷/極限載荷＝69.73%。

在中垂狀態下，實際載荷/極限載荷＝84.78%。

計算結果表明：船體梁的極限載荷滿足規范 要求。

3.2.3 縱骨疲勞

利用MARS2000程序對船體內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、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，結果表明：構件滿足最新的BV海工規范要求。

4 3D艙段有限元模型

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

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件的結構細節(如趾端)進行了疲勞評估。分析的疲勞結果表明：計算疲勞壽命結果均大于40年，超出本船25年設計年限，疲勞壽命滿足規范要求。

5 結 語

FPSO從投產到第1次塢修，一般面臨著生產模塊的改造增重和升版的設計標準規范，故FPSO塢修前的船體結構評估是一項必要工作。本文將海洋石油115FPSO現場結構測厚數據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果，雖然表明強度和疲勞結果滿足船級社最新規范要求，但結合現場結構測厚數據，發現局部區域腐蝕超過20%，加上現行BV海工規范比建造當年的規范更嚴格，因此船體結構中存在低于規則標準的構件，需要在后期塢修過程中進行更換或加強?！?/p>