FPSO 護(hù)舷材及相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

鄭 力

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

海上浮式生產(chǎn)儲油船（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO） 是對開采的石油進(jìn)行油氣分離、處理含油污水、動力發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲存和運(yùn)輸，集人員居住與生產(chǎn)指揮系統(tǒng)于一體的綜合性的大型海上石油生產(chǎn)基地。與其他形式石油生產(chǎn)平臺相比，F(xiàn)PSO 具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲/卸油能力大以及可轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用的優(yōu)點，廣泛適用于遠(yuǎn)離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)，已成為海上油氣田開發(fā)的主流生產(chǎn)設(shè)備。世界第一艘FPSO 自20 世紀(jì)70年代改裝運(yùn)營至今，經(jīng)過40 多年的應(yīng)用，在生活模塊、系泊模塊、上部模塊方面技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是目前對FPSO 救生模塊方面的相關(guān)研究較少[1]。全球現(xiàn)役FPSO 中有70%由舊油輪改造而成，舊油輪改造受尺寸、價格、適用海域等影響，還與自身的船齡、船體結(jié)構(gòu)、航行歷史等因素有關(guān)。改造方案具有投產(chǎn)時間短，前期投資少，油田適應(yīng)性良好等優(yōu)勢[2]。

閆小順等[3]采用有限元數(shù)值計算法對嵌入式帶纜樁甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行計算，分析得到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與帶纜樁連接的最優(yōu)方案。王柱[4]分析了FPSO上部模塊支墩結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度及疲勞產(chǎn)生的主要誘因。杜璽等[5]通過有限元法對系泊設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，確定了滿足船級社規(guī)范的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方案。顧俊[6]對原油船的系泊絞車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及評估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。李振霞等[7]針對吊艇架結(jié)構(gòu)及母船結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，設(shè)計出吊艇架被動式抗擺系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真驗證。馮啟榮[8]通過對大型艦船的吊艇架結(jié)構(gòu)建立動力學(xué)模型，設(shè)計了吊艇架結(jié)構(gòu)及母船結(jié)構(gòu)的被動式抗擺系統(tǒng)。張士超[9]通過對吊艇架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析及現(xiàn)場檢驗，提出了吊艇架的安全評估新思路。王曉蕾等[10]通過有限元分析FPSO 火炬臂船體運(yùn)動疲勞和風(fēng)激疲勞，計算出火炬臂結(jié)構(gòu)的最終累積疲勞。梁光強(qiáng)等[11]對FPSO 的內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析及設(shè)計載荷的計算。童波[12]通過分析西非海域風(fēng)浪流等海況環(huán)境特點，提出了西非深水FPSO 的總體設(shè)計方案。新開發(fā)的油田由于無發(fā)達(dá)海底基建，需要穿梭油輪進(jìn)行外輸作業(yè)，故具備較大儲油功能的FPSO 成為油田開采的必需品。

1 FPSO 及護(hù)舷材簡介

本項目由151000 DWT 原油船改造而成，作業(yè)地點位于印度石油天然氣公司（ONGC） 在印度東海岸深水區(qū)開發(fā)的KG-DWN-98/2 區(qū)塊中北部發(fā)現(xiàn)區(qū)（NDA） 的第二組油氣田，距離最近的陸地25～40 km，水深300～3200 m，采用單點系泊的方式。

FPSO 在超深水油氣田開發(fā)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用，油井的原油處理在FPSO 上進(jìn)行，在海上通過串聯(lián)卸載軟管將石油穩(wěn)定并儲存在船體油箱中，再通過穿梭油船處理并輸出到CPP 平臺，然后轉(zhuǎn)移到陸上天然氣碼頭。FPSO 外輸作業(yè)時容易與穿梭油船發(fā)生碰撞，因此，需要在船舶兩舷靠近吊車的位置加裝護(hù)舷裝置，本項目采用的是橫濱式護(hù)舷，護(hù)舷材布置在FPSO 主甲板兩舷處（見第139 頁圖1），1號基座位于FR59～FR62 左舷，2 號基座位于FR68～FR70 左舷，3 號基座位于FR75～FR78 右舷，4 號基座位于FR81～FR84 右舷。ABS-FPI 規(guī)范要求校核4 個護(hù)舷材基座的強(qiáng)度和FPSO 現(xiàn)有的船體結(jié)構(gòu)在設(shè)計運(yùn)行條件（DOC） 和設(shè)計環(huán)境條件（DEC）兩種情況下的強(qiáng)度。

圖1 護(hù)舷材基座布置圖（平面圖）

2 有限元強(qiáng)度計算

2.1 有限元方程及規(guī)范要求

2.1.1 薄板應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系方程

2.1.2 ABS-FPI 規(guī)范屈服失效準(zhǔn)則

FPSO 護(hù)舷材基座與船體相連接的構(gòu)件應(yīng)按規(guī)定確定其許用應(yīng)力值[σ]為

式中：ReH為材料的最小屈服應(yīng)力，N/mm2；S 為安全系數(shù)。

板材屈服校核公式為

式中： σeq為等效應(yīng)力，N/mm2，取板單元形心處的中面應(yīng)力值（膜應(yīng)力）計入；σx為單元方向的應(yīng)力，N/mm2；σy為單元y方向的應(yīng)力，N/mm2；τxy為單元xy 方向的應(yīng)力，N/mm2。

2.2 模型構(gòu)建

為了將護(hù)舷材較好地固定在甲板上，設(shè)計了相應(yīng)的基座，并在甲板下進(jìn)行了加強(qiáng)，分別構(gòu)建了4個護(hù)舷材及其相應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的模型。護(hù)舷材基座采用局部立體結(jié)構(gòu)模型，模型的邊界在水平位置上，以支撐結(jié)構(gòu)有效作用平面長方形的形心為中心，向四周分別擴(kuò)展至少1 倍的該長方形對應(yīng)邊長的距離，即擴(kuò)展后總長為原長的3 倍。垂向位置從基座面擴(kuò)展至甲板之下的第一個平臺甲板。所有結(jié)構(gòu)均以板材元素為模型，設(shè)備負(fù)載通過帶剛性鏈接的橡膠結(jié)構(gòu)應(yīng)用于基座。由于船舶搖擺，護(hù)舷材重量和負(fù)載被作為力施加到吊柱手臂剛性鏈的重心點，吊柱手臂及其絞車的自重被應(yīng)用到吊柱手臂的重心點。校核結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm，其他為300 mm×300 mm，見圖2。

圖2 甲板及基座結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型（4 號）

2.3 裝載和負(fù)載條件

作用于護(hù)舷材吊柱的力與載荷由相應(yīng)的作業(yè)與環(huán)境條件確定，規(guī)范要求在設(shè)計護(hù)舷材時應(yīng)明確規(guī)定起重機(jī)的性能，例如安全工作負(fù)荷、起升載荷、工作幅度、起升高度、護(hù)舷材吊柱的各種運(yùn)動速度和制動次數(shù)等。另外，由船舶運(yùn)動與傾斜所產(chǎn)生的載荷、風(fēng)力與環(huán)境的影響都對護(hù)舷材結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此依據(jù)護(hù)舷材說明書結(jié)合護(hù)舷材吊柱的用途和作業(yè)特性，考慮其受力和載荷有如下6種情況：結(jié)構(gòu)自重載荷（工況1）；起升載荷（工況2）；搖擺狀態(tài)下產(chǎn)生的載荷（工況3～工況5）；護(hù)舷材自重產(chǎn)生的載荷（工況6）；作用于B 點、D點的設(shè)備超重力矩（工況7～工況8）；由于護(hù)舷材搖擺產(chǎn)生的額外載荷（工況9～工況11）。

3 結(jié)果校核分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)規(guī)范計算所得數(shù)據(jù)見第140 頁表1。

表1 根據(jù)規(guī)范計算數(shù)據(jù)

甲板最大總應(yīng)力為2249 kg/cm2=220.6 MPa。

依據(jù)ABS-FPI 第5A 部分，第1 章第3 節(jié)的施用應(yīng)力來校核強(qiáng)度是否滿足，見表2。

表2 規(guī)范許用應(yīng)力值 （MPa）

分析結(jié)果表明，基座和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的材料屈服應(yīng)力為355 MPa，現(xiàn)有的縱向結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為315 MPa，目前應(yīng)力水平低于普通鋼許用應(yīng)力。當(dāng)護(hù)舷材吊柱的負(fù)荷過大，導(dǎo)致甲板上支撐結(jié)構(gòu)難以承受時，會對船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。因此，有必要分析其可能遇到的各種工況，并對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析和校核。校核結(jié)果與船級社規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，分析某些地方應(yīng)力值過大的原因。局部應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表3 整個結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果（局部應(yīng)力）（MPa）

表4 顯示了主甲板總應(yīng)力和局部應(yīng)力。建模區(qū)域主甲板均為高強(qiáng)鋼，屈服應(yīng)力為315 MPa。

表4 主甲板最大總應(yīng)力 （MPa）

DEC 狀態(tài)下，最大總應(yīng)力為254.3 MPa，低于許用應(yīng)力283.5 MPa。盡管DOC 狀態(tài)下的總應(yīng)力大于220.5 MPa，可是考慮到計算區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm，根據(jù)ABS-FPI 指南，許用應(yīng)力應(yīng)為0.97Smfy=0.97×0.95×315 MPa=290.3 MPa，該應(yīng)力仍符合要求。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，所有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足設(shè)計負(fù)載，所有校核結(jié)構(gòu)在許用范圍內(nèi)是安全的。

通過觀察應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力非常小，需考慮去掉甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)能否滿足強(qiáng)度要求，如滿足強(qiáng)度要求，既可以減少改裝項目的施工周期，又可降低加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的材料成本。因此，刪除模型中甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)再進(jìn)行計算，見圖3。

圖3 甲板下沒有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力(DOC)

甲板下沒有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)同樣能夠滿足強(qiáng)度要求。因此，確定最終加強(qiáng)方案僅保留甲板以上的基座部分，去除甲板下的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，見圖4。

總之，文中參考了國內(nèi)外新建及改造FPSO 項目的結(jié)構(gòu)有限元計算，發(fā)現(xiàn)目前對FPSO 上部模塊、系泊模塊、船體模塊、居住模塊等的研究相對較多，但是對護(hù)舷材及其相關(guān)船體結(jié)構(gòu)部分的有限元計算較少。文中首先對印度近海岸油氣田進(jìn)行開發(fā)的FPSO 項目背景進(jìn)行了簡單介紹，對護(hù)舷材的布置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明；其次按照ABS－API 規(guī)范的相關(guān)屈服強(qiáng)度要求進(jìn)行校核，采用有限元計算的方法，利用FPSO 及其護(hù)舷材相關(guān)圖紙，構(gòu)建相關(guān)結(jié)構(gòu)的有限元模型，分別對11 個典型工況進(jìn)行校核計算，發(fā)現(xiàn)設(shè)計的基座及甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)完全能夠滿足規(guī)范要求，而且甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力較小，本著經(jīng)濟(jì)適用性最大化原則，嘗試計算去除甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)后再一次進(jìn)行有限元計算，發(fā)現(xiàn)此時甲板及基座同樣能夠滿足規(guī)范要求；最后確定最終的加強(qiáng)方案。由此可知，在進(jìn)行甲板上改裝項目時，甲板下的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)并不是必需的，設(shè)備基座及原甲板結(jié)構(gòu)就可以負(fù)擔(dān)改裝項目的強(qiáng)度，這樣既節(jié)約材料又減少了改裝項目的施工工期，以供相關(guān)工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。