FPSO 模塊支墩建造精度控制方法研究

楊亞男，唐 坤，陳曙梅，王 璞

（1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 中海油深圳分公司，深圳 518067）

0 引 言

海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（Floating Production Storage and Offloading Unit，簡(jiǎn)稱FPSO）主甲板上布置有油氣工藝處理模塊，油氣工藝模塊通過模塊支墩結(jié)構(gòu)和主船體相連接。模塊支墩結(jié)構(gòu)需承受油氣工藝模塊的重力及慣性力，由于FPSO長(zhǎng)期系泊于海上，模塊支墩結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和疲勞壽命。由于FPSO自身的特點(diǎn)，往往是船體和上部模塊分別由不同的承包商來建造。上部模塊在建造完成后，再吊裝到船體上。模塊支墩結(jié)構(gòu)就成為了上部模塊和船體結(jié)構(gòu)的連接界面。在船體結(jié)構(gòu)和模塊結(jié)構(gòu)的各自的建造過程中，船體部分和工藝模塊部分各自會(huì)產(chǎn)生建造誤差，另外在工藝模塊吊裝的過程，由于工藝模塊自身的變形和內(nèi)部應(yīng)力的釋放，又會(huì)在界面處產(chǎn)生一些建造誤差，以上各生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差相疊加，在最后的工藝模塊吊裝的時(shí)候，模塊支墩的安裝界面往往會(huì)產(chǎn)生非常顯著的建造誤差。FPSO建造誤差的存在對(duì)模塊支墩的強(qiáng)度和疲勞壽命都有非常不利的影響，而模塊支墩又是承受大載荷的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度和疲勞壽命都有很高的要求。有必要對(duì)于FPSO模塊支墩結(jié)構(gòu)的建造精度衡準(zhǔn)進(jìn)行專門研究。因此選取某型新建FPSO上模塊支墩結(jié)構(gòu)形式，通過有限元法，研究了模塊支墩結(jié)構(gòu)在帶有建造誤差情況下的強(qiáng)度和疲勞壽命，得到了對(duì)于FPSO的模塊支墩建造過程誤差控制的方法。

1 FPSO模塊支墩結(jié)構(gòu)

FPSO的油氣工藝模塊一般沿船長(zhǎng)布置在貨油艙區(qū)主甲板上，工藝模塊和船體之間的連接部分就是模塊支墩結(jié)構(gòu)（圖1～4）。模塊支墩形式上分為兩種，一種為固定支墩，一種為滑動(dòng)支墩，滑動(dòng)支墩可以沿船長(zhǎng)方向滑動(dòng)，用以釋放船體在波浪作用下的總縱變形。當(dāng)前為縮短FPSO的建造工期，模塊部分和船體部分采取分開建造的方式。模塊支腿底封板的結(jié)構(gòu)形式適用于上部模塊建造階段的單獨(dú)放置，然后在 FPSO船體貨艙區(qū)主甲板貫通合攏后，上部模塊再整體吊裝上去。目前此類支墩形式適用于FPSO的實(shí)際建造情況，是目前我國(guó)FPSO模塊支墩的主流形式。

圖1 FPSO上部模塊支墩布置側(cè)視

圖2 FPSO上部模塊支墩布置平面

圖3 FPSO模塊支墩結(jié)構(gòu)

圖4 FPSO模塊支墩

2 模塊支墩界面誤差分析

2.1 模塊支墩的建造誤差

1) 船體部分和模塊部分的建造累計(jì)誤差；

2) 吊裝誤差，模塊在起吊后由于受力狀態(tài)的變化會(huì)產(chǎn)生變形，由于吊裝變形引起的誤差。

2.2 模塊支墩安裝誤差

2.2.1 分界面Z向間隙

由于各個(gè)模塊支腿底封板不能完全共面，在模塊支墩吊裝時(shí)，往往出現(xiàn)某個(gè)模塊支腿“懸空”的現(xiàn)象。模塊支腿底封板和模塊支墩頂板在吊裝時(shí)出現(xiàn)了Z向間隙（見圖5），導(dǎo)致垂向載荷不能傳遞，這將導(dǎo)致整個(gè)上部模塊受力狀況發(fā)生改變，Z向間隙在模塊支墩的建造中應(yīng)完全避免。Z向間隙是FPSO建造誤差中對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大而且最難以避免的一種誤差，建造中應(yīng)制定詳盡的測(cè)量安裝方案，盡可能的縮小偏差。

2.2.2 模塊支腿底封板中心相對(duì)于模塊支墩頂板中心的偏移

模塊支墩頂板中心和模塊支腿底封板中心不能完全重合，這將導(dǎo)致載荷傳遞的過程中產(chǎn)生附加彎矩。如果中心偏移過大，還可能影響模塊底封板連接焊縫的施工（見圖6）。

圖5 模塊支腿底封板和模塊支墩頂板之間的Z向間隙

圖6 模塊支腿底封板中心相對(duì)于模塊支墩頂板中心的偏移

2.2.3 模塊支墩下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和模塊支墩結(jié)構(gòu)之間的板厚對(duì)齊誤差

模塊支墩結(jié)構(gòu)通過中心十字板和周圍側(cè)板和船體甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相連，十字中心板主要傳遞垂向載荷，周圍側(cè)板保證了支墩的整體剛度?？梢詡鬟f剪力和彎矩。支墩結(jié)構(gòu)和下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)間的連接焊縫強(qiáng)度和疲勞壽命要求嚴(yán)格。但實(shí)際建造中，支墩下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需要在分段階段裝配，上部模塊的吊裝工期往往是非常緊張的，客觀上不能在主甲板上放樣散裝模塊支墩，模塊支墩往往是在主甲板貫通以后整體吊裝，這種建造方式容易使支墩和下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板厚對(duì)齊上產(chǎn)生誤差（見圖 7～9）。

圖7 模塊支墩的中心十字板和周圍側(cè)板

圖8 中心十字板和下加強(qiáng)的板厚對(duì)齊誤差a

圖9 支墩側(cè)板和下加強(qiáng)板的板厚對(duì)齊誤差 b

3 界面建造精度控制

對(duì)于目前文中所述的模塊支墩形式，提出了3個(gè)處理方法。

3.1 預(yù)留滑動(dòng)墊板消除分界面Z向間隙

模塊在盡可能保證施工精度的前提下，選取每4個(gè)模塊支墩為一組（包含兩個(gè)固定支墩和兩個(gè)滑動(dòng)支墩，見圖10），預(yù)留靠船舯的滑動(dòng)支墩（見圖11）的墊板不安裝，在兩個(gè)固定支墩和另外一個(gè)滑動(dòng)支墩的墊板和擋塊安裝完成后，然后測(cè)量預(yù)留的模塊底封板和滑動(dòng)支墩頂板間的距離，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的間距選取滑動(dòng)墊板的厚度。這樣可保證4條模塊支腿都接觸于支墩頂板上。

圖10 選取一個(gè)滑動(dòng)支墩預(yù)留安裝

圖11 滑動(dòng)支墩頂板結(jié)構(gòu)

3.2 模塊支腿底封板中心相對(duì)于模塊支墩頂板中心的偏移狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)

選取在模塊支墩頂板和模塊支腿底封板板厚均為50mm的情況下，用基于有限元法分析模塊支墩結(jié)構(gòu)在偏心量（X=25，Y=25）情況下的強(qiáng)度和疲勞變化（見表1）。

3.2.1 中心偏差的強(qiáng)度影響

選取支墩結(jié)構(gòu)為區(qū)域1，選取5個(gè)考察點(diǎn)（見圖12）。

圖12 區(qū)域1的參考點(diǎn)

選取支墩下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)為區(qū)域2，選取5個(gè)參考點(diǎn)（見圖13）。

圖13 區(qū)域2的參考點(diǎn)

表1 固定式模塊支墩結(jié)構(gòu)在偏心量（X=25，Y=25）作用下的屈服強(qiáng)度UC值變化量

由表1可知，模塊支墩中心偏心量（X=25，Y=25）對(duì)支墩結(jié)果的屈服強(qiáng)度的減小在7%以內(nèi)。

3.2.2 中心偏差的疲勞影響

選定的疲勞熱點(diǎn)位置見圖14。

固定式模塊支墩結(jié)構(gòu)疲勞熱點(diǎn)在偏心量（X=25，Y=25）作用下的疲勞壽命變化量比值見表2。

圖14 選取疲勞熱點(diǎn)的位置

由此可見中心偏心量（X=25，Y=25）的情況下對(duì)支墩結(jié)構(gòu)的疲勞壽命約減小為10%。

3.3 模塊支墩下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和模塊支墩結(jié)構(gòu)之間板厚差的修正方法

當(dāng)模塊支墩安裝時(shí)和主甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)板厚差時(shí)，當(dāng)模塊支墩中心十字板和下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板厚偏差0.1t＜A＜0.3t（t為板厚），周圍側(cè)板板厚偏差0.3t＜B＜0.6t時(shí)，建議用加大焊腳的方法進(jìn)行板厚修正。加大后的上下焊縫間的距離大于板厚差的3倍（見圖15、16）。

圖15 選模塊支墩中心十字板和下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板厚偏差修正

圖16 選模塊支墩周圍側(cè)板和下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板厚偏差修正

4 結(jié) 語

對(duì)FPSO實(shí)際建造過程中出現(xiàn)的3種類型的誤差，分別提出了相應(yīng)的處理方法：

1) 分界面Z向間隙——通過選擇預(yù)留調(diào)整滑動(dòng)支墩頂板厚度的方法避免；

2) 模塊支腿底封板中心相對(duì)于模塊支墩頂板中心的偏移——經(jīng)計(jì)算分析，強(qiáng)度影響＜7%，疲勞影響＜10%，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過適當(dāng)增加強(qiáng)度和疲勞的裕度保證；

3) 模塊支墩結(jié)構(gòu)和模塊支墩下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)之間的板厚差——通過加大焊腳的方法調(diào)整。

目前，國(guó)內(nèi)外也有采用其他結(jié)構(gòu)形式的模塊支墩，可以根據(jù)其形式制定相應(yīng)的誤差控制方法。模塊支墩結(jié)構(gòu)是FPSO裝置的特殊結(jié)構(gòu)，既是重要的承載結(jié)構(gòu)，又是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)界面，在建造過程中屬于矛盾點(diǎn)，但在FPSO建造實(shí)際過程中，工期要求緊，為避免出現(xiàn)大規(guī)模的返工。本文對(duì)新的FPSO的建造工作具有參考和借鑒意義。

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