FPSO上部模塊靜力計(jì)算研究

高峰，齊博，辛?xí)暂x，劉立靜，梁凌云

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

（天津修船技術(shù)研究所， 天津 300457）

1 引言

FPSO（Floating Production Storage and Offloading）因其特殊結(jié)構(gòu)形式，依托于船舶，因此它不同于固定式平臺，其上部模塊的設(shè)計(jì)也與固定式平臺不盡相同。以往固定式平臺上部模塊的強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核包括：靜力強(qiáng)度計(jì)算（在位計(jì)算）、地震強(qiáng)度計(jì)算、裝船強(qiáng)度計(jì)算、吊裝（或浮托）強(qiáng)度計(jì)算、拖航強(qiáng)度計(jì)算和疲勞強(qiáng)度計(jì)算等。而FPSO上部模塊主要包括靜力計(jì)算、吊裝計(jì)算和疲勞計(jì)算。對于固定式平臺，一般情況下靜力計(jì)算和安裝計(jì)算（裝船、吊裝或者拖航）是控制工況，對上部模塊強(qiáng)度要求較高；而對于FPSO上部模塊，靜力計(jì)算和疲勞計(jì)算才是控制工況。FPSO上部模塊的靜力計(jì)算又不同于固定式平臺上部模塊的靜力計(jì)算。本文以某FPSO上部模塊為例，做出詳細(xì)研究探討。

2 固定式海洋平臺上部模塊設(shè)計(jì)計(jì)算方法

固定式海洋平臺上部模塊的設(shè)計(jì)計(jì)算一般依照API RP 2A規(guī)范的要求[1]，靜力計(jì)算主要是考慮波浪流等環(huán)境荷載作用在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，再傳遞到上部模塊上，結(jié)合各類設(shè)備或裝備荷載，計(jì)算出桿件的應(yīng)力、應(yīng)變。裝船計(jì)算是通過滑移拖拉過程從場地慢慢轉(zhuǎn)換到駁船上，荷載相應(yīng)比較簡單。拖航計(jì)算主要是考慮駁船運(yùn)輸過程中船舶運(yùn)動和風(fēng)對上部模塊強(qiáng)度的影響。吊裝計(jì)算主要是考查1.35和2.0兩個(gè)安全系數(shù)及吊裝偏心情況下上部模塊的強(qiáng)度。地震計(jì)算和疲勞計(jì)算一般情況下不是控制工況，主要是給出一個(gè)水平地面加速度和相應(yīng)的地震譜或者選擇相應(yīng)的疲勞曲線，得出相應(yīng)的結(jié)果。

通過SACS計(jì)算，可以得出平臺各個(gè)桿件的應(yīng)力、變形、疲勞壽命等，結(jié)合規(guī)范校核標(biāo)準(zhǔn)即可得出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

3 FPSO上部模塊設(shè)計(jì)計(jì)算方法[2]

3.1 靜力計(jì)算

FPSO上部模塊位在船甲板之上，因此上部模塊下方不再是樁基礎(chǔ)，而是船舶。船舶的運(yùn)動作用比固定式平臺更為顯著。FPSO上部模塊的靜力計(jì)算需要考慮波浪流等環(huán)境荷載對船舶的影響，再把船舶的運(yùn)動荷載傳遞到模塊上。兩類模塊考慮的外部荷載對比見表1：

表1 外部荷載對比

從表1可以看出，F(xiàn)PSO上部模塊的靜力計(jì)算結(jié)合了固定式平臺的靜力計(jì)算、拖航計(jì)算，以及裝船計(jì)算中的強(qiáng)制位移工況（上部模塊與船甲板連接處變形）。

3.2 疲勞計(jì)算

FPSO上部模塊的疲勞計(jì)算主要考慮簡化疲勞計(jì)算，參考ABS Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures。對于FPSO上部模塊，疲勞強(qiáng)度是控制工況，本文不做詳細(xì)介紹，后續(xù)文中將做重點(diǎn)探討。

4 FPSO上部模塊算例

4.1 模塊布置

本文以某FPSO項(xiàng)目上部模塊的設(shè)計(jì)計(jì)算為基礎(chǔ)，選取上部模塊AP&AS，離船首最近的兩個(gè)模塊，其在FPSO上的布置如圖1（坐標(biāo)系如圖所示）：

圖1 AP&AS在FPSO上的布置

對于Z向零點(diǎn)的定義，船甲板成圓弧形，弧形頂點(diǎn)在船中，Z向坐標(biāo)為0，靠近船舷處Z向坐標(biāo)為-0.9。

4.2 模塊3D視圖

本文所選算例通過大型有限元軟件SACS建模，模塊通過固定式鋼結(jié)構(gòu)平臺所用的常規(guī)工字鋼、圓管及甲板板組合而成，定義模塊軸線如圖2，ABCD四個(gè)主軸線沿船長方向，18-20是模塊南北軸線。

4.3計(jì)算及分析方法

海上固定平臺推薦做法和AISC[3]是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本文參照API和AISC規(guī)范，本文的模塊靜力計(jì)算需要綜合環(huán)境力、船體變形、船舶運(yùn)動與模塊上的設(shè)備設(shè)施荷載及自重。

4.4邊界條件

圖2 AP&AS的3D視圖

參考模塊3D視圖及AP&AS在船舶上的布置圖，模塊與船體通過四行三列共12個(gè)點(diǎn)相連，中間一列四個(gè)點(diǎn)是與甲板通過特殊裝置固定，剩下兩列支點(diǎn)可以沿著船長方向滑移，這樣可以抵消一部分船舶運(yùn)動，更有利于結(jié)構(gòu)釋放壓力。12個(gè)連接點(diǎn)的具體情況如圖3。因此，中間四個(gè)支撐點(diǎn)的自由度為111111，剩余兩列支撐點(diǎn)的自由度為011000。

環(huán)境條件，如風(fēng)荷載作用在上部模塊上；船體變形可通過點(diǎn)荷載加載在12個(gè)支撐點(diǎn)上；船舶運(yùn)動可換算成加速度作用在上部模塊搖心處；模塊設(shè)備設(shè)施及自重可通過軟件單獨(dú)加載。本文計(jì)算時(shí)使用到的支撐點(diǎn)處的變形為相對變形。

需要提及的是，上部模塊與甲板相連的支點(diǎn)處還有各向斜撐與模塊甲板大梁相連，來增加模塊剛度并釋放上部模塊的應(yīng)力，但斜撐與下部支撐點(diǎn)連接時(shí)引入了插入板，這種結(jié)構(gòu)形式有效地避免了支撐點(diǎn)的運(yùn)動和應(yīng)力直接傳導(dǎo)到模塊橫梁上。其形式如圖4。支撐斜撐在可釋放彎矩，底端可釋放為011101。

圖3 AP&AS支撐點(diǎn)

圖4 可滑移支撐點(diǎn)

4.5 校核標(biāo)準(zhǔn)

對于操作工況，按照API RP 2A要求，桿件應(yīng)力比（UC）不超過1.0；對于極端工況，桿件許用應(yīng)力需要放大1.33倍，最終結(jié)果依然要求桿件應(yīng)力比不超過1.0。

節(jié)點(diǎn)的校核要求LOAD UC和STRENGTH UC均小于1.0，不允許有1/3的應(yīng)力放大。

4.6 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前文描述，通過計(jì)算，可得所有桿件的應(yīng)力UC值。最大UC為0.99，為設(shè)備底座，梁規(guī)格為H900×300。后續(xù)進(jìn)一步設(shè)計(jì)時(shí)可重新校核，如果桿件能力不夠，可加大梁規(guī)格或?qū)900梁下翼緣貼加強(qiáng)T型材。節(jié)點(diǎn)UC有不過的，后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)修改。

圖5 桿件最大UC

5 研究探討

5.1 改變模塊支撐點(diǎn)形式

根據(jù)本文4.4節(jié)所述，若改變模塊支撐點(diǎn)的自由度，使其完全固接，即自由度為111111。計(jì)算結(jié)果與原結(jié)果對比如下：

表2 自由度不同結(jié)果對比

可見支撐點(diǎn)全固定對桿件和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度影響較小，且有變好的趨勢，但是對于模塊剛度不利。

5.2 改變支撐點(diǎn)船體變形

如本文4.4節(jié)所述，組塊12個(gè)支撐點(diǎn)處所施加的船體變形為相對變形，即選取中間列固定節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn)。實(shí)際情況下，12個(gè)支撐點(diǎn)均存在位移，若將未處理過的船體絕對變形施加在12個(gè)支撐點(diǎn)處，那么對比結(jié)果如表3：

表3 變形方式不同結(jié)果對比

從計(jì)算結(jié)果可見最大桿件UC1.75，四條中間固定主腿全部破壞；同樣，固接的四個(gè)支撐點(diǎn)失效；節(jié)點(diǎn)最大位移是原來的3倍多。實(shí)際情況中，船甲板并不是完全剛性，模塊變形也不可能完全和船甲板一模一樣，作用于模塊主腿支撐點(diǎn)的變形應(yīng)該選取相對變形更為合理。

6 結(jié)論

通過第4、5節(jié)計(jì)算結(jié)果和探討研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)FPSO上部模塊的靜力計(jì)算較常規(guī)固定式海洋平臺更為復(fù)雜，對平臺強(qiáng)度要求可能更高；

(2)FPSO上部模塊支撐點(diǎn)與船體連接不可完全固定，可合理布置可滑動支撐點(diǎn)的位置，減小船體對模塊的影響；

(3)考慮船體變形時(shí)，應(yīng)使用相對變形作為模塊計(jì)算依據(jù)；

(4)參考模塊所在位置，可通過調(diào)整模塊在船體上的位置，把模塊合理擺放，作用在相應(yīng)模塊主腿的變形可能會減小，后續(xù)研究將進(jìn)一步進(jìn)行。

本文所介紹的FPSO靜力計(jì)算方法，滿足規(guī)范要求，是經(jīng)過工程檢驗(yàn)的科學(xué)可行的計(jì)算方法，實(shí)際計(jì)算中需要結(jié)合船舶水動力計(jì)算來獲取FPSO船體的運(yùn)動數(shù)據(jù)及船舶變形數(shù)據(jù)，并不是單純依靠某一專業(yè)可以完成的。因此影響模塊計(jì)算結(jié)果的因素不僅是模塊本身，船體的水動力性能也是重要參數(shù)，后續(xù)工程計(jì)算及研究中，將結(jié)合水動力計(jì)算來進(jìn)一步探討FPSO上部模塊的工程計(jì)算。

◆參考文獻(xiàn)

[1] API RP 2A, Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design 21st Edition (2007).

[2] DD-RPT-FPSO (TS)-ST-1011 Report for FPSO Module Static Analysis -AP&AS Module.

[3] American Institute of Steel Construction (AISC), Specification for Structural Steel Buildings - Allowable Stress Design and Plastic Design, (2005).