遲少艷，趙耕賢

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

0 引 言

根據(jù)浮式生產(chǎn)儲存卸貨裝置（Floating Production, Storage and Offloading Unit，F(xiàn)PSO）的功能要求，在其主甲板上均設(shè)有工藝模塊平臺，布置著生產(chǎn)流程、惰氣、熱站、計量、電站、變壓器和控制室等多個模塊。而每一模塊的構(gòu)架平臺與FPSO的主船體直接相連，其連接結(jié)構(gòu)稱為“模塊支墩”，見圖1[1]。模塊支墩是FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計十分關(guān)鍵的技術(shù)，它的可靠與否，直接影響整個FPSO的生產(chǎn)流程系統(tǒng)。而尺度龐大、質(zhì)量數(shù)千噸的模塊與船體結(jié)構(gòu)采用何種連接形式，更為人們所關(guān)注。

圖1 典型的模塊示意圖

1 模塊支墩形式

近20多年來，中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院參與了中國海洋石油總公司（CNOOC）所有新建FPSO的設(shè)計，成功應(yīng)用于我國渤海（海況溫和）和南海（海況惡劣）海域的海上油田[2]。2008年又進(jìn)一步為“TOTAL”公司開發(fā)了西非30萬噸級FPSO，見表1。

表1列出了模塊支墩設(shè)計的3種理念，而形成3種不同的模塊支墩構(gòu)造形式：

1) 模塊構(gòu)架平臺支腿直接焊接在模塊支墩結(jié)構(gòu)上，即傳統(tǒng)的普通剛架形式（見圖2）；

2) 模塊構(gòu)架平臺的部分支腿與模塊支墩結(jié)構(gòu)焊接，部分支腿與模塊支墩滑動接觸，即簡支梁形式（見圖3）；

3) 模塊構(gòu)架平臺的支腿全部與模塊支墩滑動接觸，即兩端滑動形式（見圖4）。

表1 FPSO支墩形式

圖2 普通剛架形式

圖3 簡支梁形式

圖4 兩端滑動形式

圖5、6是某FPSO模塊支墩的一些結(jié)構(gòu)形式，其模塊構(gòu)架平臺支腿直接焊接在模塊支墩上，基本上都是應(yīng)用普通剛架的設(shè)計理念，最大的優(yōu)點在于建造方便，而最大的問題是在海況惡劣的海域，由于 FPSO船體梁的縱向彎曲變形，易在其連接處的焊接產(chǎn)生疲勞裂紋。因為FPSO的船體內(nèi)是原油儲存艙，屬0類危險區(qū)，而生產(chǎn)流程模塊區(qū)域為一類危險區(qū)，焊縫裂紋的修復(fù)成為非常棘手的難題。因此根據(jù)這種理念設(shè)計的模塊支墩主要用于海況溫和的海域。

根據(jù)簡支梁設(shè)計理念，如圖 7～10的形式，模塊構(gòu)架平臺的部分支腿與模塊支墩結(jié)構(gòu)焊接，部分支腿與模塊支墩滑動接觸。優(yōu)點是可以避免模塊構(gòu)架平臺支腿隨著船體梁的縱向彎曲變形而發(fā)生的強制變形，也可以釋放模塊自身重量引起的支腿的變形，大大降低產(chǎn)生疲勞裂紋的概率。缺點是相對施工復(fù)雜。因此據(jù)此設(shè)計的模塊支墩主要用于惡劣海況的FPSO 。如“南海奮進(jìn)”和“海洋石油111”， “海洋石油115”和“海洋石油116”。甚至于海況較好、但上部模塊非常重的“海洋石油117號”（“蓬萊19-3”油田）也采用了這種結(jié)構(gòu)。這也是當(dāng)前最流行的設(shè)計模式。

根據(jù)兩端滑動設(shè)計理念（見圖11），模塊構(gòu)架平臺支腿全部與模塊支墩滑動接觸，優(yōu)點是減少施工量，安裝、拆除方便，可以避免模塊構(gòu)架平臺支腿隨著船體梁的縱向彎曲變形而發(fā)生強制變形，也可以釋放模塊自身重量引起的支腿的變形，大大降低產(chǎn)生疲勞裂紋的概率。缺點是當(dāng)船體產(chǎn)生較大的升沉運動時，模塊支腿和模塊支墩之間容易脫離。據(jù)此設(shè)計的模塊支墩適用于海況較好、而且上部模塊重量較大的情況。

圖5 傳統(tǒng)固定式（a）

圖6 “南海奮進(jìn)”FPSO的模塊支墩

圖7 傳統(tǒng)固定式（b）

圖8 箱式滑動支墩實例

圖9 “海洋石油111”FPSO的模塊支墩形式

圖10 “海洋石油117”FPSO的模塊支墩形式

圖11 “CLOV” FPSO的滑動式模塊支墩

2 模塊支墩結(jié)構(gòu)強度

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

按規(guī)范規(guī)定，生產(chǎn)流程模塊支墩屬于特殊類結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)材料的選用、結(jié)構(gòu)強度、焊接檢驗等均有較高的要求，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，總結(jié)出模塊支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計原則為：

1) 對于不同海域的FPSO，因其油品、工藝流程和波浪載荷不同，總體布置各有特色，沒有固定模式的模塊支墩布置方案。模塊支墩作為主船體和上部生產(chǎn)模塊的連接界面，原則上，盡量將模塊支腿設(shè)置在主甲板的強力構(gòu)件處，以實現(xiàn)在滿足強度的前提下，盡量降低結(jié)構(gòu)鋼料的重量；

2) 確定好模塊支墩的位置后，需根據(jù)海域海況、模塊重量等因素考慮設(shè)置不同形式的模塊支墩；

3) 模塊支墩設(shè)計初期，應(yīng)充分考慮構(gòu)件的局部強度，特別是對于既參與總縱強度、又參與局部強度的結(jié)構(gòu)件；

4) 模塊支墩結(jié)構(gòu)、支墩與主甲板連接部位、支墩下方的加強結(jié)構(gòu)區(qū)域應(yīng)力較高，需特別注意合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的肘板趾端形狀，對于部分高應(yīng)力區(qū)域建議采用高強度鋼；

5) 模塊支墩下加強結(jié)構(gòu)的開孔應(yīng)特別注意，盡量遠(yuǎn)離模塊支墩高應(yīng)力區(qū)域，如有必要，需要做開孔補償。

2.2 強度分析

根據(jù)上述設(shè)計原則，在進(jìn)行合理的模塊支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，進(jìn)行模塊支墩強度分析，以校核結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性和合理性。

模塊支墩強度分析包括屈服強度、屈曲強度和疲勞強度。規(guī)范對于強度分析的結(jié)構(gòu)模型范圍的選取、有限元計算模型的建立、載荷的選取均有明確要求，詳見規(guī)范的Pt D Ch 1，Sec 8 和Pt B Ch 3，Sec 3[2]。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，總結(jié)出模塊支墩結(jié)構(gòu)分析需關(guān)注的幾點：

1) 船體梁變形影響上部模塊的設(shè)計及其界面支反力，因此在設(shè)計初期，應(yīng)估算FPSO船體梁主甲板上所有模塊支墩位置處的變形，供模塊設(shè)計方使用；

2) 模塊自重及其運動慣性力傳遞到模塊支墩上的載荷需要由模塊設(shè)計方根據(jù)模塊的重量分布計算確26定并提供給模塊支墩設(shè)計方；

3) 模塊支墩的校核包括屈服、屈曲和疲勞強度，因此模塊設(shè)計方需提供基于不同波浪回歸期的兩種支反力，如用于屈服強度和屈曲強度校核的支反力，規(guī)范要求是基于百年一遇的海況，而用于疲勞強度校核的支反力，規(guī)范要求是基于一年一遇的海況，這主要是因為疲勞實效是一個累積損失的過程，而屈服、屈曲強度是設(shè)計極值的概念；

4) 模塊支墩支反力及模塊支墩強度校核時需考慮其“FPSO”的使用期經(jīng)歷的所有工況，包括正常作業(yè)、風(fēng)暴和破損工況以及調(diào)遣拖航工況；

5) 對于參與船體總強度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強度校核時不但要承受模塊支墩傳遞的局部載荷，還需承受船體梁載荷；

6) 由于FPSO上部模塊的重量較大，通常FPSO呈現(xiàn)中垂?fàn)顟B(tài)，因此應(yīng)特別關(guān)注模塊支墩處結(jié)構(gòu)的屈曲強度；

7) 疲勞計算點的選取應(yīng)結(jié)合規(guī)范要求、實際工程使用和工程設(shè)計經(jīng)驗、受力特點和應(yīng)力分布綜合考慮，盡量把疲勞計算點的數(shù)量控制在合理的范圍內(nèi)，應(yīng)避免遺漏可能發(fā)生疲勞破壞的部位。

2.3 強度校核算例

根據(jù)目前設(shè)計的幾型“FPSO”的模塊支墩計算分析結(jié)果可知，模塊支墩結(jié)構(gòu)、支墩與主甲板連接處、支墩下的加強結(jié)構(gòu)區(qū)域應(yīng)力較高，設(shè)計時需特別注意，對于部分高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)采用高強度鋼。

以“CLOV FPSO”為例，在某工況下屈服強度校核應(yīng)力云圖分布見圖12，屈曲校核部位見圖13，疲勞計算熱點見圖14、15。

圖12 應(yīng)力分布云圖

圖13 屈曲校核部位示意——縱壁

圖14 疲勞計算點

圖15 疲勞熱點

3 結(jié) 語

FPSO的設(shè)計包括多方面的內(nèi)容，其中模塊支墩的設(shè)計十分關(guān)鍵，它的可靠與否，直接影響整個FPSO的生產(chǎn)流程系統(tǒng)能否正常運轉(zhuǎn)。通過對多型FPSO的模塊支墩形式特點及其適用性、優(yōu)缺點的分析對比，詳細(xì)闡述了不同模塊支墩形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，并結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，對模塊支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)強度分析中應(yīng)重點關(guān)注的問題做了描述，旨在給FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計者提供建議和參考。但不同海域的FPSO因其油品、工藝流程和波浪載荷不同，模塊總體布置也不同，模塊支墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則還應(yīng)該結(jié)合實際情況，選擇合理、便捷、可靠的模塊支墩形式，并保證其強度要求，且應(yīng)節(jié)省材料、制造工藝可行。

[1] “船舶與海洋工程”船體結(jié)構(gòu)設(shè)計文集[C]. 趙耕賢. 2008.

[2] Rules for the Classification of Offshore Units [S]. BV. 2010.