趙 靜，劉 磊，姜福洪，楊志剛，謝 彬，王世圣，喻西崇，趙晶瑞

(1. 大連船舶重工集團設計研究所有限公司，遼寧 大連 116021；2. 中海油研究總院， 北京 100028)

新型浮式鉆井生產(chǎn)儲卸油裝置結(jié)構(gòu)總強度分析

趙 靜1，劉 磊1，姜福洪1，楊志剛1，謝 彬2，王世圣2，喻西崇2，趙晶瑞2

(1. 大連船舶重工集團設計研究所有限公司，遼寧 大連 116021；2. 中海油研究總院， 北京 100028)

目前我國深水海域處于開發(fā)早期階段，較適合采用既有鉆井功能又集成了采油、儲油功能的浮式生產(chǎn)鉆井儲卸油裝置(FDPSO)，作為獨立生產(chǎn)裝置，可以大幅降低油田初期開發(fā)費用。選取一種新型的八角形FDPSO結(jié)構(gòu)，基于深海環(huán)境條件和裝載工況，建立整體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，依據(jù)三維輻射繞射理論和譜分析法計算波浪載荷，確定設計波參數(shù)，將設計波載荷傳遞到整體結(jié)構(gòu)有限元模型，最終得到了總體結(jié)構(gòu)的應力分布規(guī)律。研究結(jié)果可為我國深遠海油氣田早期開發(fā)的FDPSO結(jié)構(gòu)設計提供理論參考。

浮式鉆井生產(chǎn)儲卸油裝置；設計波方法；有限元模型；總強度分析

0 引 言

我國海域是國際公認的三大強風暴惡劣海域之一，約70%的油氣資源蘊藏于深水區(qū)域。在深水油氣市場開發(fā)的前期，如果還是按照常規(guī)的開采方案，即先鉆幾口井然后連接浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)的傳統(tǒng)模式，將會導致成本投入過高，并且無法快速收回投資。為了解決此類問題，誕生了一種新型的浮式鉆井生產(chǎn)儲卸油(FDPSO)模式。FDPSO是集鉆井、生產(chǎn)、儲油及卸油等基本功能于一身的可移動浮式裝置，綜合了FPSO和鉆井船(平臺)的特點，適于深水油氣田勘探開發(fā)初期、油田離岸距離遠、無依托設施以及環(huán)境條件惡劣等情況。FDPSO作為海洋工程裝備市場的新型產(chǎn)品，引起了國內(nèi)外很多公司的重視，相關(guān)的研究和設計也在蓬勃開展。目前，國外設計公司推出的FDPSO主要有圓筒形和船型；我國有專家提出了一種與類筒形性能相近的八角形FDPSO概念[1-2]。

本文立足于我國深海油氣資源開發(fā)，選擇新型的八角形FDPSO方案作為目標對象開展分析研究。深海海域具有強風大浪的環(huán)境特征，而八角形FDPSO作為創(chuàng)新性方案，外形較為特殊，既不同于傳統(tǒng)的船型結(jié)構(gòu)，也不同于常規(guī)的半潛式海洋平臺結(jié)構(gòu)。這些特點都給結(jié)構(gòu)設計和結(jié)構(gòu)安全性分析帶來了較大的挑戰(zhàn)。

本文針對新型八角形FDPSO，依據(jù)深海環(huán)境條件和設計工況，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值模型，基于三維勢流理論和譜分析方法計算波浪載荷，搜索設計波參數(shù)，將載荷傳遞到結(jié)構(gòu)模型，得到整體結(jié)構(gòu)上的應力分布規(guī)律。

1 分析對象

本文研究的八角形FDPSO，整體結(jié)構(gòu)有限元模型由板單元及梁單元組成，其中包括艙壁、甲板平臺、船體外板、縱桁、橫梁及加強筋等。根據(jù)海洋工程設計經(jīng)驗及相關(guān)規(guī)范的要求，船體板、甲板平臺、縱橫艙壁及大型桁材的腹板采用4節(jié)點和3節(jié)點的板單元建模，其網(wǎng)格大小按骨材間距設定；加強筋及桁材的面板等采用梁單元建模。圖1和圖2為八角形FDPSO的整體結(jié)構(gòu)模型和俯視圖。

圖1 八角形FDPSO整體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Finite element model of global structure of the eight-square FDPSO

圖2 八角形FDPSO內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖Fig.2 Planform of inside structure of the eight-square FDPSO

在建模中，F(xiàn)DPSO數(shù)值模型的質(zhì)量屬性與實際結(jié)構(gòu)的裝載工況保持一致。結(jié)構(gòu)鋼材的重量體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)模型中；大型設備的重量由SESAM軟件中的設備功能模擬；管系及外舾等結(jié)構(gòu)在模型中無法準確建模，通過調(diào)整材料的密度添加到板單元中；建立液艙模型用于模擬壓載水。

在八角形FDPSO的總體結(jié)構(gòu)強度分析中，結(jié)構(gòu)有限元模型的建立精度決定其計算結(jié)果的準確度，所以結(jié)構(gòu)模型應該嚴格按照結(jié)構(gòu)圖紙進行建模。但是受有限元網(wǎng)格劃分的限制，對于肘板等小尺度構(gòu)件，要在模型中完全模擬是困難的，因此本文在建立結(jié)構(gòu)模型時，對于小構(gòu)件按照規(guī)范的規(guī)定進行了適當?shù)暮喕痆3-4]。

2 分析方法

2.1 總強度分析流程

基于準靜態(tài)分析方法，將八角形FDPSO結(jié)構(gòu)所受的外載荷、重力載荷、運動引起的慣性力和液艙液體對艙壁的動壓力施加到結(jié)構(gòu)上進行有限元計算。使用SESAM軟件集成的GeniE, Wadam, Postresp, Sestra和Xtract五個模塊，完成計算模型的建立、波浪載荷計算、波浪誘導載荷統(tǒng)計分析、結(jié)構(gòu)有限元計算和有限元后處理五項工作，計算模型包括結(jié)構(gòu)模型、質(zhì)量模型和水動力模型?；谠O計波方法的結(jié)構(gòu)總體強度分析流程見圖3。

圖3 總強度分析流程圖Fig.3 Flow chart of global strength analysis

2.2 邊界條件設置

在開展總強度分析之前，需要在八角形FDPSO的總體結(jié)構(gòu)模型上施加邊界條件。現(xiàn)實的海洋環(huán)境中，作用于海洋結(jié)構(gòu)物的外部環(huán)境載荷是一個平衡力系，理論上可以不考慮邊界條件。但是，在使用數(shù)值模擬軟件開展分析計算時，為了消除其剛體位移，確保有限元結(jié)構(gòu)分析解的收斂，還是需要施加邊界條件。邊界的施加位置，會根據(jù)海洋結(jié)構(gòu)物和分析軟件的不同而有所變化。通常做法是，邊界施加的節(jié)點遠離結(jié)構(gòu)連接部位，避免影響連接區(qū)域的應力分布[3]。

以海洋工程領(lǐng)域中最普遍的半潛式平臺為例，邊界條件大都考慮施加在下浮體的上甲板或下甲板。通常在甲板上選取3 個節(jié)點，分別限制2 個自由度，如節(jié)點1 限制X、Z方向，節(jié)點2 限制Y、Z方向，節(jié)點3 限制X、Z方向，3個節(jié)點限制結(jié)構(gòu)模型的6個自由度[3]。為了防止計算中出現(xiàn)剛體位移，本文在模型的底部基線平面內(nèi)增加3個約束點，分別位于艉部的左右舷和艏部的中線處。具體的約束情況見表1。

表1 八角形FDPSO邊界條件設置Table 1 Boundary conditions for eight-square FDPSO

2.3 設計波選取

八角形FDPSO作為一種新型海洋工程裝備，其外形既不同于傳統(tǒng)的船型，也不屬于常規(guī)的半潛型，因此對于如何選取設計波的問題，目前還沒有相關(guān)的規(guī)范和研究結(jié)果可以參考。本文從八角形FDPSO的船型和受力特點出發(fā)加以考慮。由于八角形結(jié)構(gòu)近似于筒形結(jié)構(gòu)，各個浪向下的受力比較均勻，對于半潛式平臺最不利的橫浪分離力和斜浪扭矩基本不會對八角形FDPSO造成危害性影響，因此，本文參照船體強度理論，選取船舯橫剖面處的垂向彎矩(中垂或中拱)作為最危險的控制載荷條件，進行設計波的搜索與確定[5-6]。

(1) 基于浮體在波浪中運動的三維輻射與繞射理論，分別對兩種環(huán)境條件(作業(yè)和自存)和兩種裝載工況(滿載和壓載)下的八角形FDPSO進行水動力性能計算，搜索各個浪向下的船舯橫剖面垂向彎矩RAO曲線，將RAO曲線峰值作為危險波浪條件下的峰值RAOC，其對應的波浪周期作為設計波周期TD，所對應浪向作為設計波的浪向。

(2) 基于譜分析理論，將垂向彎矩響應進行短期預報，計算得到各個響應譜的譜矩及各特征值，進而得到最大垂向彎矩響應值Rmax。

(3) 根據(jù)美國船級社(ABS)規(guī)范的計算公式[5-6]，計算設計波的波幅

AD=(Rmax/RAOC)×FL，

(1)

式中:FL為載荷因子，取值范圍為1.1～1.3。

按照以上步驟計算各個工況下具體的設計波參數(shù)，如表2所示。結(jié)果顯示，生存工況的設計波參數(shù)大于作業(yè)工況，滿載條件下的設計波參數(shù)大于壓載條件。

表2 設計波參數(shù)Table 2 Design wave parameters

3 分析結(jié)果

總體結(jié)構(gòu)強度分析的主要目標是得到各結(jié)構(gòu)的名義應力，并根據(jù)載荷工況的結(jié)構(gòu)許用應力值來評估結(jié)構(gòu)尺寸設計的正確性，或根據(jù)應力的分布和大小提出結(jié)構(gòu)的修改意見。

3.1 邊界處支反力

實際上八角形FDPSO是一個漂浮結(jié)構(gòu)，不需要施加邊界條件。但是為了消除其剛體位移，保證有限元結(jié)構(gòu)分析解的收斂，必須施加邊界條件。在此需要提取支座處的支反力大小，以驗證計算的準確性，三個支點處的支反力如表3所示。

表3 各支點處的支反力Table 3 Reaction forces of every support point N

由表3知，各支點處的支反力基本接近于零，即作用在浮體結(jié)構(gòu)的外載荷是平衡力系，證明了計算的可靠性。

3.2 許用應力

對于FDPSO結(jié)構(gòu)的總強度校核，根據(jù)ABS規(guī)范，應對板單元的等效應力進行校核。等效應力σeq應不超過FY/FS(FY和FS分別為材料屈服點和安全系數(shù))，其定義為

(2)

式中：σx為沿X方向計算得到的面內(nèi)應力；σy為沿Y方向計算得到的面內(nèi)應力；τxy為計算得到的面內(nèi)剪切應力；該FDPSO的結(jié)構(gòu)主要采用高強度鋼制造，鋼材的屈服點FY為355 MPa; 安全系數(shù)FS對于靜態(tài)載荷取1.43，對于組合載荷取1.11。

3.2 強度分析結(jié)果

根據(jù)確定的設計波參數(shù)，對該FDPSO進行了總體結(jié)構(gòu)有限元分析，獲得了在不同工況下平臺結(jié)構(gòu)的總體應力分布以及主要結(jié)構(gòu)的應力分布和最大應力的作用位置。表4為生存壓載和生存滿載兩種工況下的最大應力及其位置?？梢钥闯?，八角形FDPSO在各種裝載工況下的最大應力結(jié)果均小于規(guī)范要求的許用應力，說明這種新型FDPSO的結(jié)構(gòu)設計方案比較合理。

同時注意到，壓載工況下各處結(jié)構(gòu)的最大應力值均大于滿載工況下的應力值。結(jié)構(gòu)應力云圖較多，在此只給出生存壓載工況下的結(jié)構(gòu)強度應力云圖，如圖4～7所示。從圖中可以看得出，為結(jié)構(gòu)最大應力值出現(xiàn)在水平強框架與月池的連接區(qū)域，在后續(xù)的設計中需要考慮此處結(jié)構(gòu)適當增加板厚。同時，由于壓載艙較深(達到20多米)，壓頭較大，液艙艙壁上的豎向加強桁材及水平桁材應力較大，應在豎向設計多層水平桁材并加大水平桁材的寬度，以加強并支撐豎向桁材。

表4 生存工況結(jié)構(gòu)最大應力匯總Table 4 Maximal structure stress of survival condition MPa

圖4 橫剖面結(jié)構(gòu)應力分布云圖Fig.4 Von Mises stress of transverse sections

圖5 縱剖面結(jié)構(gòu)應力分布云圖 Fig.5 Von Mises stress of longitudinal sections

圖6 船體板結(jié)構(gòu)應力分布云圖Fig.6 Von Mises stress of shell

圖7 水平強框架應力分布云圖Fig.7 Von Mises stress of stringer

4 結(jié) 語

本文重點針對一種新型八角形FDPSO，建立整體結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模型，基于設計波方法，計算不同工況下的結(jié)構(gòu)總強度，最終得到八角形FDPSO總體結(jié)構(gòu)應力分布規(guī)律。對于新型FDPSO結(jié)構(gòu)分析方法進行了初步探討，為我國自主設計和建造FDPSO奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下：

(1) 八角形FDPSO的整體結(jié)構(gòu)在各種工況下結(jié)構(gòu)最大應力值均小于許用應力，符合規(guī)范要求，因此新型八角形FDPSO方案的結(jié)構(gòu)設計較為合理。

(2) 由于壓載工況下FDPSO液艙填充不均勻，結(jié)構(gòu)受到的液艙壓力比滿載工況下大，因此壓載工況下的結(jié)構(gòu)最大應力值大于滿載工況的應力值。

(3) 八角形FDPSO結(jié)構(gòu)最大應力值出現(xiàn)在月池結(jié)構(gòu)與水平強框架的連接位置，在后續(xù)設計中需考慮在此處增加板厚。

(4) 不同的裝載工況下，F(xiàn)DPSO同一位置處的應力大小和分布均不同。因此，在后續(xù)設計中需要綜合分析各裝載工況的應力結(jié)果，才能真實反映FDPSO結(jié)構(gòu)總體應力分布和最大應力出現(xiàn)位置。

[1] 范模，王春升，張理，等.八角形浮式生產(chǎn)儲油裝置關(guān)鍵技術(shù)與應用探索[J].中國海上油氣，2008, 20(3)：195.

[2] 范模，崔玉軍.一種海上浮式油氣生產(chǎn)與儲運裝置：中國，ZL 200520113909.4[P]. 2006-11-22.

[3] 王世圣,謝彬,謝文會.深水半潛式鉆井平臺總體強度計算技術(shù)研究[J].石油礦場機械，2009, 38(5): 1.

[4] 李陽，時忠民，謝彬，等.典型張力腿平臺整體結(jié)構(gòu)強度分析方法研究[J].海洋工程裝備與技術(shù), 2014, 1(1): 3.

[5] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units [S]. 2006.

[6] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2001.

StudyonGlobalStrengthoftheNewFloatingDrilling,Production,StorageandOffloadingStructure

ZHAO Jing1, LIU Lei1, JIANG Fu-hong1, YANG Zhi-gang1, XIE Bin2,WANG Shi-sheng2, YU Xi-chong2, ZHAO Jing-rui2

(1.DalianShipbuildingIndustryEngineeringandResearchInstituteCo.,Ltd.,Dalian,Liaoning116021,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Nowadays, the deep water in China is in the early developing stage, and it adapts for floating drilling, production, storage and offloading structure (FDPSO), which integrates the functions of drilling, production and storage. FDPSO can reduce much expense for early development of oil field. In this paper, a new-style eight-square FDPSO is studied. Based on the complex environment in deep water and the load cases, the global structure model is built. According to the three-dimensional potential flow theory and spectra-based analysis method, the wave loads are calculated and design wave parameters are decided. By transferring the design wave loads to global structure model, the structure stress is obtained. The calculation results can provide theoretical reference for the design of FDPSO working in the oil fields of deep water.

floating drilling, production, storage and offloading structure; design wave method; finite element model; global structural strength

TE952

A

2095-7297(2015)01-0006-06

2015-01-09

國家重大科技專項(2011ZX05026-006-04)

趙靜(1983-)，女，博士，工程師，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)與水動力分析方面的研究。