王銘飛， 杜耀軍, 宋亞新, 羅 勇, 付東明

(高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100029)

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深水FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

王銘飛， 杜耀軍, 宋亞新, 羅 勇, 付東明

(高泰深海技術(shù)有限公司， 北京 100029)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)是船型FPSO運用最廣泛的單點系泊方案。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的核心是由集成在船體內(nèi)、并可使船體自由轉(zhuǎn)動的內(nèi)轉(zhuǎn)塔組成。有限元分析是內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要手段，目前工業(yè)界掌握內(nèi)轉(zhuǎn)塔分析和設(shè)計的公司較少，大部分技術(shù)和專利掌握在少數(shù)公司手中。該文提出了一種內(nèi)轉(zhuǎn)塔設(shè)計及分析方法，目標油田為南中國海深水海域，同時，較詳細地描述了設(shè)計內(nèi)轉(zhuǎn)塔的方法和思路以及有限元計算的流程和特殊之處。分析流程和方法對于未來我國自主設(shè)計FPSO具有重要的意義，為我國未來完全自主設(shè)計FPSO積累了寶貴經(jīng)驗。

FPSO；內(nèi)轉(zhuǎn)塔；有限元分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO(浮式生產(chǎn)、儲油、卸油船)是目前海洋石油開發(fā)中常用的一種油田解決方案。FPSO本身抗風浪能力強、適用水深范圍廣、儲油能力大，并可轉(zhuǎn)移至新油田重復使用，是一種經(jīng)濟、可靠的海洋石油開發(fā)方式。目前，世界上已經(jīng)運營的FPSO有多種形式，如：外轉(zhuǎn)塔式、內(nèi)轉(zhuǎn)塔可解脫式、內(nèi)轉(zhuǎn)塔永久系泊式等，其中內(nèi)轉(zhuǎn)塔永久系泊式廣泛運用于深水海域。

由于在深水油田，通常缺少完善的海底管道系統(tǒng)，而深水FPSO以其儲油量大的特點，在深水油田開發(fā)中占有較大的優(yōu)勢。目前，世界上已有33艘FPSO運用于超過1 000 m水深的油田，尤其在巴西和安哥拉等地區(qū)應(yīng)用廣泛。這些成功運用的實例說明FPSO在深水具有一定的成本優(yōu)勢和穩(wěn)定的可靠性。

該文提出了一種適用于中國南海1 500 m水深的內(nèi)轉(zhuǎn)塔永久系泊FPSO方案。整個方案的設(shè)計目標是經(jīng)濟性好、可靠性高，并能處理15根立管，抵抗500年一遇的環(huán)境條件。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔是整個FPSO系統(tǒng)中最核心的結(jié)構(gòu)，其主要功能有兩個：一是通過與內(nèi)轉(zhuǎn)塔上連接的系泊系統(tǒng)，將整個FPSO固定在指定海域，并通過其特有的風向標特點，使FPSO船頭始終朝向風浪流最大的方向，使整個系統(tǒng)受力最小；二是通過內(nèi)轉(zhuǎn)塔內(nèi)部的滑環(huán)(Swivel)系統(tǒng)，將海底的油、水、液壓管線、電力和信號與船上的油水處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)相連,保持管線在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可正常工作。由于船體相對于內(nèi)轉(zhuǎn)塔始終處于旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，所以內(nèi)轉(zhuǎn)塔需要布置很多滑環(huán)、管線和閥門，大大增加了內(nèi)轉(zhuǎn)塔的復雜性。

對于深水油田，永久系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO有其特別的優(yōu)勢。早在20世紀80年代，永久系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔式就已經(jīng)成功運用于油田開發(fā)，多年的經(jīng)驗已經(jīng)證明其具有很高的安全性和可靠性。相比于可解脫式內(nèi)轉(zhuǎn)塔，永久系泊式內(nèi)轉(zhuǎn)塔特別適用于深水油田，理由如下：(1) 相比可解脫式內(nèi)轉(zhuǎn)塔，永久系泊式內(nèi)轉(zhuǎn)塔免去了解脫系統(tǒng)以及相應(yīng)的解脫管線和閥門，所以結(jié)構(gòu)相對簡單，空間更大，容易維護；(2) 海上安裝更加常規(guī)，降低了安裝難度；(3) 操作更加簡單，無需解脫和連接操作，相應(yīng)的維護工作也會降低；(4) 設(shè)計時考慮了極端惡劣環(huán)境以及整個系統(tǒng)冗余度，可靠性更高；(5) 能容納更多的立管和錨鏈，可以配套處理能力很大的FPSO，適合離岸較遠的海域[1]。深水油田環(huán)境惡劣、離岸較遠，海上設(shè)施較少，需要FPSO能夠連接更多的立管、也需要更大的錨鏈系統(tǒng)。而永久系泊式FPSO非常適合深水油田開發(fā)。目前全世界最大的5個內(nèi)轉(zhuǎn)塔FPSO均為永久系泊式內(nèi)轉(zhuǎn)塔。

1 FPSO船體和環(huán)境條件

該文目標為設(shè)計一艘150 000 t存儲能力的雙殼雙底FPSO，設(shè)計壽命30年，500年重現(xiàn)期作為極端設(shè)計海況標準。FPSO船體的主要參數(shù)見表 1，主要設(shè)計工況見表 2，環(huán)境條件見表 3。

表1 FPSO 的主要參數(shù)

表2 裝載工況

表3 設(shè)計環(huán)境條件

圖1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)布置圖

2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)轉(zhuǎn)塔位于FPSO船體的前部船體內(nèi)，允許船體繞著內(nèi)轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生風向標效應(yīng)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔的系泊系統(tǒng)為3×3常規(guī)錨鏈系泊系統(tǒng)，由錨鏈、鋼纜及配重塊組成。圖 1為該項目設(shè)計的內(nèi)轉(zhuǎn)塔總布置圖。

整個內(nèi)轉(zhuǎn)塔由以下幾部分組成：內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊層、內(nèi)轉(zhuǎn)塔塔筒、內(nèi)轉(zhuǎn)塔軸承層、起重塔架、立管甲板、中間甲板、管匯甲板、設(shè)備甲板、軸承系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔主體是一個圓柱型鋼結(jié)構(gòu)，下部由系泊系統(tǒng)連接海底，使FPSO可以繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)。整個內(nèi)轉(zhuǎn)塔通過主軸承和下軸承與船體相連。該設(shè)計方案中，軸承系統(tǒng)為定制大尺寸滾柱軸承，可滿足500年重現(xiàn)期環(huán)境載荷，軸承承受的最大荷載可由有限元分析確定。

立管通過內(nèi)轉(zhuǎn)塔內(nèi)的I-Tube到達立管甲板。立管甲板是內(nèi)轉(zhuǎn)塔工作甲板最下面的一層甲板，主要用于懸掛立管，立管的載荷從該層甲板傳給內(nèi)轉(zhuǎn)塔；中層甲板位于立管甲板與管匯甲板中間，用于布置起重絞車和液壓動力模塊，該層甲板可360°轉(zhuǎn)動以便安裝立管和系泊纜；管匯甲板位于中層甲板上方，功能是布置管匯和清管器收發(fā)裝置；滑環(huán)甲板位于管匯甲板上方，主要用于支撐滑環(huán)堆棧，所有的工作甲板均由內(nèi)轉(zhuǎn)塔支撐并與內(nèi)轉(zhuǎn)塔保持相對靜止；起重塔架位于船體甲板之上，隨船體一起繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動，主要用于安裝和拆卸滑環(huán)，并給各種管線經(jīng)由滑環(huán)連通到船體油氣處理模塊提供結(jié)構(gòu)支撐。

軸承系統(tǒng)主要分為兩部分：主軸承和下部軸承。主軸承為定制大型滾柱軸承，主要功能為支持整個內(nèi)轉(zhuǎn)塔的垂向載荷及部分水平載荷。垂向載荷主要包括：內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)自重、加速度引起的慣性力、系泊纜的垂向載荷及立管垂向載荷。水平載何主要包括：船舶運動引起的各種水平載荷。下部軸承為免潤滑摩擦式結(jié)構(gòu)，在靜止狀態(tài)下與內(nèi)轉(zhuǎn)塔有10 mm的間隙。當水平系泊力較大時，內(nèi)轉(zhuǎn)塔會與下部軸承產(chǎn)生接觸，并產(chǎn)生水平載荷，分擔一部分水平載荷。該方案中的內(nèi)轉(zhuǎn)塔最多可以承載15根立管。

3 內(nèi)轉(zhuǎn)塔載荷分析

內(nèi)轉(zhuǎn)塔在工作時同時受到多個載荷的作用，主要載荷分析如圖 2所示，其中加速度主要由FPSO船體受到波浪力運動而引起。錨鏈載荷和立管載荷會隨著FPSO船體的運動及流作用在立管和錨鏈上變化。主軸承和下軸承對內(nèi)轉(zhuǎn)塔有約束作用，使其跟隨FPSO船體隨風浪作用一起運動。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔載荷分析

內(nèi)轉(zhuǎn)塔載荷分析的主要方法為頻域水動力分析和時域水動力分析。可用的水動力軟件為：WAMIT，ARIANE和OracFlex。載荷分析流程如圖3所示，分為三步：

(1) 船體水動力系數(shù)分析，通過頻域分析方法獲得FPSO船體的水動力運動系數(shù)，如運動RAO等，主要軟件為WAMIT。

(2) 用于工況篩選的頻域系泊分析。通過進行全部工況的頻域系泊分析，包括考慮不同的裝載工況，不同方向來的風、浪、流組合，找出最危險的工況，主要軟件為ARIANE，篩選原則為：

(a) 當主軸承垂向力最大時，其對應(yīng)的載荷；

(b) 當主軸承水平力最大時，其對應(yīng)的載荷；

(c) 當主軸承彎矩最大時，其對應(yīng)的載荷；

(d) 當下軸承水平力最大時，其對應(yīng)的載荷；

(e) 當水平加速度最大時，其對應(yīng)的載荷；

(f) 當垂向加速度最大時，其對應(yīng)的載荷。

(3)根據(jù)篩選出來的工況，建立多體水動力分析模型，即將FPSO船體與內(nèi)轉(zhuǎn)塔做為獨立浮體分開建立，并根據(jù)兩者之間的約束關(guān)系進行約束。對此模型進行時域分析，找出上述篩選原則對應(yīng)的載荷，根據(jù)需要分析的設(shè)計工況，找出每個工況對應(yīng)以上原則最危險的幾個關(guān)鍵時刻的載荷，設(shè)計工況見表 4。

圖3 載荷分析流程

表4 設(shè)計工況

4 有限元分析

根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，建立詳細的有限元模型，有限元分析軟件采用ANSYS。有限元模型不僅模擬了內(nèi)轉(zhuǎn)塔、吊裝塔架的整個結(jié)構(gòu)、設(shè)備重量，而且將主軸承、下軸承之間的約束條件利用有限元接觸單元進行了模擬。其中主軸承和下部軸承連接采用了實體單元模擬，板梁結(jié)構(gòu)采用殼單元進行模擬，細長桿件采用梁單元進行模擬。整個內(nèi)轉(zhuǎn)塔有限元模型通過接觸單元與船體模型相連，根據(jù)載荷分析的結(jié)果，將對應(yīng)的載荷(主要為錨鏈載荷、立管載荷和加速度)加載到有限元模型上，進行有限元分析，該有限元模型通過接觸單元可以真實地模擬內(nèi)轉(zhuǎn)塔與船體之間的相互連接作用。根據(jù)載荷分析的結(jié)果，將每個設(shè)計工況的幾組載荷分別進行分析，該文給出的某一時刻的加載荷載情況見表 5，內(nèi)轉(zhuǎn)塔有限元分析模型如圖 4所示，有限元分析結(jié)果如圖 5所示。

根據(jù)全部工況的有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主體結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計要求[2]，可以承受500年一遇重現(xiàn)期的極端惡劣環(huán)境。

表5 作用于有限元模型的載荷 (某一工況)

圖4 內(nèi)轉(zhuǎn)塔有限元分析模型

圖5 內(nèi)轉(zhuǎn)塔有限元分析結(jié)果

5 結(jié)論

通過研究分析內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO的轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，并通過水動力軟件和有限元軟件的輔助，探索出一條FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔的設(shè)計流程和分析方法。主要結(jié)論如下：

(1) 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO擁有更大的直徑，可以容納更多的立管(10根以上)，具備更大的原油處理能力，適用于深水大型油田。

(2) 通過分析比選，確立了內(nèi)轉(zhuǎn)塔式結(jié)構(gòu)的計算分析中的關(guān)鍵工況。

(3) 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO可以在南海500年一遇的環(huán)境中不解脫，結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

(4) 內(nèi)轉(zhuǎn)塔與船體聯(lián)接處是高應(yīng)力區(qū)，精確的接觸分析可以保證其連接的可靠性。

(5) 整個分析驗證了內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO方案適合南海油水深田開發(fā)。

該文提出的整個設(shè)計流程和分析方法對于未來中國自主設(shè)計FPSO有重要意義，為中國未來完全自主設(shè)計FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔積累了寶貴經(jīng)驗。

[1] LUO Y, WANG H W. Permanent Versus Disconnectable FPSOs[J]. Marine Science and Application,2009，28(8):93-98.

[2] ABS. Rules for Building and Classing Floating Production Installation[S]. 2014.

Finite Element Analysis for FPSO Turret Structural Design

WANG Ming-fei, DU Yao-jun, SONG Ya-xin, LUO Yong， FU Dong-ming

(High Deep Sea Technology Co., Ltd, Beijing 100029, China)

Turret mooring system is one of the most popular single point mooring (SPM) solutions to moor vessel-based FPSOs. The turret mooring system consists of a geostationary turret assembly that is integrated into the FPSO hull through a bearing system and attached to a mooring system. Finite element analysis (FEA) of turret structure is a key step in designing turret mooring system that is fit for purpose in harsh environment. However, industry standards of turret structural analysis technique, including loading condition and combination selection, boundary condition setup and structural analysis acceptance criterion, are not well documented. In this paper, an internal turret structure, which is designed for a FPSO operating in South China Sea, is used as a sample case to illustrate the detailed procedure of turret structural FEA. Emphases are given to aspects of practical importance to engineers conducting turret structure design, such as turret load derivation, boundary condition treatment at the bearing locations, and structural analysis software adoption, etc. It is concluded that the correct application of FEA is essential towards the safe design of a turret system.

FPSO； turret； FEA； structural design

2015-11-16

王銘飛(1982-)，男，結(jié)構(gòu)工程師。

1001-4500(2016)05-0006-06

P75

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