高峰，齊博，辛曉輝，劉立靜，梁凌云

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

（天津修船技術研究所， 天津 300457）

1 引言

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

2 固定式海洋平臺上部模塊設計計算方法

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

通過SACS計算，可以得出平臺各個桿件的應力、變形、疲勞壽命等，結合規(guī)范校核標準即可得出結構強度是否滿足要求。

3 FPSO上部模塊設計計算方法[2]

3.1 靜力計算

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，而是船舶。船舶的運動作用比固定式平臺更為顯著。FPSO上部模塊的靜力計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上部模塊的靜力計算結合了固定式平臺的靜力計算、拖航計算，以及裝船計算中的強制位移工況（上部模塊與船甲板連接處變形）。

3.2 疲勞計算

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

4 FPSO上部模塊算例

4.1 模塊布置

本文以某FPSO項目上部模塊的設計計算為基礎，選取上部模塊AP&AS，離船首最近的兩個模塊，其在FPSO上的布置如圖1（坐標系如圖所示）：

圖1 AP&AS在FPSO上的布置

對于Z向零點的定義，船甲板成圓弧形，弧形頂點在船中，Z向坐標為0，靠近船舷處Z向坐標為-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構平臺所用的常規(guī)工字鋼、圓管及甲板板組合而成，定義模塊軸線如圖2，ABCD四個主軸線沿船長方向，18-20是模塊南北軸線。

4.3計算及分析方法

海上固定平臺推薦做法和AISC[3]是結構設計的基礎，本文參照API和AISC規(guī)范，本文的模塊靜力計算需要綜合環(huán)境力、船體變形、船舶運動與模塊上的設備設施荷載及自重。

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個點相連，中間一列四個點是與甲板通過特殊裝置固定，剩下兩列支點可以沿著船長方向滑移，這樣可以抵消一部分船舶運動，更有利于結構釋放壓力。12個連接點的具體情況如圖3。因此，中間四個支撐點的自由度為111111，剩余兩列支撐點的自由度為011000。

環(huán)境條件，如風荷載作用在上部模塊上；船體變形可通過點荷載加載在12個支撐點上；船舶運動可換算成加速度作用在上部模塊搖心處；模塊設備設施及自重可通過軟件單獨加載。本文計算時使用到的支撐點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力，但斜撐與下部支撐點連接時引入了插入板，這種結構形式有效地避免了支撐點的運動和應力直接傳導到模塊橫梁上。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

圖4 可滑移支撐點

4.5 校核標準

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

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

4.6 計算結果

根據(jù)前文描述，通過計算，可得所有桿件的應力UC值。最大UC為0.99，為設備底座，梁規(guī)格為H900×300。后續(xù)進一步設計時可重新校核，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T型材。節(jié)點UC有不過的，后續(xù)設計進行節(jié)點設計時修改。

圖5 桿件最大UC

5 研究探討

5.1 改變模塊支撐點形式

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

表2 自由度不同結果對比

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

5.2 改變支撐點船體變形

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

表3 變形方式不同結果對比

從計算結果可見最大桿件UC1.75，四條中間固定主腿全部破壞；同樣，固接的四個支撐點失效；節(jié)點最大位移是原來的3倍多。實際情況中，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的變形應該選取相對變形更為合理。

6 結論

通過第4、5節(jié)計算結果和探討研究，可以得出以下結論：

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

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

(3)考慮船體變形時，應使用相對變形作為模塊計算依據(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，作用在相應模塊主腿的變形可能會減小，后續(xù)研究將進一步進行。

本文所介紹的FPSO靜力計算方法，滿足規(guī)范要求，是經(jīng)過工程檢驗的科學可行的計算方法，實際計算中需要結合船舶水動力計算來獲取FPSO船體的運動數(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。因此影響模塊計算結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)工程計算及研究中，將結合水動力計算來進一步探討FPSO上部模塊的工程計算。

◆參考文獻

[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).