張美榮，徐田甜，何寧強，陳 卓

（1.海洋石油工程股份有限公司,天津 300451；2.中海石油 （中國）有限公司 天津分公司，天津 300459）

超大型浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（FPSO）是深水油田開發(fā)的重要工程設施。海水冷卻系統(tǒng)是FPSO正常生產(chǎn)必須的公用系統(tǒng)之一。FPSO海水冷卻系統(tǒng)有船舶機艙海水冷卻系統(tǒng)和舷外潛沒式海水提升系統(tǒng)2種。舷外潛沒式海水提升系統(tǒng)的應用可降低FPSO機艙海水泵的排量和海水管道的尺寸，縮小FPSO的機艙尺度，使海水提升系統(tǒng)具有更高的可靠性和可維護性［1-2］。

文中以某石油公司一艘深水多點系泊FPSO海水提升系統(tǒng)為例，結合該公司制定的《FPSO總體設計總則》（簡稱企業(yè)標準 1）、《FPSO船體結構設計總則》（簡稱企業(yè)標準2）以及《玻璃鋼（Glass reinforced epoxy）管道應力設計總則》（簡稱企業(yè)標準3）的要求，介紹海水提升系統(tǒng)結構設計的技術要點和成果。

1 海水提升系統(tǒng)總體方案

1.1 FPSO概況

FPSO作業(yè)油田的水深范圍為1 150～1 750 m，船體主尺度（總長×型寬×型深）為330 m×61 m×33.5 m，滿載吃水25.81 m，最小作業(yè)吃水10.65 m。遠洋拖航最小和最大吃水分別為7.511 m和12.0 m,近海拖航吃水為8.3 m。FPSO入BV船級，設計壽命 25 a，并可延長服役 15 a［3-8］。

1.2 海水提升系統(tǒng)概況

1.2.1 設計條件參數(shù)

FPSO海水提升系統(tǒng)主要由4臺潛沒式海水提升泵（簡稱提升泵）、提升泵保護管（簡稱護管）、海水玻璃鋼管道（簡稱管道）、海水提升軟管（簡稱軟管）等核心設施，以及管道支架平臺、海上安裝支架、防撞保護架等輔助設施組成。提升泵在護管內，泵頭定位在護管底部，每根護管底端下方懸掛8節(jié)軟管，每節(jié)軟管長10.53 m。海水提升系統(tǒng)主要設計條件參數(shù)見表1。

表1 海水提升系統(tǒng)主要設計條件參數(shù)

1.2.2 環(huán)境條件

FPSO作業(yè)海域/拖航航線設計環(huán)境條件見表2。

表2 FPSO作業(yè)海域/拖航航線環(huán)境條件

1.2.3 護管布置

護管是提升泵的外部保護設施，護管內徑1.2 m，滿足泵頭可順利下放到護管底端的要求。企業(yè)標準1要求，①不允許將護管布置在FPSO船體內部，同時FPSO舷外設施的布置應考慮船舶碰撞風險。②不允許護管與其防撞保護架共用船體基座，避免碰撞事故發(fā)生時的升級效應。保護架被撞變形后與護管的間距應大于 300 mm［3-5］。按照企業(yè)標準1將護管布置在FPSO右舷外，設置護管防撞保護架，設置護管專用船體基座，總體布置見圖1。

圖1 FPSO右舷護管總體布置

1.2.4 護管及船體基座標高

每根護管的3個船體基座分別設置在FPSO舷側上、中、下位置，對應稱作上基座、中基座及下基座。護管頂端與FPSO主甲板等高，便于布置海水玻璃鋼管道及管道支架。下基座布置在FPSO最小作業(yè)吃水之上，便于下基座焊縫的檢測和修復。護管的底端高程滿足FPSO最小作業(yè)吃水以及最大傾斜工況時仍能保證海水提升的技術要求［4-5］。為避免FPSO拖航工況時泵頭觸碰海床，將護管臨時提升、焊接固定在上基座處，使護管底端在FPSO船底之上1.2 m。

護管及船體基座標高（距離FPSO船底基線高度）見表 3。

表3 護管及船體基座標高 m

1.3 海水提升系統(tǒng)建造及安裝方案

FPSO在船廠建造，通過遠洋拖航至油田，現(xiàn)場安裝。拖航工期為85 d，油田現(xiàn)場海上安裝工期為6個月［5-6］。為縮短海上安裝工期，在拖航工況時每根護管內預先安裝3節(jié)軟管，F(xiàn)PSO在油田系泊定位后切除上基座處的臨時固定肘板，用海上安裝支架將護管下放11.2 m，現(xiàn)場焊接上基座面板上的環(huán)形焊縫和肘板，再用主起重機將5節(jié)軟管依次下放，然后下放安裝海水提升泵頭。FPSO海水提升系統(tǒng)建造及安裝過程關鍵工序示圖見圖2。

圖2 FPSO海水提升系統(tǒng)建造及安裝過程關鍵工序示圖

1.4 護管及船體基座裝配

護管安裝建造工藝要求管內徑誤差小于±5 mm，同心度誤差小于10 mm，垂直度誤差要求每3 m管長小于1 mm。為保證護管下放時能順利穿過基座，在保證護管建造工藝要求的前提下，在上基座面板環(huán)形焊縫處預留3 mm裝配間隙。在護管與中基座間、護管與下基座間均預留23 mm間隙，基座內壁上設13 mm厚的氯丁橡膠層，即護管與氯丁橡膠層間預留了10 mm的間隙。上基座承受護管的全部垂向荷載，中基座與下基座的作用僅為限制護管的水平位移，不承受護管的垂向荷載。護管及船體基座裝配界面見圖3。

圖3 護管及船體基座裝配界面

2 護管及船體基座結構分析

2.1 泵和軟管懸掛荷載

單根護管底端下方懸掛的軟管自重為22.6 t。軟管懸掛縱向、橫向和垂向荷載分別取軟管自重的30%、30%和115%。每根護管內的泵設備、管道自重合計為13.7 t。提升泵是旋轉動設備，考慮設備旋轉扭矩的影響，自重荷載取25%的冗余系數(shù)，施加在每根護管的頂端。

2.2 有限元分析

2.2.1 對象結構建模

應用PATRAN/NASTRAN軟件建立FPSO船首部110 m長艙段（FR.0-FR.110肋位）的結構有限元模型,見圖4。有限元網(wǎng)格尺寸小于100 mm×100 mm，應力熱點區(qū)的有限元細網(wǎng)格尺寸級別為2t× 2t（t為構件厚度）。

圖4 FPSO船首部艙段結構有限元模型

2.2.2 應力分析參數(shù)

護管及船體基座結構靜力分析采用的主要條件參數(shù)見表4。

表4 護管及船體基座結構靜力分析主要條件參數(shù)

2.2.3 應力分析要點

按 DNVGL-RP-C205—2010《Environmental Conditions and Environmental Loads》［9］中Stokes五階波理論和Morison公式計算護管受到的最大波浪、海流荷載，以此最大荷載值線性分布施加在4根護管中心線上，加載時環(huán)境荷載方向分別取 0°、45°、90°和 135°。在位操作、極端環(huán)境、FPSO船艙破損以及遠洋拖航工況時，護管上波浪、海流荷載分別為 3.80 kN/m、5.46 kN/m、3.80 kN/m和21.82 kN/m。護管內的海水質量及水平向慣性荷載也施加在護管中心線上。

FPSO總體設計時，按《國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）73/78》［10］計算船艙破損工況時的最大吃水和縱、橫傾角［7-8］。按照企業(yè)標準2，護管和中、下基座取6 mm腐蝕裕量，上基座取3 mm腐蝕裕量，艙內船體結構取0.5 mm腐蝕裕量。FPSO船體海洋工程區(qū)的結構屈服強度滿足BV-NR445—2013 《Rules for the Classification of Offshore Units》［11］要求，船舶區(qū)的結構屈服強度滿足BV-NR467—2013《Rules for the Classification of Steel Ships》［12］要求，船體結構屈曲強度滿足DNVGL-RP-C201—2010《Buckling Strength of Plated Structures》［13］要求。按照企業(yè)標準2，基座及與之相關的船體艙壁、桁材、骨材和加厚板等結構均屬于海洋工程區(qū)，護管荷載在FPSO船體結構上產(chǎn)生的名義應力 （Von Mises應力）超過30 MPa的范圍也屬于海洋工程區(qū)。

按照BV-NR467—2013，進行護管及船體基座結構靜力分析時組合施加FPSO各典型荷載工況時的船體荷載，護管受波浪、海流荷載，運動慣性荷載和軟管懸掛荷載等，荷載組合見表5［12］。其中FPSO船體承受荷載包括靜水荷載、波浪荷載、貨油艙內壓力荷載和運動慣性荷載。

表5 護管及船體基座結構靜力分析荷載組合

2.2.4 應力分析結果

護管及船體基座結構許用名義應力見表6，構件最大名義應力計算結果見表7。根據(jù)護管強度分析結果確定的護管壁厚為24 mm。按照DNVGL-RP-C205—2010進行校核，結果表明護管在拖航工況時不會發(fā)生渦激振動。

表6 護管及船體基座結構許用名義應力

表7 護管及船體基座結構構件最大名義應力計算結果

2.2.5 應力熱點位置

根據(jù)護管及船體基座結構名義應力分析結果確定的應力熱點分布見圖5。其中，應力熱點A位于護管下基座面板趾端位置，應力熱點B位于上基座面板海上現(xiàn)場焊接環(huán)形焊縫位置，應力熱點C位于上基座面板趾端位置。

圖5 護管及船體基座結構應力熱點分布

2.3 船體基座疲勞分析

2.3.1 建模及分析方法

應用 PATRAN軟件建立 FPSO船體 FR.65～FR.80肋位處的舷側及護管基座結構細網(wǎng)格有限元模型，見圖6。應力熱點區(qū)的精細化有限元網(wǎng)格尺寸級別為 t×t?；?DNVGL-RP-C203—2012 《Fatigue Design of Offshore Steel Structures》［14］的 S-N 曲線和 Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論方法，應用DNV SESAM軟件分析基座的疲勞累積損傷，計算應力熱點的疲勞壽命。

圖6 船體基座疲勞分析有限元模型

2.3.2 工況參數(shù)

船體基座疲勞分析典型工況參數(shù)見表8?；Y構疲勞綜合考慮了FPSO海上安裝和在位操作期間的原油裝卸作業(yè)工況，計入的荷載包括船體受靜水荷載、波浪荷載、貨油艙內壓力荷載、運動慣性荷載和軟管懸掛荷載等，得到在FPSO全生命周期內的疲勞累積總損傷?；Y構的疲勞壽命設計目標為25.5 a，其中包括在位操作時間25 a和海上安裝時間0.5 a。FPSO的20個貨油艙中的原油分為A組和B組交替進行外輸，A組和B組原油外輸量均為15.1萬m3。

表8 船體基座疲勞分析典型工況參數(shù)

2.3.3 分析結果

船體基座應力熱點疲勞分析結果見表9。其中，疲勞設計安全系數(shù)SF按照企業(yè)標準2取值。S-N曲線按照DNVGL-RP-C203—2012中相關規(guī)定選取。

表9 船體基座應力熱點疲勞分析結果

2.3.4 焊接技術要求

應力熱點B環(huán)焊縫焊接節(jié)點圖見圖7，應力熱點C焊接節(jié)點圖見圖8。圖8中，基座面板厚t為 26 或 30 mm，a=5 mm，b=25 mm，h=25 mm。按照DNVGL-RP-C203—2012，對應力熱點 C處 250 mm長度范圍內的焊縫提出了背刨清根和焊趾平整的技術要求，此要求是進一步提高焊縫疲勞壽命的補充措施，同時有利于提高FPSO運營期內焊縫檢驗可靠性［15］。

圖7 應力熱點B焊接要求圖

圖8 應力熱點C焊接要求圖

3 管道支架平臺結構分析

海水提升系統(tǒng)在FPSO主甲板以上的海水管道采用玻璃鋼管。玻璃鋼管耐腐蝕、耐高溫、材質輕并且水力學性能好，在FPSO的海水系統(tǒng)有廣泛應用［16］。玻璃鋼管道設計中考慮了自重荷載、風荷載、溫度荷載、船體變形荷載和運動慣性荷載等［17］。按照企業(yè)標準3，僅承受自重荷載的玻璃鋼管道垂向變形應小于10 mm。應用CAESAR II軟件建立海水系統(tǒng)玻璃鋼管道分析模型，進行應力分析和水錘分析。

根據(jù) ASME B31.3—2016《Process Piping》［18］，評估玻璃鋼管道的一次應力、二次應力、偶然應力、管道支架支反力以及管口荷載等。應用SACS軟件建立管道支架平臺結構分析模型，采用CAESAR II軟件分析管道在限位支座上的支反力荷載，分析管道支架平臺在位操作、極端環(huán)境、拖航、FPSO船艙破損等工況的強度和剛度。

FPSO海水提升系統(tǒng)玻璃鋼管道支架結構分析模型見圖9。FPSO船艙破損工況時船體橫傾角取為25°，對圖9中管道支架平臺上玻璃鋼管的x、y向限位支座 （包括x向支座 1個、y向支座 2個）進行反力分析，結果見表10。管道支架平臺結構應力分析結果滿足API RP 2A WSD 21st,2007(R-2010)《Recommended Practice for Planning,Designing,and Constructing Fixed Offshore Platforms — Working Stress Design》［19］要求。

圖9 海水玻璃鋼管道支架結構分析模型

表10 FPSO船艙破損工況玻璃鋼管道限位支座支反力

4 海上安裝支架結構分析

4.1 安裝方案

每根護管質量為32.825 t，拖航工況時護管內預安裝的3節(jié)軟管質量為6.975 t。FPSO右舷主起重機主鉤的額定起重能力為25 t，無法完成護管的下放作業(yè)。護管海上下放安裝方案為在P1上部模塊上層甲板（EL.+50.0）邊處懸掛1個海上安裝支架，在支架吊梁上設4個氣動吊裝機具吊裝點，吊裝點額定荷載為45 t，氣動吊裝機具額定荷載為50 t。懸掛式海上安裝支架自重質量為9.5 t，由主起重機安裝、拆卸，見圖10。

圖10 護管海上安裝支架

4.2 應力分析

應用SACS軟件建立P1上部模塊上層甲板、立柱和海上安裝支架的結構分析模型，海上安裝工況取1.5倍的吊裝荷載垂向動載系數(shù)和0.1倍的水平方向荷載系數(shù)，并考慮了上層甲板處的運動慣性荷載和風荷載，結構應力分析結果見圖11，分析得到的結構強度、剛度滿足API RP 2A WSD 21st,2007(R-2010)要求。

圖11 海上安裝支架結構應力分析結果（海上安裝工況）

5 防撞保護架結構分析

FPSO工程設計中開展了船舶碰撞量化風險分析，對海上安裝、生產(chǎn)、維修中的船舶碰撞事故及其后果進行系統(tǒng)分析，針對事故發(fā)生的可能原因和條件，提出降低風險的技術措施，確保船舶發(fā)生誤操作或設備故障后碰撞FPSO也不會導致重大事故［3］。護管防撞保護架按DNVGL-RP-C204—2019《Design Against Accidental Loads》［20］和DNVGL-RP-C208—2016《Determination of Structural Capacity by Non-linear Finite Element Analysis Methods》［21］設計。供應船滿載排水量為7 500 t，船首和船側碰撞工況的附加水質量分別按0.1和0.4倍供應船排水量取值，供應船撞擊保護架時的速度為1.35 m/s。應用LS-DYNA3D軟件進行供應船撞擊護管保護架分析，供應船船首撞擊保護架變形分析結果見圖12，供應船舷側撞擊保護架變形分析結果見圖13。供應船撞擊保護架結構變形和應力結果見表11。按照保護架變形后與護管間距大于300 mm，F(xiàn)PSO舷側結構名義應力小于規(guī)范許用應力346.5 MPa對撞擊事件進行評價，結果滿足企業(yè)標準2和BV-NR445—2013要求。

圖12 供應船船首撞擊保護架變形分析結果

圖13 供應船舷側撞擊保護架變形分析結果

表11 供應船撞擊保護架結構變形和應力分析結果

6 結語

深水超大型FPSO采用潛沒式海水提升系統(tǒng)技術已漸趨成熟。海水提升泵護管及FPSO船體基座是船級社規(guī)范中界定的海洋工程區(qū)的重要結構物，應根據(jù)FPSO作業(yè)海域和拖航航線的環(huán)境條件、海上安裝方案以及企業(yè)標準要求合理地布置。海水提升系統(tǒng)結構設計中考慮了FPSO在位操作、極端環(huán)境、船艙破損、拖航、海上安裝和供應船碰撞等工況。按DNV、BV船級社規(guī)范和公司企業(yè)標準要求開展了護管、船體基座、管道支架平臺、海上安裝支架和防撞保護架結構設計分析，保證了海水提升系統(tǒng)海上安裝作業(yè)的安全、高效，滿足了結構設計壽命的要求。