李成君，周佳

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

現(xiàn)有FPSO一般包含新建FPSO及油船改造兩種形式。新建FPSO是根據(jù)目標作業(yè)海域環(huán)境參數(shù)、油品特性全新定制船體上部模塊，以及系泊定位設(shè)施等，設(shè)計過程中針對性強，但是建造周期較長，成本較高；油船改造形式是以舊油船為基礎(chǔ)，按照同樣流程進行適應性改造，周期較短[1-2]，不過功能受原有油船的限制較明顯，且疲勞分析復雜。新一代FPSO具有通用型特征[3]，采用新建標準化船殼，然后加裝上部模塊及系泊設(shè)施等，其標準化船殼更適應FPSO的特點，同時批量建造可降低成本、縮短項目交付時間。

1 通用型FPSO船體

海上油田受水深、風浪、溫度，以及石油品質(zhì)等影響，各作業(yè)海域的FPSO在構(gòu)造、系泊方式，以及生產(chǎn)流程上各不相同，其設(shè)計思路也存在差異。作業(yè)于各個不同海域的FPSO基本都是根據(jù)特定海域特點設(shè)計的，見表1。

表1 不同海域的常規(guī)FPSO特征

同時，油田規(guī)模、油品質(zhì)量，以及油田開發(fā)模式則對FPSO上部模塊有關(guān)鍵影響，也對FPSO船體的主尺度有一定影響。

現(xiàn)有FPSO設(shè)計多針對單一海域和確定的油田，采用的是定制化設(shè)計方案，而通用型FPSO船體在設(shè)計過程中需兼顧多個海域油田的特點，在尚不明確油田的情況下設(shè)計，需滿足多個海域油田的使用功能，通過設(shè)計一型適用于多種海域環(huán)境條件，多種系泊方式，不同規(guī)模的上部模塊，兼容不同立管系統(tǒng)等，可滿足一定范圍內(nèi)設(shè)計參數(shù)組合的通用型FPSO船殼結(jié)構(gòu)。

2 通用型FPSO船體載荷

關(guān)于通用型FPSO船體的載荷特點，以某一通用型FPSO船體載荷為例進行描述。

2.1 載荷特征

作為示例的通用型FPSO適用于包括巴西、西非及墨西哥灣等多種海域，選取巴西及西非兩種典型海域?qū)PSO設(shè)計過程中的載荷特點進行討論。充分考慮不同海況的環(huán)境特征，并對不同環(huán)境的載荷進行包絡(luò)處理。由于海況跨度大，系泊方式靈活，因此環(huán)境條件及系泊方式均不確定，系泊方式對FPSO的靜水載荷具有較大影響，環(huán)境條件主要對波浪載荷具有較大影響。

2.2 靜水載荷特點

基于裝載手冊對不同裝載工況的彎矩進行統(tǒng)計，得到單點/多點系泊對船艏的靜水彎矩的影響見圖1。

圖1 不同系泊工況下全船靜水彎矩分布

對于一般FPSO而言，最大垂向彎矩位置出現(xiàn)在縱向的船舯位置，同時艏艉方向彎矩逐漸降為0，而對于目標FPSO，由于單點/多點提供定位載荷的同時在船首產(chǎn)生了由于定位載荷所造成的中拱，因此靜水彎矩包絡(luò)值與常規(guī)FPSO相比，較為獨特。

考慮到靜水載荷為設(shè)計載荷的主要載荷，同時針對影響靜水載荷的裝載資料的充分程度，在對載荷進行包絡(luò)過程中對于船舯0.4L(L為船長)范圍內(nèi)的設(shè)計靜水彎矩針對最大靜水彎矩預留5%的裕度，其范圍外的設(shè)計靜水彎矩在線性變化的基礎(chǔ)上充分考慮載荷裕度的控制，在合理設(shè)計的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本。

2.3 波浪載荷特點

基于HydroD軟件針對目標FPSO進行載荷計算，為了得到不同系泊方式對波浪載荷的影響，將不同的系泊方式選取同一個海域進行分析比較。由于巴西海況內(nèi)轉(zhuǎn)塔的波浪載荷更加主控，因此將巴西海況作為環(huán)境條件分析，統(tǒng)計不同系泊方式下得到滿載工況的垂向剪力、垂向彎矩、水平彎矩以及波面升高，見圖2。

圖2 波浪載荷曲線

從圖2整體上可以看出，外轉(zhuǎn)塔的各項波浪載荷均較小，這與外轉(zhuǎn)塔風標效應下始終處于環(huán)境力最小的方位有關(guān)。從最大垂向剪力圖中可以看出，多點系泊最大剪力出現(xiàn)在船尾，且船首尾的最大垂向剪力相當，而內(nèi)轉(zhuǎn)塔最大垂向剪力出現(xiàn)在船首，且船首處的剪力比船尾明顯偏大，而首部及尾部的波浪彎矩均較小，因此剪力工況的校核應當作為通用型FPSO的艏部以及尾部的主控載荷進行校核，且不同系泊方式下的剪力校核應當同時進行；從波浪垂向彎矩以及水平彎矩中可以看出，系泊方式對該載荷的影響較小，最大載荷位置也較為接近，且船中位置的剪力較小，因此彎矩工況的校核應當作為通用型FPSO的中部的主控載荷進行校核，且不同系泊方式下的波浪彎矩校核可以簡化為一個系泊方式進行校核；從波面升高圖(多點系泊未考慮風標效應)中可以看出，多點系泊的波面升高較為均勻，單點系泊的波面升高較為劇烈，在計算工況包括舷外水壓力時，單點系泊工況下首部的波面升高更為明顯，特別是對于內(nèi)轉(zhuǎn)塔，應當著重考慮垂向剪切力與舷外水壓力的綜合作用。

在實際設(shè)計過程中，針對波浪環(huán)境較好的海域一般采用多點系泊，波浪環(huán)境較差的海域一般采用單點系泊。圖2中所示的多點系泊的波浪升高基于巴西海域進行計算，實際上不會出現(xiàn)。

3 通用型FPSO船體的結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)特點

通用型FPSO船體采用標準化船殼的設(shè)計，在設(shè)計中無法像常規(guī)FPSO一樣做確定性的考慮，在實際設(shè)計過程中，一般按照可能出現(xiàn)的所有嚴重情況進行包絡(luò)設(shè)計。不確定因素如下。

1)質(zhì)量分布及多海況對結(jié)構(gòu)總強度的要求。

2)上部模塊對貨艙區(qū)甲板結(jié)構(gòu)要求。

3)多種系泊定位方式對船體結(jié)構(gòu)的要求。

4)多種外輸配置對艏艉結(jié)構(gòu)的要求。

5)大型生活樓的結(jié)構(gòu)要求。

針對上述不確定性因素進行包絡(luò)設(shè)計，主要從以下幾方面進行分析。

1)總縱構(gòu)件對總強度載荷的包絡(luò)性。

2)適用多種系泊形式的艏部結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 兼顧多種系泊方式的艏部結(jié)構(gòu)

3)甲板結(jié)構(gòu)對標準化上部模塊支撐的適用性設(shè)計，見圖4。

圖4 標準化上部模塊結(jié)構(gòu)

4)舷側(cè)結(jié)構(gòu)對立管支撐的適用性設(shè)計。

5)滿足一定靈活性的克令吊加強結(jié)構(gòu)。

6)適用通用型FPSO需求的生活區(qū)結(jié)構(gòu)。

圖3中的艏部結(jié)構(gòu)兼顧了多點系泊、內(nèi)轉(zhuǎn)塔，以及外轉(zhuǎn)塔3種系泊方式；圖4所示通用型FPSO的分布式上部模塊，可適應多種不同重量的模塊。艏部結(jié)構(gòu)及分布式上部模塊是通用型FPSO區(qū)別于常規(guī)FPSO的重要特征。

3.2 結(jié)構(gòu)安全驗證

由于通用型FPSO船體為新概念船型，因此許多位置、結(jié)構(gòu)需要進行結(jié)構(gòu)強度校核，以確保設(shè)計的可行性，總強度校核及局部結(jié)構(gòu)強度校核為常規(guī)校核，能夠體現(xiàn)出通用型FPSO主要特征的是包絡(luò)不同規(guī)模上部模塊的甲板支撐結(jié)構(gòu)和不同系泊方式下的船舯貨艙區(qū)艙段強度校核及艏部艙段校核。如2.3所述，不同系泊方式呈現(xiàn)出不同的波浪載荷特征，其主要控制載荷也存在差異，因此對于通用型FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計，對貨艙區(qū)艙段的結(jié)構(gòu)強度校核及艏部分段在各種系泊方式下的結(jié)構(gòu)強度校核是非常有必要的。

3.3 貨艙區(qū)艙段強度校核分析

貨艙區(qū)艙段強度在校核過程需要考慮不同系泊方式的影響。其中，單點系泊的船體梁載荷明顯高于多點系泊形式；多點系泊工況應當考慮左右舷非對稱波面升高引起的舷外水壓載荷差異。篇幅所限，選擇目標FPSO典型的單點系泊工況。

由于需要兼顧不同重量范圍的上部模塊[4-5]，因此在貨艙區(qū)艙段結(jié)構(gòu)強度校核過程中應當首要考慮模塊重量的選取，而具體的上部模塊需要考慮作業(yè)油田具體的生產(chǎn)要素進行確定，根據(jù)目標通用型FPSO設(shè)計要求，將上限4萬t作為模塊重量的設(shè)計值。此時滿載的中垂彎矩最大。由2.3的討論可知，貨艙區(qū)艙段的結(jié)構(gòu)校核與系泊方式關(guān)系不大，因此將各個系泊工況下的貨艙區(qū)艙段校核簡化為1個計算模型進行分析，同時由于主控載荷為中垂彎矩，且船中0.4L范圍內(nèi)的中拱彎矩以及中垂彎矩都取為設(shè)計的最大包絡(luò)值，由圖1、2可知，艙段計算的中垂彎矩包絡(luò)值Me=Ms+Mw，垂向剪力載荷作為非主控載荷，可直接將貨艙區(qū)艙段校核區(qū)域的靜水剪力包絡(luò)值與波浪剪力包絡(luò)值疊加作為設(shè)計值進行校核。

從圖5看出，高應力區(qū)域主要集中在水平桁與縱艙壁交叉區(qū)域及強框自由邊區(qū)域。

圖5 不同區(qū)域應力UC分布

3.4 艏部分段強度校核分析

艏部波浪載荷受系泊方式的影響較大，需要對每個系泊工況單獨進行計算分析，計算模型見圖6。

圖6 艏部計算模型

3.4.1 外轉(zhuǎn)塔計算分析

目標FPSO采用懸掛式外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)，建立外轉(zhuǎn)塔艏部模型時僅對懸臂梁部分結(jié)構(gòu)進行仿真。在外轉(zhuǎn)塔重心位置處施加系泊載荷及自重。為了更好地體現(xiàn)艏部區(qū)域船體梁載荷的包絡(luò)性，對外轉(zhuǎn)塔系泊形式下的FPSO所有裝載工況進行統(tǒng)計，將船體梁艏部區(qū)域是否發(fā)生靜水彎矩最值或剪力最值作為挑選艏部區(qū)域船體梁包絡(luò)載荷的依據(jù)，然后根據(jù)彎矩或剪力最值發(fā)生的對應工況進行艏部包絡(luò)載荷的施加。經(jīng)過計算選取典型設(shè)計工況及對應的應力結(jié)果見表2。

表2 典型設(shè)計工況(最小彎矩和最大剪力)及結(jié)果

3.4.2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔計算分析

垂向載荷主要由系泊載荷垂向分量及系泊系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)自重組成，主軸承平面力為系泊力在風浪流運動下產(chǎn)生的水平分量。主軸承彎矩主要產(chǎn)生于船舶運動時系泊系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)運動重心偏離結(jié)構(gòu)重心。按照《海上浮式裝置入級規(guī)范》第11章第7節(jié)“與系泊裝置連接的船體結(jié)構(gòu)”中對主軸承反力的規(guī)定，平面力應在120°范圍內(nèi)按照余弦函數(shù)分布。

滿載生存工況較之其他工況，載荷更為典型，因此選取滿載生存工況作為典型工況進行校核，通過對計算結(jié)果進行統(tǒng)計得知水平系泊載荷與彎矩為90°作用時應力最大。見圖7。

圖7 不同區(qū)域的應力分布

3.4.3 多點系泊計算分析

目標船采用多點系泊系統(tǒng)為水下出纜方式(見圖8)，下端導纜器處的系泊纜張力與水平面的夾角α考慮0°～90°范圍；FPSO正常作業(yè)前會調(diào)節(jié)并保持各區(qū)域系泊纜與主船體呈某一固定方位角，該偏差角度基于減小工況計算量及其與初始方位角進行聯(lián)合考慮，水平面角度β變化范圍為。另據(jù)DNV與ABS的相關(guān)規(guī)范，應至少考慮單根系泊纜處于最小破斷載荷、所有系泊纜處于預張力載荷和單根系泊索破斷3種狀態(tài)。

圖8 多點系泊載荷夾角

設(shè)計工況選取百年一遇的環(huán)境荷載。通過對3種系泊纜狀態(tài)，3種系泊纜張力角以及3種系泊纜與船體的夾角3種影響因素的組合工況進行計算，得到最大應力見表3。

表3 多點系泊不同工況應力峰值

4 結(jié)論

針對目標船舷側(cè)結(jié)構(gòu)對立管支撐的設(shè)計以及多海況對結(jié)構(gòu)強度的要求是通用型FPSO的特點，雖然結(jié)構(gòu)總強度分析方面沒有太大區(qū)別，但由于結(jié)構(gòu)形式大不同，因此有必要兼顧不同海域特點的疲勞強度進行研究。另外，標準化的上部模塊支撐結(jié)構(gòu)及多點系泊(包括立管)界面結(jié)構(gòu)等也需要有針對性的研究。