王 璞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的進(jìn)展

王 璞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

基于中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院十多艘服務(wù)于中國海域的FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合船級社相關(guān)規(guī)范要求，介紹了FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)在中國的發(fā)展進(jìn)程。文中回顧了20世紀(jì)末至21世紀(jì)初的FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)；針對兩艘分別作業(yè)于中國南海和渤海的FPSO，分析了包括設(shè)計波浪載荷數(shù)值、總縱強(qiáng)度和極限強(qiáng)度校核、艙段強(qiáng)度有限元、疲勞強(qiáng)度校核、模塊支墩與單點(diǎn)加強(qiáng)等特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計以及意外載荷等各方面的最新發(fā)展。在此過程中，水動力分析、線性與非線性有限元及譜疲勞分析等先進(jìn)的設(shè)計方法和分析軟件，均得到了普遍應(yīng)用。

浮式儲油卸油裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計波浪載荷；疲勞強(qiáng)度校核

引 言

浮式生產(chǎn)儲油裝置（Floating Production Storage and Offloading Unit，簡稱FPSO）是集油氣處理、發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲存和外輸?shù)茸鳂I(yè)功能和人員居住功能于一體，具有高風(fēng)險、高技術(shù)、高附加值、高投入、高回報的綜合性海洋工程。FPSO包括系泊系統(tǒng)一般與井口平臺、水下采油裝置和穿梭油船等組成油田完整的浮式生產(chǎn)系統(tǒng)。因其具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、儲油能力大、投資低、見效快、可以轉(zhuǎn)移及重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，浮式生產(chǎn)系統(tǒng)近年來已成為海上石油開發(fā)的主流方式，而FPSO則是浮式生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝備。FPSO設(shè)計建造融合了船舶技術(shù)、海洋技術(shù)和石油化工技術(shù)，是眾多行業(yè)承包商的合作產(chǎn)物，是國家綜合國力的象征。自20世紀(jì)90年代由油船改裝而成的“渤海友誼”號FPSO投入使用，如今作業(yè)于中國南海和渤海海域、隸屬于中國海洋石油總公司（以下簡稱CNOOC）的FPSO已超過10艘，其中絕大部分FPSO的船體部分均由中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院（以下簡稱MARIC）設(shè)計、并由中國船廠建造。而在世界范圍，挪威北海、西非、東南亞、巴西海域已成為FPSO最主要且最集中的應(yīng)用海域，F(xiàn)PSO的設(shè)計建造取得了迅猛的發(fā)展。

作為海洋工程裝備的FPSO，一般長期定位于海上油田，要求能夠抵御各種復(fù)雜、惡劣的海況，保證設(shè)施的自身安全和持續(xù)作業(yè)能力，因此其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)往往遠(yuǎn)高于普通的民用運(yùn)輸船舶，挪威船級社（DNV）、美國船級社（ABS）及法國船級社（BV）等主流船級社也紛紛不斷更新提高其FPSO設(shè)計建造規(guī)范的要求。與常規(guī)船舶相比，F(xiàn)PSO有以下基本特點(diǎn)：特定的作業(yè)海況、特殊的系泊系統(tǒng)、特殊的原油外輸系統(tǒng)、無推進(jìn)動力、設(shè)計壽命內(nèi)不進(jìn)塢檢修、復(fù)雜的管線及控制系統(tǒng)、高安全性要求以及大量的工程界面協(xié)調(diào)等。因此，F(xiàn)PSO設(shè)計理念具有海洋工程設(shè)計鮮明的特點(diǎn)，其核心是大量的直接計算和分析，并參考模型試驗與工程經(jīng)驗反饋，綜合風(fēng)險評估和費(fèi)效分析結(jié)果，在世界范圍工程設(shè)計領(lǐng)域也是一種非常先進(jìn)的設(shè)計思想。

FPSO不僅要抵御“百年一遇”的惡劣海況，而且還要經(jīng)受長期的波浪循環(huán)載荷作用。確保FPSO具備足夠的強(qiáng)度抵御以上極端載荷與疲勞載荷，是FPSO設(shè)計壽命內(nèi)不進(jìn)塢檢修，從而維持海上油田正常生產(chǎn)的保證。因此，F(xiàn)PSO船體結(jié)構(gòu)的可靠性，是整個浮式生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)功能的關(guān)鍵所在。

在外形上，雖然當(dāng)前也出現(xiàn)了圓筒形FPSO等特殊案例，但“船”形FPSO仍舊因其儲油量高、甲板布置空間大、安全性好而成為FPSO的主流。本文著重針對“船”形FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行介紹，旨在描繪出中國FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)步軌跡和輪廓。

1 回顧與發(fā)展

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，F(xiàn)PSO剛剛成為海洋油氣資源開發(fā)的亮點(diǎn)，經(jīng)CNOOC投資新建或由油船改造，形成了作業(yè)于中國渤海及南海海域的一支近十艘FPSO組成的海上浮式生產(chǎn)裝備船隊。

當(dāng)時，全球海洋工程尤其是浮式海洋工程裝備仍屬于起步階段，人們對于FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計只能通過不斷研究與實踐摸索前進(jìn)。各大主流船級社的相關(guān)FPSO規(guī)范也都處于初級階段：一方面，雖然能夠做出規(guī)范一般性準(zhǔn)則要求，但缺少針對性的可操作方法；另一方面，由于當(dāng)時電腦計算能力的限制，針對結(jié)構(gòu)設(shè)計的大規(guī)模直接計算既無硬件支持，也缺少相關(guān)計算分析軟件。

就FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，首要問題是針對其作業(yè)海域的環(huán)境參數(shù)來確定恰當(dāng)?shù)牟ɡ溯d荷，以作為FPSO總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的校核基礎(chǔ)。雖然認(rèn)識到設(shè)計波浪載荷不能仍按照油船取規(guī)范值，但是由于缺少載荷直接計算手段，設(shè)計載荷只能通過估算以及同船級社協(xié)商，在確保足夠保守的前提下確定設(shè)計值?？紤]到設(shè)計載荷的重要性，設(shè)計載荷所取值的裕度通常也較大?？偪v強(qiáng)度校核決定了FPSO船舯區(qū)域縱向構(gòu)件的尺寸，然而校核方法基本仍沿用油船的剖面模數(shù)校核方法，通常在設(shè)計載荷已做一定保守考慮的情況下，再設(shè)計3%～5%的甲板模數(shù)裕度。

對于FPSO橫向強(qiáng)度，由于大規(guī)模有限元計算還沒有得到廣泛應(yīng)用，船級社規(guī)范也還沒有提出針對FPSO自身特點(diǎn)的橫向強(qiáng)度校核工況以及組合，F(xiàn)PSO主要橫向支撐構(gòu)件的設(shè)計仍是基于油船構(gòu)件適當(dāng)保守選取，或者基于簡單的梁系強(qiáng)度計算公式設(shè)計，既無法反映FPSO外載荷以及艙內(nèi)慣性載荷的特點(diǎn)，也不能直觀判斷主要支撐構(gòu)件的應(yīng)力水平，尤其是不能考慮各類載荷共同作用下的屈曲強(qiáng)度。在FPSO設(shè)計初期，由于對上部模塊的結(jié)構(gòu)與模塊支撐結(jié)構(gòu)型式的認(rèn)識有限，甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核仍處于空白階段，只是被動的根據(jù)模塊支撐的布置保守設(shè)計一定加強(qiáng)，既不能在設(shè)計初期為模塊支墩規(guī)劃合理恰當(dāng)?shù)牟贾梦恢?，也無法直接分析校核所需設(shè)置的甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尺寸。與之相似的是，對于單點(diǎn)系泊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，一般采取憑借經(jīng)驗設(shè)計加強(qiáng)依靠船級社校核評估的方式。

至于FPSO的疲勞強(qiáng)度，一方面由于船級社規(guī)范中具體可操作方法的欠缺，一方面也因為人們對疲勞問題認(rèn)識的不足，結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往只能針對油船結(jié)構(gòu)中已反映的常見疲勞問題，結(jié)合船級社的有關(guān)經(jīng)驗反饋，采取設(shè)置疲勞肘板的方式進(jìn)行考慮。然而，對于上部模塊支撐結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)等FPSO特有結(jié)構(gòu)的疲勞問題，只有通過第三方的輔助分析計算或船級社的審查意見來進(jìn)行考慮。

由上可見，在十多年前，F(xiàn)PSO結(jié)構(gòu)設(shè)計仍基本停留在與油船相似的模式上，即依據(jù)經(jīng)驗公式、著重圖紙設(shè)計而忽視直接計算驗證；同時，由于對FPSO上部模塊、火炬塔、單點(diǎn)等特殊結(jié)構(gòu)型式的認(rèn)識有限，相關(guān)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計仍停留在后期被動局部改造設(shè)計，不能在初期就從整體和全局考慮規(guī)劃。

近年來，隨著海洋工程這一新興行業(yè)的逐漸發(fā)展壯大，人們對FPSO這一浮式生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有了越來越深入的認(rèn)識，各大船級社紛紛頒布與更新其專門針對FPSO設(shè)計建造的規(guī)范要求和相應(yīng)指導(dǎo)性文件，如DNV的OS-C102［1］、RP-C102［2］、RP-C203［3］，ABS的Guide for FPI，BV的NR445 Part D［4-5］等；同時，伴隨計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能計算機(jī)已經(jīng)能夠支持以往無法運(yùn)算的大規(guī)模計算，一大批商業(yè)水動力分析、有限元計算、疲勞計算等各類專業(yè)分析軟件（如DNV-SESAM、BV-HOMER和ABS-EAGLE FPSO）也紛紛投入工程實踐應(yīng)用；綜合上述條件，促使了FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)在十年不到的時間內(nèi)取得了翻天覆地的發(fā)展。

本院在新近為美國康菲國際石油公司（ConocoPhillips）和中國海洋石油總公司（CNOOC）設(shè)計的一型作業(yè)于渤海淺水的30萬噸級FPSO與一型作業(yè)于南海的15萬噸級FPSO上，已參照DNV和BV規(guī)范的最新要求，成功應(yīng)用了水動力分析、多艙段強(qiáng)度有限元分析、多載荷共同作用下的屈曲強(qiáng)度分析、簡化方法疲勞分析及譜方法疲勞分析等設(shè)計方法，并采用結(jié)構(gòu)分類、縱向構(gòu)件極限強(qiáng)度校核、上部模塊及單點(diǎn)等特殊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值分析、意外載荷狀態(tài)非線性數(shù)值分析等設(shè)計理念。

2 先進(jìn)設(shè)計方法的應(yīng)用

FPSO的設(shè)計波浪載荷與作業(yè)海域的環(huán)境條件（特別是波浪參數(shù)）密切相關(guān)，這是區(qū)別于常規(guī)船舶設(shè)計的一個突出特點(diǎn)，也是當(dāng)今FPSO結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的重要基礎(chǔ)。三維線型頻域與非線性時域水動力分析軟件（如DNV船級社開發(fā)的SESAM/ WADAM&WASIM和BV開發(fā)的HydroSTAR& ARIANE）為FPSO波浪載荷數(shù)值分析提供了可靠的技術(shù)手段，因此在結(jié)合模型試驗獲取較準(zhǔn)確的相關(guān)設(shè)計參數(shù)（如橫搖阻尼）的基礎(chǔ)上，MARIC得以對單點(diǎn)系泊FPSO在指定環(huán)境條件下進(jìn)行浪向角分析、波浪特征載荷RAO計算、載荷極值的敏感性分析以及長期疲勞載荷分析。下頁圖1、圖2與表1所示為應(yīng)用水動力軟件在結(jié)合設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，對浪向角、RAOs以及載荷極值的敏感性分析示例。

FPSO總縱載荷包括靜水載荷與波浪載荷兩個方面，波浪載荷根據(jù)作業(yè)環(huán)境條件直接計算，而靜水載荷也必須根據(jù)FPSO實際裝載工況的質(zhì)量分布決定。為此，F(xiàn)PSO靜水載荷往往根據(jù)數(shù)十個乃至上百個可能出現(xiàn)的裝載狀態(tài)統(tǒng)計確定設(shè)計載荷包絡(luò)線（參見下頁圖3），并將其作為FPSO設(shè)計靜水載荷的依據(jù)，而FPSO總縱強(qiáng)度校核也已從以往基于工作應(yīng)力方法的剖面模數(shù)校核，發(fā)展到更反映船體梁極限和失效模式的極限強(qiáng)度校核［6］，下頁圖4為極限強(qiáng)度校核實例。基于各主流船級社的專用軟件（如DNV的NAUTICUS-FPSO或BV的MARSFPSO），都能夠方便的針對船體梁的彎曲甚至剪切極限承載能力進(jìn)行計算，并參照規(guī)范極限強(qiáng)度的對應(yīng)要求進(jìn)行校核。

圖1 浪向角分析結(jié)果示例

圖2 載荷響應(yīng)RAO示例

表1 敏感性分析波浪參數(shù)示例

圖3 靜水彎矩設(shè)計包絡(luò)線示例

圖4 極限強(qiáng)度計算示例

隨著規(guī)范體系和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PSO結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析的發(fā)展體現(xiàn)出更精細(xì)、更有針對性的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下方面：

（1）載荷工況更加細(xì)分，分別針對迎浪時垂向彎矩、剪力以及縱搖運(yùn)動主導(dǎo)和斜浪時水平彎矩、濕表面壓力以及橫搖運(yùn)動主導(dǎo)的不同工況（見下頁圖5），對船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部、靜載荷與動載荷分別作出規(guī)定，從而對有限元計算的加載提出了更高要求。通常，通過船級社軟件（如DNV-NAUTICUS和BVVeriSTAR）能夠?qū)φ找?guī)范要求迅速便捷地完成自動加載工作。

（2）基于FPSO的貨油艙布置特點(diǎn)，F(xiàn)PSO結(jié)構(gòu)強(qiáng)度艙段校核也往往不僅要求貨艙中段的有限元分析，還必須針對最大剪切載荷出現(xiàn)的貨油艙前后端壁、轉(zhuǎn)塔艙與貨油艙相鄰區(qū)域、首部波面壓力增大等特點(diǎn)，另外增加三艙段模型校核的工作。下頁圖6為某FPSO考慮到以上要求所增加的首部第1貨油艙艙段的有限元模型。

（3）針對FPSO船體結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的特點(diǎn)，屈曲強(qiáng)度校核規(guī)范已基本要求按雙向受壓并考慮剪切、橫向外載聯(lián)合作用校核加筋板格的屈曲強(qiáng)度，手動提取應(yīng)力的校核往往只能根據(jù)經(jīng)驗截取典型部位校核，不能直觀反映模型范圍內(nèi)所有結(jié)構(gòu)的屈曲狀態(tài)。然而，隨著專業(yè)有限元分析軟件的發(fā)展，已有船級社軟件（如BV-VeriSTAR）能夠根據(jù)規(guī)范要求自動完成所有板格的屈曲強(qiáng)度校核并輸出。下頁圖7為橫艙壁所有板格屈曲強(qiáng)度的校核。

（4）疲勞強(qiáng)度校核發(fā)展為根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性分別采用簡化方法或譜疲勞方法計算。對于FPSO譜疲勞分析而言，作業(yè)海域波浪散布圖是疲勞計算的基礎(chǔ)，但是浪向角長期概率分布也是FPSO（特別是單點(diǎn)系泊FPSO）疲勞計算的重要參數(shù)，必須綜合模型試驗結(jié)果、浪向角分析結(jié)果和相關(guān)海域設(shè)計實踐確定；而有限元分析子模型技術(shù)則是疲勞熱點(diǎn)應(yīng)力計算的重要保證，可在此基礎(chǔ)上根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行應(yīng)力插值計算、熱點(diǎn)應(yīng)力板厚修正、平均應(yīng)力修正等，船級社軟件（如DNV-SESAM/ STOFAT和BV-HOMER）能夠較好地完成譜疲勞計算工作，但由此也對計算機(jī)硬件配置提出了較高要求。下頁圖8為應(yīng)用BV-HOMER軟件完成的譜疲勞分析。

圖5 FPSO載荷工況示例

圖6 首部第1貨油艙艙段有限元分析模型示例

圖7 橫艙壁板格屈曲校核示例

FPSO的作業(yè)功能很大程度上取決于如上部模塊支撐結(jié)構(gòu)（即模塊支墩及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)）、內(nèi)轉(zhuǎn)塔加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、軟鋼臂支撐結(jié)構(gòu)、火炬塔支撐結(jié)構(gòu)、克令吊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和外輸加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，而這又依賴于經(jīng)驗累積、設(shè)計理念與復(fù)雜的直接強(qiáng)度計算完美結(jié)合。以FPSO上部模塊支撐結(jié)構(gòu)為例，首先從設(shè)計理念上，為了消除船體梁變形的不利影響，模塊支墩采用固定支墩與滑動支墩組合型式；其次，在支墩及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析上，為了避免因設(shè)計界面截斷和各方分析模型在邊界、加載、工況等方面的不匹配，因此采用模塊結(jié)構(gòu)與支墩和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，以更好體現(xiàn)此類加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的最高境界。圖9為應(yīng)用一體化設(shè)計對組合形式的模塊支墩進(jìn)行強(qiáng)度分析的模型，圖10 為軟鋼臂式單點(diǎn)系泊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型。

圖8 譜疲勞分析校核示例

圖9 模塊支墩強(qiáng)度分析模型示例

（5）意外載荷分析是海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計區(qū)別于常規(guī)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的又一大特點(diǎn)。由于考慮了碰撞、墜物、爆炸、熱輻射等問題，其設(shè)計分析大量引入了非線性有限元分析方法。根據(jù)風(fēng)險分析的結(jié)果，某些意外載荷分析是FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計不可缺少的工作內(nèi)容。隨著船級社規(guī)范的發(fā)展，有關(guān)意外載荷的設(shè)計要求也逐步得到規(guī)范明確，如碰撞能量的規(guī)定（包括附連水質(zhì)量）、爆炸當(dāng)量的規(guī)定、墜物能量的規(guī)定等。借助非線性有限元分析軟件（如MSC/DYTRAN、ABAQUS等），F(xiàn)PSO設(shè)計中也對供應(yīng)船或穿梭油船與FPSO的碰撞、典型墜物對結(jié)構(gòu)的沖擊等問題進(jìn)行了分析。下頁圖11所示為借助軟件對某供應(yīng)船遭受意外載荷即側(cè)碰時的碰撞力與能量吸收的分析結(jié)果。熱輻射分析通常是評估火炬塔燃燒熱量對生產(chǎn)處理模塊或人員避難逃生集中處所安全的影響，也是FPSO火炬塔位置和高度確定的重要依據(jù)。此外，為了保證人員或原油管線的安全，設(shè)計防輻射墻結(jié)構(gòu)（Radiation and Heat Shield，簡稱RHS）作為熱輻射源的遮擋結(jié)構(gòu)也是常見的設(shè)計思路，防輻射墻設(shè)計實例參見圖12。

圖10 軟鋼臂式單點(diǎn)系泊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)模型示例

圖11 供應(yīng)船側(cè)碰示例

圖12 FPSO尾部登艇平臺防輻射墻

3 總結(jié)和展望

隨著全球海洋油氣資源開發(fā)進(jìn)一步發(fā)展并走向深水，中國FPSO設(shè)計還將迎接新的挑戰(zhàn)，配合CNOOC逐步加快海洋油氣開發(fā)的腳步，努力拓展承接國際一流石油公司FPSO設(shè)計訂單，力爭在國際FPSO設(shè)計領(lǐng)域獲得自己的一席之地。

［1］ DNV-OS-C102, Structural Design of Offshore Ships［S］. April 2011.

［2］ DNV-RP-C102, Structural Design of Offshore Ships［S］. February 2002.

［3］ DNV-RP-C203, Fatigue Design of Offshore Steel Structures［S］. April 2010.

［4］ BV NR 445, Rules for the Classification of Offshore Units, Part D［S］. April 2010.

［5］ BV NI 539, Spectral Fatigue Analysis Methodology of Ships of Offshore Units［S］. July 2008.

［6］ 王璞.極限強(qiáng)度在FPSO總縱強(qiáng)度規(guī)范校核中的應(yīng)用［J］.上海造船，2006（3）：12-15.

［7］ 王璞，程維杰，趙耕賢.防輻射技術(shù)在海洋油氣工程中的應(yīng)用［J］.上海造船，2009（3）：31-33.

Development of FPSO structural design

WANG Pu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Based on the MARICês structural design experience of more than ten FPSO units in China Sea and combined with the relevant requirements and rules of Classification Society, this paper introduces the development process of the FPSO structural design in China. It reviews the FPSO structural design during the period from the late 20th century to the early 21st century. For the two FPSO units which separately operate in South China Sea and Bohai Bay, it analyzes their updated development of the design wave load, assessment of longitudinal strength and ultimate strength, FE analysis of section strength, check of fatigue strength, structural design of special structures as module stools and SPM reinforcement, and accidental loading, etc. The advanced design methods and analysis software, including Hydrodynamic Analysis, Linear and Non-Linear Finite Element Analysis, and Spectrum Fatigue Analysis, have been generally applied.

FPSO unit; structural design; designed wave load; fatigue strength check

U663

A

1001-9855（2014）02-0001-08

2014-02-19

王 璞（1977-），男，碩士，高級工程師，主要從事船體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。