周 佳，趙夕濱，王 璞

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

近年來(lái)，隨著國(guó)際油價(jià)持續(xù)走低，對(duì)海洋油氣開(kāi)發(fā)裝備的設(shè)計(jì)和研發(fā)提出了更高的要求。只有擁有性能更為出色、成本更低的裝備，才能在現(xiàn)今的油氣開(kāi)發(fā)市場(chǎng)中占據(jù)有利位置。自SEVAN MARINE公司推出圓筒形浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）的概念（見(jiàn)圖1）并成功投入到工程應(yīng)用中以來(lái)，該類(lèi)型FPSO成為研究焦點(diǎn)，其獨(dú)有的圓筒形外觀對(duì)其在海洋環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)和受到的環(huán)境載荷的影響均有別于常規(guī)船型FPSO的概念[1-2]。

圖1 SEVAN圓筒形FPSO示意

1 載荷與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

依照常規(guī)海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，在確定結(jié)構(gòu)型式和外形之后，首先根據(jù)法規(guī)和規(guī)范的要求及作業(yè)功能需求對(duì)艙室進(jìn)行劃分。在完成相應(yīng)布置之后，依照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)確定骨材間距、布置結(jié)構(gòu)桁材及強(qiáng)框。隨后，根據(jù)結(jié)構(gòu)件所設(shè)位置進(jìn)行構(gòu)件規(guī)范計(jì)算，完成初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

海洋工程裝備往往需針對(duì)特定海域的環(huán)境條件，分析結(jié)構(gòu)在所處環(huán)境中可能遇到的最大環(huán)境載荷。隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)波法已較多地應(yīng)用到海洋工程裝備總強(qiáng)度載荷預(yù)報(bào)中。各大船級(jí)社根據(jù)其多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)常見(jiàn)的海洋工程裝備推薦了幾個(gè)載荷形式作為設(shè)計(jì)校核指標(biāo)，例如船型FPSO在不同裝載工況下的最大彎矩和剪力及半潛式平臺(tái)在不同浪向下的彎曲、剪切、扭矩和最大加速度等[3]。根據(jù)預(yù)報(bào)的設(shè)計(jì)波載荷，對(duì)海洋工程裝備進(jìn)行結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度分析，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析和校核。

由于圓筒形FPSO外形的特殊性[4-6]，目前規(guī)范中尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)指南和推薦的總強(qiáng)度載荷模式。通過(guò)對(duì)不同工況和環(huán)境條件組合進(jìn)行分析對(duì)比，并與相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)專(zhuān)家和資深船級(jí)社工程師討論可知，圓筒形結(jié)構(gòu)有良好的對(duì)稱(chēng)性，各方向上的尺度一致；同時(shí)，由于型深和吃水較大，圓筒形FPSO的總縱彎矩和剖面剪力不再是以往常規(guī)船型FPSO的主控設(shè)計(jì)載荷；相對(duì)于環(huán)境載荷，其構(gòu)件壓力規(guī)范設(shè)計(jì)載荷將成為設(shè)計(jì)關(guān)鍵。通過(guò)分析對(duì)比不同工況的應(yīng)力結(jié)果分布，最后確定以?xún)蓚?cè)最大液面高度差、平臺(tái)中心與兩側(cè)最大剪力差和艙內(nèi)液貨最大加速度等3個(gè)狀態(tài)為其總強(qiáng)度設(shè)計(jì)波環(huán)境載荷預(yù)報(bào)工況，其波浪載荷模式示意見(jiàn)圖2。在上述工況下，分別校核圓筒形FPSO直徑方向的最大壓力差、中心月池開(kāi)口區(qū)向兩側(cè)的壓力差和艙內(nèi)液貨動(dòng)壓力對(duì)垂直艙壁及外板的影響。

圖2 圓筒形FPSO典型波浪載荷模式示意

目標(biāo)平臺(tái)主尺度為：外徑 88m，主甲板高 45m，雙底，雙殼，設(shè)計(jì)吃水 32m。按照前述分析流程，建立濕表面模型、質(zhì)量模型和結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)波載荷預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度分析，分析采用DNV-GL開(kāi)發(fā)的SESAM軟件包。圓筒形FPSO結(jié)構(gòu)模型示意見(jiàn)圖3，坐標(biāo)原點(diǎn)定于底板圓筒中心處，主要艙壁和甲板采用板單元建模，主要設(shè)備的重量及其所在位置采用質(zhì)量點(diǎn)和梁模擬。為提高鋼材利用率，平臺(tái)結(jié)構(gòu)以水線面為界上下劃分，水線面上部分采用32kg級(jí)高強(qiáng)度鋼，水線面下部分采用36kg級(jí)高強(qiáng)度鋼。同時(shí)，為兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度，在水線面以上部分適當(dāng)預(yù)留一定的設(shè)計(jì)余量，為上部模塊等設(shè)備支撐提供足夠的余度。

圖3 圓筒形FPSO結(jié)構(gòu)模型示意

考慮到圓筒形FPSO的結(jié)構(gòu)和裝載的對(duì)稱(chēng)性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)波載荷預(yù)報(bào)時(shí)，取典型浪向及液貨艙和壓載艙的裝載分布（見(jiàn)圖4），其在240°浪向下的典型RAO響應(yīng)見(jiàn)圖5，反映筒體兩側(cè)海面高度差，校核平臺(tái)在最大水平剪力作用下的結(jié)構(gòu)受載情況和應(yīng)力分布。對(duì)于裝載工況的選取，兼顧液貨艙和壓載艙在不同浪向下的裝載情況。如圖3所示，圓筒形FPSO外圈為外壓載艙，向內(nèi)依次為液貨艙、作業(yè)艙和內(nèi)壓載艙。

通過(guò)對(duì)波浪載荷進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，得到不同裝載工況下的液面高度差和水平加速度。從預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看，作用在外壁上的波浪會(huì)對(duì)圓筒形FPSO的外形產(chǎn)生一定的爬升影響，F(xiàn)PSO兩側(cè)的高度差相對(duì)所處環(huán)境下的波高提升20%～30%。同時(shí)注意到，為兼顧修井功能，在目標(biāo)FPSO中間設(shè)有月池開(kāi)口，月池區(qū)內(nèi)的波浪抬升更為明顯，高差極值甚至達(dá)到環(huán)境波高的2倍。該結(jié)構(gòu)為數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，有待模型試驗(yàn)或?qū)嵉乜睖y(cè)驗(yàn)證。

圖4 典型載荷分析工況示意

圖5 最大兩側(cè)液面高度差的RAO響應(yīng)（240°浪向）

此外，對(duì)于艙內(nèi)的液貨加速度預(yù)報(bào)值相對(duì)很小的情況，由于圓筒形FPSO具有良好的水動(dòng)力性能，水平加速度僅為10%的重力加速度量級(jí)。在波浪載荷預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，將水動(dòng)力載荷映射到結(jié)構(gòu)模型上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度分析，對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

經(jīng)總強(qiáng)度分析，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平在各工況下隨著型深的變化而變化的趨勢(shì)明顯，接近底部位置的應(yīng)力水平較高，越接近水面或水面以上位置的應(yīng)力水平較低。同時(shí)，在徑向和環(huán)向艙壁連接處、阻尼板與舷側(cè)外板連接區(qū)域及底部導(dǎo)纜器布置位置角隅處有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以關(guān)注。典型應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6～圖9。由應(yīng)力分析結(jié)果可知，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，因裝載不同而產(chǎn)生一定差異。相對(duì)來(lái)說(shuō)，艙內(nèi)液體壓力作為主控載荷，波浪動(dòng)壓力及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力相對(duì)較小。

圖6 單艙裝載波峰位于月池工況底板應(yīng)力分布示意

圖7 對(duì)稱(chēng)裝載波峰位于月池工況外板應(yīng)力分布示意

圖8 阻尼板與外板連接區(qū)域應(yīng)力分布示意

圖9 阻尼板導(dǎo)纜器開(kāi)口角隅高應(yīng)力示意

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與減重

與同等裝載量級(jí)的船型FPSO相比，由于基礎(chǔ)方案不同、總強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷要求不同，圓筒形FPSO具備一定的優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量比船型FPSO輕25%以上。由于圓筒形FPSO外形獨(dú)特，其主體內(nèi)具體功能艙室的劃分等與傳統(tǒng)船型FPSO的分艙有很大不同，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，初步方案結(jié)構(gòu)重量約為3萬(wàn)t。在此基礎(chǔ)上，為挖掘其更大的潛力，進(jìn)行減輕結(jié)構(gòu)重量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行增加吃水、外徑變化和分艙調(diào)整等一系列方案對(duì)比。在滿足整體性能一致（即排水量不變）的前提下，探索圓筒的外徑、型深、內(nèi)部環(huán)形和徑向艙壁的位置及數(shù)量的調(diào)整和不同艙室布置對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量的影響。

由上述結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析可知：圓筒形FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要控制工況為規(guī)范計(jì)算公式要求，即設(shè)計(jì)壓頭；相對(duì)而言，其圓形外形承壓性能良好，總強(qiáng)度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也相對(duì)較小。改變圓筒形FPSO的設(shè)計(jì)吃水，因設(shè)計(jì)壓頭增加對(duì)設(shè)計(jì)板厚有顯著影響，在裝載量相同的情況下，結(jié)構(gòu)增重明顯，整體結(jié)構(gòu)重心偏下；在加大型深之后，由于設(shè)計(jì)壓力增加，對(duì)結(jié)構(gòu)件的要求會(huì)顯著提高。因此，從輕量化的角度看，首先應(yīng)控制設(shè)計(jì)方案的型深，以小型深為宜。其次，從主體內(nèi)部布置上看，因分艙采用從上到下的徑向艙壁和環(huán)向艙壁，水平設(shè)置環(huán)向水平桁。艙壁重量是結(jié)構(gòu)重量的主要部分。在滿足規(guī)范和法規(guī)對(duì)分艙要求的前提下，盡可能地減少垂向艙壁的數(shù)量，從而直接降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量。另外，艙壁大多貫穿于整個(gè)主體，從分隔艙壁的總長(zhǎng)度上可得到整體結(jié)構(gòu)輕量化的方向，根據(jù)圓直徑與周長(zhǎng)的關(guān)系考慮艙壁設(shè)置位置及判別環(huán)向分隔數(shù)量和徑向直徑大小的優(yōu)化方向。

根據(jù)以上結(jié)論，后期可對(duì)初步方案進(jìn)行輕量化改進(jìn)，以減少垂向分艙、適當(dāng)降低型深為優(yōu)化方向，減少兩道垂向分隔。同時(shí)，在對(duì)外徑進(jìn)行微調(diào)之后，成功減重約4000t，約為總重的13%，效果顯著?？梢?jiàn)，作為新型海洋工程裝置的圓筒形FPSO，其不同于常規(guī)船型FPSO的主尺度和分艙設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)空船重量造成顯著影響，有很大的優(yōu)化和深入研究空間。此外，因外形發(fā)生變化，相對(duì)矮胖的外形會(huì)增加系泊設(shè)計(jì)的載荷，在確定總體方案時(shí)需進(jìn)行綜合評(píng)估。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)圓筒形FPSO的設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行介紹，總結(jié)了該型裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)關(guān)鍵區(qū)域。通過(guò)對(duì)比不同設(shè)計(jì)方案，給出了結(jié)構(gòu)減重的優(yōu)化方向。受限于研究時(shí)間和進(jìn)度要求，后續(xù)可對(duì)水平桁布置間距進(jìn)行深入討論，進(jìn)一步開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重研究。此外，水線上下范圍的結(jié)構(gòu)砰擊和內(nèi)部月池區(qū)域波浪載荷的非線性問(wèn)題也值得關(guān)注并有待進(jìn)一步研究。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 王天英，馬永訓(xùn).新概念FPSO最新研究進(jìn)展[J] .船海工程，2011, 40 (5): 184-188.

[2] LAMPORT W B, JOSEFSSON P M.The next generation of round fit-for-purpose hull form FPSOs offers advantages over traditional ship-shaped hull forms [C]//ASME DeepGulf Conference, New Orleans, Louisiana USA, 2008: 1-9.

[3] 景江成，羅子良.圓筒形FPSO特點(diǎn)與總體布置策略分析[J].中國(guó)機(jī)械，2015 (9): 184-186.

[4] WANG T Y, FENG Y X.Advanced development of research on new concept FPSO [J].Ship Ocean Engineering, 2011; 40 (5):184-189.

[5] DNV.DNV-OS-C201 Structural Design of Offshore Units (WSD Method) [S].2012.

[6] 王世圣，趙晶瑞，謝彬，等.深水八角形FDPSO總體性能分析[J] .船海工程，2014, 43 (3): 183-186.