徐田甜

(中國海洋石油國際有限公司 北京 100027)

超大型FPSO(浮式生產(chǎn)儲油裝置)是西非和巴西近海深水油田開發(fā)的重要工程設(shè)施，單座上部模塊操作質(zhì)量可超過6 000 t，上部模塊操作總質(zhì)量可超過60 000 t，上部模塊工藝甲板至FPSO主甲板高度可達6～8 m[1]。上部模塊下的彈性基座和甲板支墩是上部模塊與船體之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)界面。為了縮短FPSO的建造工期，船體和甲板支墩均須先于上部模塊開工建造，但上部模塊質(zhì)量和重心位置的詳細設(shè)計結(jié)果存在不確定性。此外，上部模塊與船體之間結(jié)構(gòu)界面處的建造、安裝精度也應(yīng)保證模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論邊界條件，故上部模塊的彈性基座和甲板支墩是FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的重點之一[2-6]。

本文以西非近海一艘深水超大型FPSO(以下簡稱FPSO E)為例，結(jié)合其所屬企業(yè)標準，闡述FPSO E在前期研究、基本設(shè)計到詳細設(shè)計優(yōu)化，為應(yīng)對上部模塊操作質(zhì)量增加的挑戰(zhàn)，有效控制甲板支墩質(zhì)量和界面精度，在船體剛度、上部模塊基座邊界條件、基座止升理念、彈性基座設(shè)計和安裝、甲板支墩結(jié)構(gòu)標準化設(shè)計、FPSO遠洋拖航現(xiàn)場監(jiān)測等方面的技術(shù)要點和優(yōu)化成果，以期為我國深水超大型FPSO設(shè)計建造提供借鑒。

1 上部模塊及船體剛度分析

1.1 上部模塊分析

因改造和新建船體的項目管理模式不同以及船體主甲板結(jié)構(gòu)承載能力的差異，F(xiàn)PSO上部模塊和甲板支墩采用不同的總體布置和結(jié)構(gòu)形式[2-6]。上部模塊采用較少的甲板支墩有利于更準確地計算界面荷載，減少主船體上的海洋工程范圍，有利于船體和上部模塊之間的設(shè)計、建造和安裝界面管理[7]。

所屬企業(yè)在西非近海的FPSO均采用新建船體，企業(yè)標準要求上部模塊的甲板支墩應(yīng)布置在FPSO的縱向艙壁之上。每座上部模塊采用4個甲板支墩支撐，并在模塊基座與支墩之間采用彈性基座。如果單座上部模塊操作質(zhì)量小于1 000 t，且支墩結(jié)構(gòu)強度和疲勞滿足要求，可采用其他支撐形式。上部模塊與甲板支墩之間不允許采用鋼與鋼之間可滑動的支撐形式。

FPSO E在管廊模塊的兩側(cè)布置上部模塊(圖1)，從船首至船尾，左舷依次為P1—P9模塊，右舷依次為S1—S8模塊；上部模塊工藝甲板至FPSO E主甲板高度為6 m。上部模塊主要參數(shù)見表1。

圖1 FPSO E上部模塊總體布置Fig.1 General arrangement of topside modules on FPSO E

表1 FPSO E上部模塊主要參數(shù)Table 1 Main parameters of topside modules of FPSO E

1.2 船體剛度分析

FPSO上部模塊受船體總縱彎曲影響，模塊基座在甲板支墩處主要考慮船體垂向和縱向變形。船體設(shè)計應(yīng)合理控制總縱剛度，并通常將每座模塊甲板支墩縱向跨距控制在0.1倍船長以內(nèi)。上部模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合考慮船體剛度和建造誤差，甲板支墩頂部每米跨距的垂向和縱向變形通常均取為±1 mm/m。為確保船體荷載冗余，所屬企業(yè)標準提出了設(shè)計敏感性分析的要求(表2)，并要求在船體建造開工前至少2個月時確認模塊基座處的界面荷載有足夠冗余。

按照所屬企業(yè)標準要求，F(xiàn)PSO船體中部任意200 m長度內(nèi)的總縱彎曲最大垂向變形不允許超過±400 mm，主甲板最大縱向變形不允許超過±1 mm/m。FPSO E基本設(shè)計船體中部200 m長度內(nèi)的最大中拱和中垂變形值分別為280 mm和325 mm，主甲板最大縱向變形為1 mm/m。與基本設(shè)計相比，詳細設(shè)計中由于上部模塊操作總質(zhì)量增加約35%，船體最大靜水彎矩增大約4.75%，主船體詳細設(shè)計增大了總縱剛度(表3)。

表2 FPSO船體荷載設(shè)計考慮敏感性的要求Table 2 Guidance on the margins of FPSO hull loads

表3 FPSO E船體主甲板剛度Table 3 Stiffness of FPSO E hull main deck

2 上部模塊彈性基座設(shè)計

2.1 上部模塊基座邊界條件

上部模塊基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計邊界條件決定甲板支墩的具體功能。上部模塊基座和甲板支墩的界面劃分高度是FPSO界面技術(shù)管理的重點[8]。所屬企業(yè)在2009年前將界面設(shè)在甲板支墩頂面，支墩頂面高于FPSO主甲板邊0.8～1.6 m[9]，如FPSO E的母型船F(xiàn)PSO A的單座上部模塊操作質(zhì)量為1 245～3 946 t，甲板支墩頂面高于FPSO主甲板邊1.5 m，支墩頂部尺寸為4.0 m(長)×4.0 m(寬)，垂向彈性基座抗壓剛度為2 050 kN/mm(圖2a)。近年來，超大型FPSO的設(shè)計發(fā)展趨勢是盡量減少上部模塊的工程范圍，將界面設(shè)在上部模塊基座的下表面[10]。

FPSO E在每座上部模塊的2個基座處設(shè)縱向限位；為了從橫向有效支撐相鄰的管廊模塊，在每座上部模塊靠船中的2個基座處設(shè)橫向限位?；驹O(shè)計中考慮在拖航工況，對每座模塊靠舷邊的基座設(shè)臨時橫向限位，待拖航完工后再將橫向限位切除。

圖2 FPSO A和FPSO E上部模塊和甲板支墩界面Fig.2 Interfaces between topside module and hull stool of FPSO A and FPSO E

詳細設(shè)計中，如維持基本設(shè)計中的模塊基座邊界條件不變，模塊質(zhì)量增大和運動加速度組合模式的變化將造成支墩上的側(cè)向荷載大幅增加。因FPSO主甲板舷邊安全通道布置需要，靠舷邊的支墩外側(cè)不能設(shè)橫向肘板，這限制了支墩的承載能力。為控制支墩上的側(cè)向荷載，優(yōu)化設(shè)計甲板支墩，將上部模塊劃分為普通模塊和重型模塊兩組，定義位于船中部的8座上部模塊為重型模塊(表1)，在重型模塊靠舷邊的基座處增加固定的橫向限位，并在此橫向限位處設(shè)4～5 mm間隙，以延緩側(cè)面彈性基座與支墩的接觸；該橫向間隙在上部模塊結(jié)構(gòu)有限元模型的邊界條件中模擬。上部模塊靠船中的基座處具有橫向、縱向限位和止升功能的邊界條件，如圖2b所示。

2.2 上部模塊基座止升理念

由于FPSO船體傾斜、運動或氣體爆炸事故，上部模塊基座處可產(chǎn)生上拔力，故甲板支墩還應(yīng)具有止升功能。FPSO E基本設(shè)計采用止升拉桿理念(圖3)，在模塊主梁和甲板支墩之間安裝止升拉桿和耳座，拖航工況時單個止升拉桿上的最大止升力為2 369 kN；詳細設(shè)計在側(cè)向限位結(jié)構(gòu)底部加裝止升爪，并在鋼墊塊與支墩之間設(shè)20～30 mm垂向間隙(圖4)，以延緩止升爪與支墩的接觸；該垂向間隙在上部模塊結(jié)構(gòu)有限元模型的邊界條件中模擬，拖航工況時單個止升爪上的最大止升力為2 685 kN。FPSO E拖航時，鋼墊塊與支墩接觸面上要求涂抹潤滑油。

圖3 FPSO甲板支墩和止升拉桿Fig.3 Hull stool and anti-uplift bar of FPSO

圖4 FPSO E甲板支墩和止升爪Fig.4 Hull stool and anti-uplift bracket of FPSO E

FPSO E的P3B和S3B電氣間模塊是全封閉的箱型建筑物，其外圍壁在爆炸工況時承受的側(cè)向力較大，其單個止升爪上的最大止升力為8 390 kN，鋼墊塊與支墩之間的最大壓應(yīng)力為84.75 MPa，止升爪和支墩結(jié)構(gòu)上分別可產(chǎn)生1.43%和0.65%的塑性應(yīng)變，滿足所屬企業(yè)標準中對爆炸工況時主體結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變小于5%的要求，故該止升機構(gòu)可確保模塊在爆炸工況時不會傾覆。

2.3 彈性基座設(shè)計

上部模塊與甲板支墩之間的垂向和側(cè)面彈性基座使界面處不產(chǎn)生彎矩，有利于減小界面荷載、隔離振動和提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命。彈性基座在上部模塊結(jié)構(gòu)有限元模型的邊界條件中按基座實測剛度以彈簧單元模擬，以準確計算界面荷載。彈性基座設(shè)計應(yīng)滿足歐洲EN 1337-3-2005標準要求[11]。

所屬企業(yè)標準要求對上部模塊進行重心位置的敏感性分析，以確定彈性基座處的界面荷載(表4)。表5為FPSO E上部模塊與甲板支墩的界面荷載計算主要參數(shù)；根據(jù)敏感性分析結(jié)果，彈性基座和甲板支墩詳細設(shè)計采用垂向和側(cè)向界面荷載時分別取15%和10%的冗余。

表4 上部模塊與甲板支墩的界面荷載考慮設(shè)計敏感性的要求Table 4 Guidance on the margins of interface loads between topside modules and hull stools

表5 FPSO E上部模塊與甲板支墩的界面荷載計算主要參數(shù)Table 5 Main parameters of interface loads between topside modules and hull stools of FPSO E

FPSO E詳細設(shè)計初期參考FPSO A，根據(jù)界面荷載大小將垂向彈性基座細分為3類規(guī)格，后期由于界面荷載增大，且工期緊張，不再細分垂向彈性基座的規(guī)格；因甲板支墩頂部臨時布置液壓油缸要求，減小了垂向彈性基座的抗壓面積；因拖航工況時側(cè)面彈性基座上的最大壓力增大，增大了其抗壓面積，以利于彈性基座廠家設(shè)計(表6)。

彈性基座應(yīng)確保在火災(zāi)、爆炸或船舶碰撞FPSO引起的強振動等工況下的完整性。所屬企業(yè)標準要求彈性基座結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)為10.0，抗氣體爆炸壓強為150 kPa。FPSO E詳細設(shè)計中，廠家要求每年對彈性基座進行外觀檢查，基座服役1年內(nèi)進行第一次特檢，之后每5年進行一次特檢，故將結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)降低為3.0；根據(jù)氣體泄漏和爆炸風險評估結(jié)果，將抗氣體爆炸壓強降低為120 kPa。

甲板支墩的設(shè)計及周邊設(shè)施、通道布置應(yīng)考慮在生產(chǎn)作業(yè)期間對彈性基座的檢修、更換作業(yè)，即在海上更換彈性基座時，要先將限位結(jié)構(gòu)和止升爪切下，臨時存放在維修承臺或托盤車上，用液壓油缸將上部模塊基座臨時頂升20～25 mm，更換彈性基座后再將限位結(jié)構(gòu)和止升爪復(fù)原。頂升模塊基座工況詳細設(shè)計根據(jù)各基座處的頂升力大小，在支墩頂部布置3或4個液壓油缸，每個油缸的額定負荷為520 t。詳細設(shè)計應(yīng)檢查從彈性基座到FPSO E主甲板物流通道的路徑上是否有障礙物，設(shè)計放在支墩頂部的臨時替代彈性基座的墊墩，編制《彈性基座檢修、更換作業(yè)程序》。

表6 FPSO E彈性基座主要參數(shù)Table 6 Main parameters of elastomeric bearings on FPSO E

2.4 彈性基座界面安裝精度

上部模塊基座、限位結(jié)構(gòu)、甲板支墩和彈性基座的建造、安裝均有誤差。垂向彈性基座的墊板焊接在甲板支墩頂部，焊接時應(yīng)控制橡膠處溫度不超過70 ℃。側(cè)面彈性基座由錨固板和螺栓固定在限位結(jié)構(gòu)上。詳細設(shè)計按模塊和支墩的完工實測尺寸調(diào)整各處墊板和錨固板厚度，對各界面板機加工并插入間隙調(diào)整板，確保彈性基座與支墩、限位結(jié)構(gòu)之間的平行度誤差不超過1 mm/m，確保界面安裝精度與理論邊界條件吻合。FPSO E彈性基座界面安裝精度見表7。

表7 FPSO E彈性基座界面安裝精度Table 7 Installation tolerance of interfaces on elastomeric bearings of FPSO E

3 甲板支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 甲板支墩與船體工程界面

甲板支墩與主船體之間的界面是FPSO海洋工程范圍和船舶工程范圍之間的關(guān)鍵界面之一。甲板支墩的設(shè)計應(yīng)盡量減小主船體上的海洋工程范圍。根據(jù)所屬企業(yè)標準要求，F(xiàn)PSO船體與甲板支墩相關(guān)的局部加強艙壁、桁材、骨材和加厚板等結(jié)構(gòu)均屬于海洋工程范圍。僅由上部模塊荷載在船體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的Von Mises名義應(yīng)力超過30 MPa的范圍也屬于海洋工程范圍。主船體疲勞敏感區(qū)內(nèi)的縱向骨材應(yīng)采用“T”形對稱型材。

為便于在FPSO E海上作業(yè)期間對甲板支墩下的船艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢修，根據(jù)所屬企業(yè)標準和MSC.158(78)《檢修通道技術(shù)規(guī)定》修正案的要求，加大了甲板支墩下縱向艙壁上的兩道縱向骨材的尺寸，以其兼作人員檢修通道(圖5)。

圖5 FPSO E主甲板橫梁的海洋工程范圍Fig.5 Offshore area on the main deck beams of FPSO E

3.2 甲板支墩及船體結(jié)構(gòu)分析

甲板支墩結(jié)構(gòu)分析應(yīng)考慮船體總縱彎曲、上部模塊基座界面荷載、基座止升荷載、臨時頂升模塊基座荷載和氣體爆炸荷載等。根據(jù)所屬企業(yè)標準要求，甲板支墩結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)為2.0，甲板支墩和FPSO主甲板設(shè)計抗氣體爆炸壓強為100 kPa。FPSO E甲板支墩及船體結(jié)構(gòu)分析滿足BV NR445(2013)、NR467(2013)和DNV RP C201(2010)船級社規(guī)范要求[12-14]，分析要點見表8。

表8 FPSO E甲板支墩及船體結(jié)構(gòu)分析要點Table 8 Structural analysis of stools and hull of FPSO E

圖6 FPSO E甲板支墩及船體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.6 Finite element models of hull stools and hull structure of FPSO E

3.3 拖航工況設(shè)計

FPSO拖航工況是甲板支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制性工況。由于FPSO E的甲板支墩詳細設(shè)計拖航工況時的界面荷載增大，故增加了支墩主體橫向和縱向面板的寬度(圖7)，設(shè)計優(yōu)化分別取不同的肘板技術(shù)參數(shù)(表9)，以減小主船體上的海洋工程范圍，減輕甲板支墩和船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

FPSO E甲板支墩詳細設(shè)計如按所屬企業(yè)標準要求，支墩結(jié)構(gòu)拖航工況的許用應(yīng)力若不能比操作工況的取值提高1/3，則結(jié)構(gòu)板厚將增大(表10)，支墩質(zhì)量將增加464t，船體加強結(jié)構(gòu)質(zhì)量將增加1233t；如板厚超過60 mm，鋼板材質(zhì)要求為FH36級，鋼板采購、焊接和檢驗難度增大，影響工程進度，故所屬公司原則同意支墩結(jié)構(gòu)拖航工況的許用應(yīng)力比其操作工況的取值提高1/3，并要求鋼板材質(zhì)為EH36級，板厚不超過60mm(表11)?；驹O(shè)計的連體支墩可減少相鄰支墩中部縱向肘板處的應(yīng)力集中(圖8a)，但連體支墩整體尺寸大，結(jié)構(gòu)件數(shù)量多，主船體上的海洋工程范圍大，建造、安裝難度較大，故詳細設(shè)計全部采用單體支墩，并使相鄰支墩的縱向肘板軟趾端之間的間距不小于500 mm(圖8b)。

圖7 FPSO E甲板支墩設(shè)計示意圖Fig.7 Design of hull stools of FPSO E

表9 FPSO E甲板支墩肘板主要參數(shù)Table 9 Main parameters of brackets of hull stools of FPSO E

表10 FPSO E甲板支墩及船體加強結(jié)構(gòu)板厚對比(拖航工況)Table 10 Plates’ thickness comparison of stools and hull of FPSO E(towing)

表11 FPSO E甲板支墩及船體加強結(jié)構(gòu)主要參數(shù)Table 11 Main parameters of stools and hull of FPSO E

圖8 FPSO E拖航工況甲板支墩Von Mises應(yīng)力Fig.8 Von Mises stress on FPSO E hull stools in towing

3.4 拖航監(jiān)測及結(jié)構(gòu)檢驗

甲板支墩的縱向、橫向肘板軟趾端附近是FPSO主甲板上的結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)和疲勞敏感區(qū)，應(yīng)進行焊縫打磨。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，確定對位于FPSO E船中的12座上部模塊(P3—P7和S3—S7模塊)的甲板支墩在主甲板之上的肘板軟趾端部400 mm長度范圍內(nèi)的焊縫進行打磨。FPSO E從韓國至西非的遠洋拖航工期為85 d，并根據(jù)所屬公司對FPSO拖航監(jiān)測及甲板支墩結(jié)構(gòu)檢驗提出的要求做了以下工作：

1) 根據(jù)企業(yè)標準要求，安裝現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測FPSO拖航時的船體主甲板應(yīng)力。

2) P5模塊頂層甲板最高，S7模塊操作質(zhì)量最大，因此監(jiān)測并推算拖航時P5、S7模塊重心處的運動加速度。

3) 對比P5、S7模塊甲板支墩處按監(jiān)測數(shù)據(jù)計算所得的最大界面荷載和詳細設(shè)計荷載，若實際最大界面荷載超過詳細設(shè)計荷載的75%，則在拖航后對該支墩所有肘板軟趾端附近焊縫打磨處再次進行超聲波檢驗，檢修焊縫損傷。

根據(jù)FPSO E遠洋拖航現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果推算，P5、S7模塊重心處的縱向、橫向和垂向最大運動加速度分別為詳細設(shè)計取值的9.3%、7.0%和21.5%。

4 結(jié)束語

以西非近海深水超大型FPSO為例，開展了超大型FPSO上部模塊彈性基座設(shè)計及甲板支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，認為應(yīng)根據(jù)FPSO作業(yè)環(huán)境條件和上部模塊荷載合理地控制船體剛度，并采用合理的上部模塊基座結(jié)構(gòu)邊界條件、模塊基座止升理念和彈性基座界面安裝精度，優(yōu)化上部模塊基座和甲板支墩的界面設(shè)計，確保界面安裝精度與理論邊界條件吻合，準確計算界面荷載；甲板支墩設(shè)計應(yīng)盡量減小FPSO主船體上的海洋工程范圍，并滿足結(jié)構(gòu)疲勞和海上檢修作業(yè)的要求。上述認識可為我國深水超大型FPSO設(shè)計建造提供借鑒。