FPSO上部模块静力计算研究

高峰，齐博，辛晓辉，刘立静，梁凌云

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

（天津修船技术研究所， 天津 300457）

1 引言

FPSO（Floating Production Storage and Offloading）因其特殊结构形式，依托于船舶，因此它不同于固定式平台，其上部模块的设计也与固定式平台不尽相同。以往固定式平台上部模块的强度设计校核包括：静力强度计算（在位计算）、地震强度计算、装船强度计算、吊装（或浮托）强度计算、拖航强度计算和疲劳强度计算等。而FPSO上部模块主要包括静力计算、吊装计算和疲劳计算。对于固定式平台，一般情况下静力计算和安装计算（装船、吊装或者拖航）是控制工况，对上部模块强度要求较高；而对于FPSO上部模块，静力计算和疲劳计算才是控制工况。FPSO上部模块的静力计算又不同于固定式平台上部模块的静力计算。本文以某FPSO上部模块为例，做出详细研究探讨。

2 固定式海洋平台上部模块设计计算方法

固定式海洋平台上部模块的设计计算一般依照API RP 2A规范的要求[1]，静力计算主要是考虑波浪流等环境荷载作用在导管架结构上，再传递到上部模块上，结合各类设备或装备荷载，计算出杆件的应力、应变。装船计算是通过滑移拖拉过程从场地慢慢转换到驳船上，荷载相应比较简单。拖航计算主要是考虑驳船运输过程中船舶运动和风对上部模块强度的影响。吊装计算主要是考查1.35和2.0两个安全系数及吊装偏心情况下上部模块的强度。地震计算和疲劳计算一般情况下不是控制工况，主要是给出一个水平地面加速度和相应的地震谱或者选择相应的疲劳曲线，得出相应的结果。

通过SACS计算，可以得出平台各个杆件的应力、变形、疲劳寿命等，结合规范校核标准即可得出结构强度是否满足要求。

3 FPSO上部模块设计计算方法[2]

3.1 静力计算

FPSO上部模块位在船甲板之上，因此上部模块下方不再是桩基础，而是船舶。船舶的运动作用比固定式平台更为显著。FPSO上部模块的静力计算需要考虑波浪流等环境荷载对船舶的影响，再把船舶的运动荷载传递到模块上。两类模块考虑的外部荷载对比见表1：

表1 外部荷载对比

从表1可以看出，FPSO上部模块的静力计算结合了固定式平台的静力计算、拖航计算，以及装船计算中的强制位移工况（上部模块与船甲板连接处变形）。

3.2 疲劳计算

FPSO上部模块的疲劳计算主要考虑简化疲劳计算，参考ABS Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures。对于FPSO上部模块，疲劳强度是控制工况，本文不做详细介绍，后续文中将做重点探讨。

4 FPSO上部模块算例

4.1 模块布置

本文以某FPSO项目上部模块的设计计算为基础，选取上部模块AP&AS，离船首最近的两个模块，其在FPSO上的布置如图1（坐标系如图所示）：

图1 AP&AS在FPSO上的布置

对于Z向零点的定义，船甲板成圆弧形，弧形顶点在船中，Z向坐标为0，靠近船舷处Z向坐标为-0.9。

4.2 模块3D视图

本文所选算例通过大型有限元软件SACS建模，模块通过固定式钢结构平台所用的常规工字钢、圆管及甲板板组合而成，定义模块轴线如图2，ABCD四个主轴线沿船长方向，18-20是模块南北轴线。

4.3计算及分析方法

海上固定平台推荐做法和AISC[3]是结构设计的基础，本文参照API和AISC规范，本文的模块静力计算需要综合环境力、船体变形、船舶运动与模块上的设备设施荷载及自重。

4.4边界条件

图2 AP&AS的3D视图

参考模块3D视图及AP&AS在船舶上的布置图，模块与船体通过四行三列共12个点相连，中间一列四个点是与甲板通过特殊装置固定，剩下两列支点可以沿着船长方向滑移，这样可以抵消一部分船舶运动，更有利于结构释放压力。12个连接点的具体情况如图3。因此，中间四个支撑点的自由度为111111，剩余两列支撑点的自由度为011000。

环境条件，如风荷载作用在上部模块上；船体变形可通过点荷载加载在12个支撑点上；船舶运动可换算成加速度作用在上部模块摇心处；模块设备设施及自重可通过软件单独加载。本文计算时使用到的支撑点处的变形为相对变形。

需要提及的是，上部模块与甲板相连的支点处还有各向斜撑与模块甲板大梁相连，来增加模块刚度并释放上部模块的应力，但斜撑与下部支撑点连接时引入了插入板，这种结构形式有效地避免了支撑点的运动和应力直接传导到模块横梁上。其形式如图4。支撑斜撑在可释放弯矩，底端可释放为011101。

图3 AP&AS支撑点

图4 可滑移支撑点

4.5 校核标准

对于操作工况，按照API RP 2A要求，杆件应力比（UC）不超过1.0；对于极端工况，杆件许用应力需要放大1.33倍，最终结果依然要求杆件应力比不超过1.0。

节点的校核要求LOAD UC和STRENGTH UC均小于1.0，不允许有1/3的应力放大。

4.6 计算结果

根据前文描述，通过计算，可得所有杆件的应力UC值。最大UC为0.99，为设备底座，梁规格为H900×300。后续进一步设计时可重新校核，如果杆件能力不够，可加大梁规格或将H900梁下翼缘贴加强T型材。节点UC有不过的，后续设计进行节点设计时修改。

图5 杆件最大UC

5 研究探讨

5.1 改变模块支撑点形式

根据本文4.4节所述，若改变模块支撑点的自由度，使其完全固接，即自由度为111111。计算结果与原结果对比如下：

表2 自由度不同结果对比

可见支撑点全固定对杆件和节点强度影响较小，且有变好的趋势，但是对于模块刚度不利。

5.2 改变支撑点船体变形

如本文4.4节所述，组块12个支撑点处所施加的船体变形为相对变形，即选取中间列固定节点为参考点。实际情况下，12个支撑点均存在位移，若将未处理过的船体绝对变形施加在12个支撑点处，那么对比结果如表3：

表3 变形方式不同结果对比

从计算结果可见最大杆件UC1.75，四条中间固定主腿全部破坏；同样，固接的四个支撑点失效；节点最大位移是原来的3倍多。实际情况中，船甲板并不是完全刚性，模块变形也不可能完全和船甲板一模一样，作用于模块主腿支撑点的变形应该选取相对变形更为合理。

6 结论

通过第4、5节计算结果和探讨研究，可以得出以下结论：

(1)FPSO上部模块的静力计算较常规固定式海洋平台更为复杂，对平台强度要求可能更高；

(2)FPSO上部模块支撑点与船体连接不可完全固定，可合理布置可滑动支撑点的位置，减小船体对模块的影响；

(3)考虑船体变形时，应使用相对变形作为模块计算依据；

(4)参考模块所在位置，可通过调整模块在船体上的位置，把模块合理摆放，作用在相应模块主腿的变形可能会减小，后续研究将进一步进行。

本文所介绍的FPSO静力计算方法，满足规范要求，是经过工程检验的科学可行的计算方法，实际计算中需要结合船舶水动力计算来获取FPSO船体的运动数据及船舶变形数据，并不是单纯依靠某一专业可以完成的。因此影响模块计算结果的因素不仅是模块本身，船体的水动力性能也是重要参数，后续工程计算及研究中，将结合水动力计算来进一步探讨FPSO上部模块的工程计算。

◆参考文献

[1] API RP 2A, Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design 21st Edition (2007).

[2] DD-RPT-FPSO (TS)-ST-1011 Report for FPSO Module Static Analysis -AP&AS Module.

[3] American Institute of Steel Construction (AISC), Specification for Structural Steel Buildings - Allowable Stress Design and Plastic Design, (2005).