FPSO 护舷材及相关结构优化研究

郑 力

（渤海船舶职业学院，辽宁 葫芦岛 125105）

海上浮式生产储油船（Floating Production Storage and Offloading，FPSO） 是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。与其他形式石油生产平台相比，FPSO 具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大以及可转移、重复使用的优点，广泛适用于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流生产设备。世界第一艘FPSO 自20 世纪70年代改装运营至今，经过40 多年的应用，在生活模块、系泊模块、上部模块方面技术已经非常成熟，但是目前对FPSO 救生模块方面的相关研究较少[1]。全球现役FPSO 中有70%由旧油轮改造而成，旧油轮改造受尺寸、价格、适用海域等影响，还与自身的船龄、船体结构、航行历史等因素有关。改造方案具有投产时间短，前期投资少，油田适应性良好等优势[2]。

闫小顺等[3]采用有限元数值计算法对嵌入式带缆桩甲板加强结构尺寸进行计算，分析得到加强结构与带缆桩连接的最优方案。王柱[4]分析了FPSO上部模块支墩结构疲劳强度及疲劳产生的主要诱因。杜玺等[5]通过有限元法对系泊设备加强结构进行强度分析，确定了满足船级社规范的结构强度方案。顾俊[6]对原油船的系泊绞车进行结构设计及评估结构强度是否满足规范要求。李振霞等[7]针对吊艇架结构及母船结构进行建模分析，设计出吊艇架被动式抗摆系统并进行了仿真验证。冯启荣[8]通过对大型舰船的吊艇架结构建立动力学模型，设计了吊艇架结构及母船结构的被动式抗摆系统。张士超[9]通过对吊艇架结构进行有限元分析及现场检验，提出了吊艇架的安全评估新思路。王晓蕾等[10]通过有限元分析FPSO 火炬臂船体运动疲劳和风激疲劳，计算出火炬臂结构的最终累积疲劳。梁光强等[11]对FPSO 的内转塔结构进行受力分析及设计载荷的计算。童波[12]通过分析西非海域风浪流等海况环境特点，提出了西非深水FPSO 的总体设计方案。新开发的油田由于无发达海底基建，需要穿梭油轮进行外输作业，故具备较大储油功能的FPSO 成为油田开采的必需品。

1 FPSO 及护舷材简介

本项目由151000 DWT 原油船改造而成，作业地点位于印度石油天然气公司（ONGC） 在印度东海岸深水区开发的KG-DWN-98/2 区块中北部发现区（NDA） 的第二组油气田，距离最近的陆地25～40 km，水深300～3200 m，采用单点系泊的方式。

FPSO 在超深水油气田开发中发挥着主导作用，油井的原油处理在FPSO 上进行，在海上通过串联卸载软管将石油稳定并储存在船体油箱中，再通过穿梭油船处理并输出到CPP 平台，然后转移到陆上天然气码头。FPSO 外输作业时容易与穿梭油船发生碰撞，因此，需要在船舶两舷靠近吊车的位置加装护舷装置，本项目采用的是横滨式护舷，护舷材布置在FPSO 主甲板两舷处（见第139 页图1），1号基座位于FR59～FR62 左舷，2 号基座位于FR68～FR70 左舷，3 号基座位于FR75～FR78 右舷，4 号基座位于FR81～FR84 右舷。ABS-FPI 规范要求校核4 个护舷材基座的强度和FPSO 现有的船体结构在设计运行条件（DOC） 和设计环境条件（DEC）两种情况下的强度。

图1 护舷材基座布置图（平面图）

2 有限元强度计算

2.1 有限元方程及规范要求

2.1.1 薄板应力与应变关系方程

2.1.2 ABS-FPI 规范屈服失效准则

FPSO 护舷材基座与船体相连接的构件应按规定确定其许用应力值[σ]为

式中：ReH为材料的最小屈服应力，N/mm2；S 为安全系数。

板材屈服校核公式为

式中： σeq为等效应力，N/mm2，取板单元形心处的中面应力值（膜应力）计入；σx为单元方向的应力，N/mm2；σy为单元y方向的应力，N/mm2；τxy为单元xy 方向的应力，N/mm2。

2.2 模型构建

为了将护舷材较好地固定在甲板上，设计了相应的基座，并在甲板下进行了加强，分别构建了4个护舷材及其相应加强结构的模型。护舷材基座采用局部立体结构模型，模型的边界在水平位置上，以支撑结构有效作用平面长方形的形心为中心，向四周分别扩展至少1 倍的该长方形对应边长的距离，即扩展后总长为原长的3 倍。垂向位置从基座面扩展至甲板之下的第一个平台甲板。所有结构均以板材元素为模型，设备负载通过带刚性链接的橡胶结构应用于基座。由于船舶摇摆，护舷材重量和负载被作为力施加到吊柱手臂刚性链的重心点，吊柱手臂及其绞车的自重被应用到吊柱手臂的重心点。校核结构和加强结构的网格尺寸为50 mm×50 mm，其他为300 mm×300 mm，见图2。

图2 甲板及基座结构网格模型（4 号）

2.3 装载和负载条件

作用于护舷材吊柱的力与载荷由相应的作业与环境条件确定，规范要求在设计护舷材时应明确规定起重机的性能，例如安全工作负荷、起升载荷、工作幅度、起升高度、护舷材吊柱的各种运动速度和制动次数等。另外，由船舶运动与倾斜所产生的载荷、风力与环境的影响都对护舷材结构与支撑结构产生影响。因此依据护舷材说明书结合护舷材吊柱的用途和作业特性，考虑其受力和载荷有如下6种情况：结构自重载荷（工况1）；起升载荷（工况2）；摇摆状态下产生的载荷（工况3～工况5）；护舷材自重产生的载荷（工况6）；作用于B 点、D点的设备超重力矩（工况7～工况8）；由于护舷材摇摆产生的额外载荷（工况9～工况11）。

3 结果校核分析与结构优化

根据规范计算所得数据见第140 页表1。

表1 根据规范计算数据

甲板最大总应力为2249 kg/cm2=220.6 MPa。

依据ABS-FPI 第5A 部分，第1 章第3 节的施用应力来校核强度是否满足，见表2。

表2 规范许用应力值 （MPa）

分析结果表明，基座和加强结构的材料屈服应力为355 MPa，现有的纵向结构屈服应力为315 MPa，目前应力水平低于普通钢许用应力。当护舷材吊柱的负荷过大，导致甲板上支撑结构难以承受时，会对船体结构产生破坏。因此，有必要分析其可能遇到的各种工况，并对支撑结构进行应力分析和校核。校核结果与船级社规范的标准进行比较，分析某些地方应力值过大的原因。局部应力计算结果见表3。

表3 整个结构的分析结果（局部应力）（MPa）

表4 显示了主甲板总应力和局部应力。建模区域主甲板均为高强钢，屈服应力为315 MPa。

表4 主甲板最大总应力 （MPa）

DEC 状态下，最大总应力为254.3 MPa，低于许用应力283.5 MPa。尽管DOC 状态下的总应力大于220.5 MPa，可是考虑到计算区域的网格尺寸为50 mm×50 mm，根据ABS-FPI 指南，许用应力应为0.97Smfy=0.97×0.95×315 MPa=290.3 MPa，该应力仍符合要求。经过计算发现，所有结构强度均满足设计负载，所有校核结构在许用范围内是安全的。

通过观察应力云图发现，甲板下加强结构受力非常小，需考虑去掉甲板下加强结构能否满足强度要求，如满足强度要求，既可以减少改装项目的施工周期，又可降低加强结构的材料成本。因此，删除模型中甲板下加强结构再进行计算，见图3。

图3 甲板下没有加强结构的最大应力(DOC)

甲板下没有加强结构同样能够满足强度要求。因此，确定最终加强方案仅保留甲板以上的基座部分，去除甲板下的加强结构，见图4。

总之，文中参考了国内外新建及改造FPSO 项目的结构有限元计算，发现目前对FPSO 上部模块、系泊模块、船体模块、居住模块等的研究相对较多，但是对护舷材及其相关船体结构部分的有限元计算较少。文中首先对印度近海岸油气田进行开发的FPSO 项目背景进行了简单介绍，对护舷材的布置及结构进行了说明；其次按照ABS－API 规范的相关屈服强度要求进行校核，采用有限元计算的方法，利用FPSO 及其护舷材相关图纸，构建相关结构的有限元模型，分别对11 个典型工况进行校核计算，发现设计的基座及甲板下加强结构完全能够满足规范要求，而且甲板下加强结构所受应力较小，本着经济适用性最大化原则，尝试计算去除甲板下加强结构后再一次进行有限元计算，发现此时甲板及基座同样能够满足规范要求；最后确定最终的加强方案。由此可知，在进行甲板上改装项目时，甲板下的结构加强并不是必需的，设备基座及原甲板结构就可以负担改装项目的强度，这样既节约材料又减少了改装项目的施工工期，以供相关工程技术人员学习参考。