FPSO 模塊支墩結構形式與設計原則

遲少艷，趙耕賢

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

根據浮式生產儲存卸貨裝置（Floating Production, Storage and Offloading Unit，FPSO）的功能要求，在其主甲板上均設有工藝模塊平臺，布置著生產流程、惰氣、熱站、計量、電站、變壓器和控制室等多個模塊。而每一模塊的構架平臺與FPSO的主船體直接相連，其連接結構稱為“模塊支墩”，見圖1[1]。模塊支墩是FPSO結構設計十分關鍵的技術，它的可靠與否，直接影響整個FPSO的生產流程系統。而尺度龐大、質量數千噸的模塊與船體結構采用何種連接形式，更為人們所關注。

圖1 典型的模塊示意圖

1 模塊支墩形式

近20多年來，中國船舶及海洋工程設計研究院參與了中國海洋石油總公司（CNOOC）所有新建FPSO的設計，成功應用于我國渤海（海況溫和）和南海（海況惡劣）海域的海上油田[2]。2008年又進一步為“TOTAL”公司開發了西非30萬噸級FPSO，見表1。

表1列出了模塊支墩設計的3種理念，而形成3種不同的模塊支墩構造形式：

1) 模塊構架平臺支腿直接焊接在模塊支墩結構上，即傳統的普通剛架形式（見圖2）；

2) 模塊構架平臺的部分支腿與模塊支墩結構焊接，部分支腿與模塊支墩滑動接觸，即簡支梁形式（見圖3）；

3) 模塊構架平臺的支腿全部與模塊支墩滑動接觸，即兩端滑動形式（見圖4）。

表1 FPSO支墩形式

圖2 普通剛架形式

圖3 簡支梁形式

圖4 兩端滑動形式

圖5、6是某FPSO模塊支墩的一些結構形式，其模塊構架平臺支腿直接焊接在模塊支墩上，基本上都是應用普通剛架的設計理念，最大的優點在于建造方便，而最大的問題是在海況惡劣的海域，由于 FPSO船體梁的縱向彎曲變形，易在其連接處的焊接產生疲勞裂紋。因為FPSO的船體內是原油儲存艙，屬0類危險區，而生產流程模塊區域為一類危險區，焊縫裂紋的修復成為非常棘手的難題。因此根據這種理念設計的模塊支墩主要用于海況溫和的海域。

根據簡支梁設計理念，如圖 7～10的形式，模塊構架平臺的部分支腿與模塊支墩結構焊接，部分支腿與模塊支墩滑動接觸。優點是可以避免模塊構架平臺支腿隨著船體梁的縱向彎曲變形而發生的強制變形，也可以釋放模塊自身重量引起的支腿的變形，大大降低產生疲勞裂紋的概率。缺點是相對施工復雜。因此據此設計的模塊支墩主要用于惡劣海況的FPSO 。如“南海奮進”和“海洋石油111”， “海洋石油115”和“海洋石油116”。甚至于海況較好、但上部模塊非常重的“海洋石油117號”（“蓬萊19-3”油田）也采用了這種結構。這也是當前最流行的設計模式。

根據兩端滑動設計理念（見圖11），模塊構架平臺支腿全部與模塊支墩滑動接觸，優點是減少施工量，安裝、拆除方便，可以避免模塊構架平臺支腿隨著船體梁的縱向彎曲變形而發生強制變形，也可以釋放模塊自身重量引起的支腿的變形，大大降低產生疲勞裂紋的概率。缺點是當船體產生較大的升沉運動時，模塊支腿和模塊支墩之間容易脫離。據此設計的模塊支墩適用于海況較好、而且上部模塊重量較大的情況。

圖5 傳統固定式（a）

圖6 “南海奮進”FPSO的模塊支墩

圖7 傳統固定式（b）

圖8 箱式滑動支墩實例

圖9 “海洋石油111”FPSO的模塊支墩形式

圖10 “海洋石油117”FPSO的模塊支墩形式

圖11 “CLOV” FPSO的滑動式模塊支墩

2 模塊支墩結構強度

2.1 結構設計原則

按規范規定，生產流程模塊支墩屬于特殊類結構，其結構材料的選用、結構強度、焊接檢驗等均有較高的要求，根據設計經驗，總結出模塊支墩結構設計原則為：

1) 對于不同海域的FPSO，因其油品、工藝流程和波浪載荷不同，總體布置各有特色，沒有固定模式的模塊支墩布置方案。模塊支墩作為主船體和上部生產模塊的連接界面，原則上，盡量將模塊支腿設置在主甲板的強力構件處，以實現在滿足強度的前提下，盡量降低結構鋼料的重量；

2) 確定好模塊支墩的位置后，需根據海域海況、模塊重量等因素考慮設置不同形式的模塊支墩；

3) 模塊支墩設計初期，應充分考慮構件的局部強度，特別是對于既參與總縱強度、又參與局部強度的結構件；

4) 模塊支墩結構、支墩與主甲板連接部位、支墩下方的加強結構區域應力較高，需特別注意合理的結構設計和優化的肘板趾端形狀，對于部分高應力區域建議采用高強度鋼；

5) 模塊支墩下加強結構的開孔應特別注意，盡量遠離模塊支墩高應力區域，如有必要，需要做開孔補償。

2.2 強度分析

根據上述設計原則，在進行合理的模塊支墩結構設計的同時，進行模塊支墩強度分析，以校核結構設計的有效性和合理性。

模塊支墩強度分析包括屈服強度、屈曲強度和疲勞強度。規范對于強度分析的結構模型范圍的選取、有限元計算模型的建立、載荷的選取均有明確要求，詳見規范的Pt D Ch 1，Sec 8 和Pt B Ch 3，Sec 3[2]。根據實際工程經驗，總結出模塊支墩結構分析需關注的幾點：

1) 船體梁變形影響上部模塊的設計及其界面支反力，因此在設計初期，應估算FPSO船體梁主甲板上所有模塊支墩位置處的變形，供模塊設計方使用；

2) 模塊自重及其運動慣性力傳遞到模塊支墩上的載荷需要由模塊設計方根據模塊的重量分布計算確26定并提供給模塊支墩設計方；

3) 模塊支墩的校核包括屈服、屈曲和疲勞強度，因此模塊設計方需提供基于不同波浪回歸期的兩種支反力，如用于屈服強度和屈曲強度校核的支反力，規范要求是基于百年一遇的海況，而用于疲勞強度校核的支反力，規范要求是基于一年一遇的海況，這主要是因為疲勞實效是一個累積損失的過程，而屈服、屈曲強度是設計極值的概念；

4) 模塊支墩支反力及模塊支墩強度校核時需考慮其“FPSO”的使用期經歷的所有工況，包括正常作業、風暴和破損工況以及調遣拖航工況；

5) 對于參與船體總強度的結構構件，其結構強度校核時不但要承受模塊支墩傳遞的局部載荷，還需承受船體梁載荷；

6) 由于FPSO上部模塊的重量較大，通常FPSO呈現中垂狀態，因此應特別關注模塊支墩處結構的屈曲強度；

7) 疲勞計算點的選取應結合規范要求、實際工程使用和工程設計經驗、受力特點和應力分布綜合考慮，盡量把疲勞計算點的數量控制在合理的范圍內，應避免遺漏可能發生疲勞破壞的部位。

2.3 強度校核算例

根據目前設計的幾型“FPSO”的模塊支墩計算分析結果可知，模塊支墩結構、支墩與主甲板連接處、支墩下的加強結構區域應力較高，設計時需特別注意，對于部分高應力區域應采用高強度鋼。

以“CLOV FPSO”為例，在某工況下屈服強度校核應力云圖分布見圖12，屈曲校核部位見圖13，疲勞計算熱點見圖14、15。

圖12 應力分布云圖

圖13 屈曲校核部位示意——縱壁

圖14 疲勞計算點

圖15 疲勞熱點

3 結 語

FPSO的設計包括多方面的內容，其中模塊支墩的設計十分關鍵，它的可靠與否，直接影響整個FPSO的生產流程系統能否正常運轉。通過對多型FPSO的模塊支墩形式特點及其適用性、優缺點的分析對比，詳細闡述了不同模塊支墩形式的結構設計理念，并結合設計經驗，對模塊支墩結構設計和結構強度分析中應重點關注的問題做了描述，旨在給FPSO結構設計者提供建議和參考。但不同海域的FPSO因其油品、工藝流程和波浪載荷不同，模塊總體布置也不同，模塊支墩的結構設計原則還應該結合實際情況，選擇合理、便捷、可靠的模塊支墩形式，并保證其強度要求，且應節省材料、制造工藝可行。

[1] “船舶與海洋工程”船體結構設計文集[C]. 趙耕賢. 2008.

[2] Rules for the Classification of Offshore Units [S]. BV. 2010.