FPSO的主要特點(diǎn)分析

摘 要：FPSO是浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)的英文縮寫(xiě)，概括的說(shuō)，它仍然是屬于一類(lèi)油船，但兼有生產(chǎn)、儲(chǔ)油和卸油的功能。它在海上與鉆井平臺(tái)、水下裝置和穿梭油船一起組成了一套完整的海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)，屬于目前海洋工程船舶中的高技術(shù)和高附加值產(chǎn)品。文章結(jié)合中海油系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)服役的主要FPSO船來(lái)分析其主要特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)）；雙層底和雙舷；軟鋼臂式；內(nèi)轉(zhuǎn)塔式；模塊支墩

中圖分類(lèi)號(hào)：P75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）8-0053-03

歷史將會(huì)銘記1976年的一天，殼牌石油公司用一艘

59 000 t的舊油輪改裝成的世界上第一艘FPSO正式下水，并于1977年將其應(yīng)用在地中海卡斯特利翁油田（西班牙近海）。從此FPSO正式登上了新興的海洋油氣開(kāi)發(fā)的舞臺(tái)。 FPSO海工結(jié)構(gòu)誕生至今不過(guò)30余年，但由于FPSO具有儲(chǔ)油多、投資省、可轉(zhuǎn)移等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅猛發(fā)展。

1989年7月，國(guó)內(nèi)第一艘FPSO渤海“友誼號(hào)”正式完工并投入運(yùn)營(yíng)，這艘FPSO是由708研究所設(shè)計(jì)、上海滬東中華船廠建造，服役于渤海區(qū)域。我國(guó)海油系統(tǒng)內(nèi)目前正在服役的FPSO見(jiàn)表1，本表格基本囊括了在中國(guó)海域內(nèi)工作的FPSO，特別是其中的大型FPSO，幾乎都是近10年內(nèi)建造和發(fā)展起來(lái)的。

1 FPSO的主要特點(diǎn)

FPSO船體結(jié)構(gòu)的基本組成與油船沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，但是由于FPSO服役期間的工作特點(diǎn)和所處的環(huán)境不同，在結(jié)構(gòu)形式上與常規(guī)油船又有一定的差別。FPSO具有以下特點(diǎn)：

①兼有生產(chǎn)和儲(chǔ)備的作用，是一座海上油氣加工廠，具有小至幾千立方米，大到幾百萬(wàn)立方米的油氣處理能力。

②是一座儲(chǔ)油輪，目前世界上正在服役的FPSO，其儲(chǔ)油能力已達(dá)35萬(wàn) t。

③適應(yīng)能力強(qiáng)，可在20～1 000 m水深范圍內(nèi)工作。

④可省去外輸海底管道，用穿梭油輪將商品油運(yùn)往外地。

⑤由于FPSO主要作為油田的長(zhǎng)期儲(chǔ)油設(shè)備，所以需要有很大的儲(chǔ)油空間，因此其船長(zhǎng)、船寬和方形系數(shù)都很大，并且平行中體所占船長(zhǎng)的比例較大。

⑥FPSO長(zhǎng)期工作于定位海域，通常沒(méi)有航行的必要。因此FPSO一般沒(méi)有普通運(yùn)營(yíng)船只為航行中減小波浪阻力而設(shè)計(jì)的球鼻艏，所以其形線比較簡(jiǎn)單。

⑦一般認(rèn)為普通船舶在停港期間是不受疲勞載荷作用的，其承受載荷的時(shí)間為服役期的85%，然而，F(xiàn)PSO常年工作于固定的海域，沒(méi)有普通運(yùn)營(yíng)船舶進(jìn)港與出港的情況，因此FPSO在其全部服役期內(nèi)都要承受疲勞載荷的作用，其疲勞載荷計(jì)算時(shí)間為100%服役期。

⑧由于FPSO的單點(diǎn)系泊特性，使得船體始終處于迎浪狀態(tài)，考慮到風(fēng)和流的方向與波浪通常有一定的夾角，F(xiàn)PSO浪向角一般在180 ？觷左右的一定范圍內(nèi)。

⑨為了保證油田的連續(xù)生產(chǎn)，F(xiàn)PSO一般沒(méi)有進(jìn)塢維修的可能，而且在工作海域經(jīng)常會(huì)受到臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境的影響。服役年限較長(zhǎng)，通常船東要求約40 a，遠(yuǎn)高于普通航行船舶25 a的壽命要求。

⑩抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，可長(zhǎng)期系泊、連續(xù)工作。與固定式導(dǎo)管架平臺(tái)與海底管道方案相比，具有投資省、見(jiàn)效快、可重復(fù)使用、風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)，特別適用于遠(yuǎn)離海岸的中、深海及邊際油田的開(kāi)發(fā)。

我們將結(jié)合這些特點(diǎn)要求，分類(lèi)來(lái)討論在設(shè)計(jì)FPSO時(shí)對(duì)船型、結(jié)構(gòu)等的要求。

2 總體布置

FPSO大體上可分為兩部分：船體部分和生產(chǎn)設(shè)施。船體部分是指船體本身的結(jié)構(gòu)設(shè)施，例如：主甲板和主甲板下的船體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)等，一般與油氣生產(chǎn)沒(méi)有直接關(guān)系。生產(chǎn)設(shè)施是指與油氣水處理和生產(chǎn)輔助設(shè)施等，一般模塊化布置于主甲板以上。典型FPSO的甲板布置如圖1所示：

2.1 主甲板及生產(chǎn)甲板的布置

主甲板是船舶表面的一層連續(xù)甲板，而生產(chǎn)甲板一般位于主甲板之上3～4 m處。為了減小甲板的總縱彎曲應(yīng)力以及克服因船體的擺動(dòng)產(chǎn)生的扭曲應(yīng)力，生產(chǎn)甲板一般不連續(xù)，而被系統(tǒng)的分為幾個(gè)模塊，其中每個(gè)模塊的甲板，稱(chēng)之為模塊甲板。

兩模塊甲板之間有一定的距離，其大小與他們所負(fù)載的設(shè)備有關(guān)，一般同屬于非危險(xiǎn)區(qū)域的兩模塊甲板間距在100 mm左右。而危險(xiǎn)區(qū)域與非危險(xiǎn)區(qū)域模塊之間的甲板間距在3 m以上，以保證兩模塊之間的設(shè)備最小間距≥3 m。同屬危險(xiǎn)區(qū)的模塊與模塊之間，應(yīng)每隔35 m設(shè)一隔離帶，以保證相鄰兩模塊之間的設(shè)備最小間距≥3 m；而總長(zhǎng)在35 m的，兩模塊之間可不設(shè)隔離帶，保證兩甲板之間的最小間距≥100 mm即可。

2.2 單點(diǎn)系泊的形式

FPSO實(shí)際上是被系泊約束了的船，因此單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是FPSO的關(guān)鍵技術(shù)之一。按系泊的形式不同，可分為三種類(lèi)型。

2.2.1 軟剛臂式

軟剛臂式浮式生產(chǎn)系統(tǒng)由導(dǎo)管架、旋轉(zhuǎn)接頭、系泊鉸接臂以及儲(chǔ)油輪上的支架組成。由于剛臂連接處為鉸接，可繞著導(dǎo)管架上的將軍柱隨風(fēng)浪、潮流轉(zhuǎn)動(dòng)，隨涌浪在一定范圍內(nèi)升降、搖擺，所以稱(chēng)之為軟剛臂式單點(diǎn)系泊。如渤中28-1服役的“友誼號(hào)”、渤中34-2/4服役的“常青號(hào)”等就屬于軟剛臂式浮式生產(chǎn)系統(tǒng)如圖2所示。

2.2.2 硬剛臂式

硬剛臂與軟剛臂有許多相似之處，也可隨風(fēng)浪、潮浪轉(zhuǎn)動(dòng)，但剛臂與船體之間為剛性連接，錨固單點(diǎn)與船體保持同步升降。這種系泊形式不太靈活，適合比較平靜的海況，目前采用已不多見(jiàn)。

2.2.3 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式

在船艏部位設(shè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔筒體結(jié)構(gòu)，在錐型筒體結(jié)構(gòu)與船體之間，設(shè)置若干加強(qiáng)板。內(nèi)轉(zhuǎn)塔高度一般與船的型深相同，下部直徑超過(guò)10 m。內(nèi)轉(zhuǎn)塔底部用多點(diǎn)錨鏈與海底固定。西江油田群服役的“開(kāi)拓號(hào)”和惠州油田區(qū)服役的“發(fā)現(xiàn)號(hào)”就屬于內(nèi)轉(zhuǎn)塔式浮式生產(chǎn)系統(tǒng)（如圖3所示）。其中值得一提的是，“發(fā)現(xiàn)號(hào)”是我國(guó)第一艘巨型FPSO，它由國(guó)外設(shè)計(jì)和改造，采用了比較先進(jìn)的可分離浸沒(méi)式的內(nèi)轉(zhuǎn)塔，于1990年正式投入生產(chǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)一直服役于惠州油田群。這種設(shè)計(jì)可以讓它，及時(shí)的脫離工作區(qū)域，躲避臺(tái)風(fēng)或轉(zhuǎn)移工作海域。

3 結(jié)構(gòu)布置

FPSO作為海上油田的長(zhǎng)期儲(chǔ)油裝置，需要很大的儲(chǔ)油空間，船型上與一般常規(guī)油船有所不同；它長(zhǎng)期固定于定位海域，通常沒(méi)有航行的必要，在結(jié)構(gòu)上也有其自己的特點(diǎn)。

3.1 疲勞強(qiáng)度

FPSO長(zhǎng)期固定在油田海域，在極其惡劣的海況下作業(yè)，不同于航行船舶，可能無(wú)法躲避風(fēng)浪，甚至百年一遇的臺(tái)風(fēng)，也不能定期進(jìn)塢保養(yǎng)，修理，長(zhǎng)期處于交變載荷作用下，必然會(huì)出現(xiàn)疲勞損壞。因此，疲勞強(qiáng)度是FPSO設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。若以一艘普通船舶服役20～25 a計(jì)算，其結(jié)構(gòu)因?yàn)椴ɡ艘鸬慕蛔儜?yīng)力循環(huán)次數(shù)可達(dá)108次之多。通常船東要求FPSO的服役壽命約為40 a，遠(yuǎn)高于普通航行船舶25 a的壽命要求，故對(duì)疲勞強(qiáng)度要求遠(yuǎn)高于普通船舶。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處，例如各焊縫焊趾，需做額外的加強(qiáng)，采取增加有軟趾的肘板等措施，以使疲勞壽命得到改善，如圖4所示。

3.2 船底和舷側(cè)結(jié)構(gòu)

根據(jù)國(guó)際防污染公約（MARPOL）有關(guān)要求，載重量為600載重噸及以上小于5 000載重噸的油船應(yīng)設(shè)雙層底，載重量在5 000載重噸以上的油船必須設(shè)置雙殼。從防污染的角度，載重量大于5 000 t的FPSO船也基本都是雙殼結(jié)構(gòu)。但由于FPSO的主要功能是作為生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置固定在油田海域作業(yè)，不同于原油運(yùn)輸船，故不要求必須為雙殼結(jié)構(gòu)。目前最常見(jiàn)的深海型FPSO分艙一般為雙舷側(cè)、單底結(jié)構(gòu)。艏艉端一般為單殼、橫骨架式，中部貨油艙區(qū)域?yàn)殡p舷、縱骨架式。但有時(shí)根據(jù)其所在作業(yè)海域的特點(diǎn)，如在淺水海域作業(yè)，為防止由于碰底而造成原油泄漏，要采用雙舷側(cè)、雙層底結(jié)構(gòu)。

3.3 模塊支墩結(jié)構(gòu)

FPSO的主甲板上部設(shè)置有生產(chǎn)甲板，生產(chǎn)甲板通常是模塊化的。模塊采用平臺(tái)結(jié)構(gòu)，且由支撐結(jié)構(gòu)支撐平臺(tái)。支撐結(jié)構(gòu)與主甲板之間的連接結(jié)構(gòu)，通常稱(chēng)作支墩，其結(jié)構(gòu)形式主要有四種：

3.3.1 傳統(tǒng)式剛架

FPSO傳統(tǒng)的模塊支撐結(jié)構(gòu)通常采用工字梁剖面的普通剛架形式（如圖5所示）。這種結(jié)構(gòu)形式在風(fēng)、浪、流和液貨共同作用下，模塊支撐根部有明顯的高應(yīng)力區(qū)，如圖五，剛架與主甲板連接的A、B、C、D、E點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生裂縫，且維修極其不方便。在海況較好的油田，如渤海灣幾艘FPSO曾采用這種形式，現(xiàn)已較少采用這種形式的剛架支撐。

3.3.2 小支墩

底座由交叉的隔板和面板組成，斜支撐和垂向支撐的下端分別焊接于同一個(gè)小型底座的面板上。這種設(shè)計(jì)仍然為全固定的結(jié)構(gòu)，所以在惡劣海況下仍未消除船舶總縱彎曲對(duì)模塊支撐的影響，而造成模塊支撐反力過(guò)大，因此這種形式仍適合較好的海況。但小支墩至少能在模塊支撐和主甲板間起到隔離作用，便于維修和更換（如圖6所示）。

3.3.3 壁式支墩

為減少船舶總縱彎曲對(duì)模塊支撐的影響，F(xiàn)PSO采用如圖7所示的壁式支墩結(jié)構(gòu)。整個(gè)模塊在縱向如單跨簡(jiǎn)支梁形式，板架的一端與船體主甲板固定；另一端采用活動(dòng)連接，使得這一端在船舶產(chǎn)生總縱彎曲時(shí)，可沿船梁縱向滑動(dòng)。在南海服役“勝利號(hào)”和“奮進(jìn)號(hào)”等均采用了壁式支墩結(jié)構(gòu)。自該兩艘FPSO服役以來(lái)，已經(jīng)受幾次臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)，未產(chǎn)生任何異常現(xiàn)象，事實(shí)證明，這種壁式支墩適用于惡劣海況。

3.3.4 箱式小支墩

這種結(jié)構(gòu)是壁式支墩的進(jìn)一步改進(jìn)，主要是把支墩制作成箱型結(jié)構(gòu)形式。每個(gè)模塊支撐有四只支墩，其中兩只與支墩焊接，另外兩只可沿船舶縱向滑動(dòng)，并在可滑動(dòng)的支墩面板上設(shè)置橫向擋塊，以限定位置。該結(jié)構(gòu)形式除了繼承壁式支墩的優(yōu)點(diǎn)外，在相同惡劣的海況下，比壁式支墩結(jié)構(gòu)形式更為節(jié)省材料，占用空間和甲板面積更小，有利于消防、管線的布置。“海洋石油111號(hào)”便采用了箱式支墩結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

鑒于國(guó)內(nèi)工業(yè)和生活發(fā)展對(duì)油氣大量、持續(xù)的需求，同樣會(huì)提高在未來(lái)海上油氣開(kāi)發(fā)中對(duì)大型和深水FPSO的需求力度。FPSO作為高技術(shù)、高附加值的船型的一個(gè)出色的代表，必然是以后我國(guó)船舶與海洋工程發(fā)展的一個(gè)重頭戲。縱觀世界，F(xiàn)PSO的新技術(shù)和新概念還在不斷的涌現(xiàn)，例如近期出現(xiàn)的圓浮筒式的新型FPSO概念。這一領(lǐng)域還有很多地方值得去學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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