FPSO 模塊支墩建造精度控制方法研究

楊亞男，唐 坤，陳曙梅，王 璞

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2. 中海油深圳分公司，深圳 518067）

0 引 言

海上浮式生產儲油裝置（Floating Production Storage and Offloading Unit，簡稱FPSO）主甲板上布置有油氣工藝處理模塊，油氣工藝模塊通過模塊支墩結構和主船體相連接。模塊支墩結構需承受油氣工藝模塊的重力及慣性力，由于FPSO長期系泊于海上，模塊支墩結構應具備足夠的強度和疲勞壽命。由于FPSO自身的特點，往往是船體和上部模塊分別由不同的承包商來建造。上部模塊在建造完成后，再吊裝到船體上。模塊支墩結構就成為了上部模塊和船體結構的連接界面。在船體結構和模塊結構的各自的建造過程中，船體部分和工藝模塊部分各自會產生建造誤差，另外在工藝模塊吊裝的過程，由于工藝模塊自身的變形和內部應力的釋放，又會在界面處產生一些建造誤差，以上各生產環節產生的誤差相疊加，在最后的工藝模塊吊裝的時候，模塊支墩的安裝界面往往會產生非常顯著的建造誤差。FPSO建造誤差的存在對模塊支墩的強度和疲勞壽命都有非常不利的影響，而模塊支墩又是承受大載荷的關鍵結構，對強度和疲勞壽命都有很高的要求。有必要對于FPSO模塊支墩結構的建造精度衡準進行專門研究。因此選取某型新建FPSO上模塊支墩結構形式，通過有限元法，研究了模塊支墩結構在帶有建造誤差情況下的強度和疲勞壽命，得到了對于FPSO的模塊支墩建造過程誤差控制的方法。

1 FPSO模塊支墩結構

FPSO的油氣工藝模塊一般沿船長布置在貨油艙區主甲板上，工藝模塊和船體之間的連接部分就是模塊支墩結構（圖1～4）。模塊支墩形式上分為兩種，一種為固定支墩，一種為滑動支墩，滑動支墩可以沿船長方向滑動，用以釋放船體在波浪作用下的總縱變形。當前為縮短FPSO的建造工期，模塊部分和船體部分采取分開建造的方式。模塊支腿底封板的結構形式適用于上部模塊建造階段的單獨放置，然后在 FPSO船體貨艙區主甲板貫通合攏后，上部模塊再整體吊裝上去。目前此類支墩形式適用于FPSO的實際建造情況，是目前我國FPSO模塊支墩的主流形式。

圖1 FPSO上部模塊支墩布置側視

圖2 FPSO上部模塊支墩布置平面

圖3 FPSO模塊支墩結構

圖4 FPSO模塊支墩

2 模塊支墩界面誤差分析

2.1 模塊支墩的建造誤差

1) 船體部分和模塊部分的建造累計誤差；

2) 吊裝誤差，模塊在起吊后由于受力狀態的變化會產生變形，由于吊裝變形引起的誤差。

2.2 模塊支墩安裝誤差

2.2.1 分界面Z向間隙

由于各個模塊支腿底封板不能完全共面，在模塊支墩吊裝時，往往出現某個模塊支腿“懸空”的現象。模塊支腿底封板和模塊支墩頂板在吊裝時出現了Z向間隙（見圖5），導致垂向載荷不能傳遞，這將導致整個上部模塊受力狀況發生改變，Z向間隙在模塊支墩的建造中應完全避免。Z向間隙是FPSO建造誤差中對結構影響最大而且最難以避免的一種誤差，建造中應制定詳盡的測量安裝方案，盡可能的縮小偏差。

2.2.2 模塊支腿底封板中心相對于模塊支墩頂板中心的偏移

模塊支墩頂板中心和模塊支腿底封板中心不能完全重合，這將導致載荷傳遞的過程中產生附加彎矩。如果中心偏移過大，還可能影響模塊底封板連接焊縫的施工（見圖6）。

圖5 模塊支腿底封板和模塊支墩頂板之間的Z向間隙

圖6 模塊支腿底封板中心相對于模塊支墩頂板中心的偏移

2.2.3 模塊支墩下加強結構和模塊支墩結構之間的板厚對齊誤差

模塊支墩結構通過中心十字板和周圍側板和船體甲板下加強結構相連，十字中心板主要傳遞垂向載荷，周圍側板保證了支墩的整體剛度。可以傳遞剪力和彎矩。支墩結構和下加強結構間的連接焊縫強度和疲勞壽命要求嚴格。但實際建造中，支墩下加強結構需要在分段階段裝配，上部模塊的吊裝工期往往是非常緊張的，客觀上不能在主甲板上放樣散裝模塊支墩，模塊支墩往往是在主甲板貫通以后整體吊裝，這種建造方式容易使支墩和下加強結構板厚對齊上產生誤差（見圖 7～9）。

圖7 模塊支墩的中心十字板和周圍側板

圖8 中心十字板和下加強的板厚對齊誤差a

圖9 支墩側板和下加強板的板厚對齊誤差 b

3 界面建造精度控制

對于目前文中所述的模塊支墩形式，提出了3個處理方法。

3.1 預留滑動墊板消除分界面Z向間隙

模塊在盡可能保證施工精度的前提下，選取每4個模塊支墩為一組（包含兩個固定支墩和兩個滑動支墩，見圖10），預留靠船舯的滑動支墩（見圖11）的墊板不安裝，在兩個固定支墩和另外一個滑動支墩的墊板和擋塊安裝完成后，然后測量預留的模塊底封板和滑動支墩頂板間的距離，根據實際測量的間距選取滑動墊板的厚度。這樣可保證4條模塊支腿都接觸于支墩頂板上。

圖10 選取一個滑動支墩預留安裝

圖11 滑動支墩頂板結構

3.2 模塊支腿底封板中心相對于模塊支墩頂板中心的偏移狀態下的結構

選取在模塊支墩頂板和模塊支腿底封板板厚均為50mm的情況下，用基于有限元法分析模塊支墩結構在偏心量（X=25，Y=25）情況下的強度和疲勞變化（見表1）。

3.2.1 中心偏差的強度影響

選取支墩結構為區域1，選取5個考察點（見圖12）。

圖12 區域1的參考點

選取支墩下加強結構為區域2，選取5個參考點（見圖13）。

圖13 區域2的參考點

表1 固定式模塊支墩結構在偏心量（X=25，Y=25）作用下的屈服強度UC值變化量

由表1可知，模塊支墩中心偏心量（X=25，Y=25）對支墩結果的屈服強度的減小在7%以內。

3.2.2 中心偏差的疲勞影響

選定的疲勞熱點位置見圖14。

固定式模塊支墩結構疲勞熱點在偏心量（X=25，Y=25）作用下的疲勞壽命變化量比值見表2。

圖14 選取疲勞熱點的位置

由此可見中心偏心量（X=25，Y=25）的情況下對支墩結構的疲勞壽命約減小為10%。

3.3 模塊支墩下加強結構和模塊支墩結構之間板厚差的修正方法

當模塊支墩安裝時和主甲板下加強結構出現板厚差時，當模塊支墩中心十字板和下加強結構板厚偏差0.1t＜A＜0.3t（t為板厚），周圍側板板厚偏差0.3t＜B＜0.6t時，建議用加大焊腳的方法進行板厚修正。加大后的上下焊縫間的距離大于板厚差的3倍（見圖15、16）。

圖15 選模塊支墩中心十字板和下加強結構板厚偏差修正

圖16 選模塊支墩周圍側板和下加強結構板厚偏差修正

4 結 語

對FPSO實際建造過程中出現的3種類型的誤差，分別提出了相應的處理方法：

1) 分界面Z向間隙——通過選擇預留調整滑動支墩頂板厚度的方法避免；

2) 模塊支腿底封板中心相對于模塊支墩頂板中心的偏移——經計算分析，強度影響＜7%，疲勞影響＜10%，設計時可以通過適當增加強度和疲勞的裕度保證；

3) 模塊支墩結構和模塊支墩下加強結構之間的板厚差——通過加大焊腳的方法調整。

目前，國內外也有采用其他結構形式的模塊支墩，可以根據其形式制定相應的誤差控制方法。模塊支墩結構是FPSO裝置的特殊結構，既是重要的承載結構，又是關鍵的設計界面，在建造過程中屬于矛盾點，但在FPSO建造實際過程中，工期要求緊，為避免出現大規模的返工。本文對新的FPSO的建造工作具有參考和借鑒意義。

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