FPSO上部模塊改造結構設計特點分析

李彥麗 穆 頃 祖 巍 楊肖龍 安振武

（中海油能源發展裝備技術有限公司工程設計研發中心 天津 300452）

FPSO上部模塊改造結構設計特點分析

李彥麗 穆 頃 祖 巍 楊肖龍 安振武

（中海油能源發展裝備技術有限公司工程設計研發中心 天津 300452）

隨著秦皇島32-6油田及周邊南堡35-2油田的開發，渤海世紀號FPSO上部模塊水系統無法滿足目前的生產需求，因此進行水系統擴容改造。本文結合渤海世紀號FPSO工藝模塊水系統擴容改造工程實例，從基座設計、與原結構連接、結構加強等方面詳細說明了FPSO上部模塊改造結構設計中遇到的技術難點及解決方法，分析了FPSO模塊改造結構設計特點，并簡述了改造中需注意的問題，為FPSO模塊改造結構設計提供借鑒和參考。

FPSO；上部模塊；改造；結構設計

引 言

在海洋石油開發領域，浮式生產儲油船（Floating Production Storage and Offloading，簡稱FPSO）是一種常用的工程設施，主要由船體、上部模塊、單點系泊組成。“渤海世紀”號FPSO是為中國渤海海域“秦皇島32-6”油田專門建造的15萬噸級浮式生產儲油裝置，于2001年10月建成投產，設計壽命為25年［1］。“渤海世紀”號 FPSO設5對貨油艙、2對污油艙、6個工藝艙、6對專用壓載水艙，工藝甲板上設置電站、熱站、原油處理和水處理等7個模塊，首部設軛架式單點系泊系統，尾部甲板設有尾卸油系統。油田原油通過船首單點集管輸入，經工藝甲板上的處理模塊處理后儲存于貨油艙，再經尾卸油裝置輸出至穿梭油輪［2］。

1 模塊改造介紹

“秦皇島32-6”油田已進入高含水期，水系統流程達到飽和狀態，為增強FPSO流程生產的穩定性和安全性需求，作業公司希望在現有流程基礎上，新增設計處理能力14 400 m3/d的污水處理設備模塊，因此對原有水系統進行擴容改造。

污水處理流程為：從生產水艙引出的污水在增壓泵出口管線并入新增斜板除油器，處理后的污水進入新增加的氣浮選器，然后經新增的生產水泵打入核桃殼處理后進入注水系統用于回注。按照工藝流程，需新增以下設備：3臺雙介質核桃殼濾器、1臺斜板除油器、1臺加氣浮選器、3臺增壓泵。

根據設備布置情況及工藝處理需求，污水擴容改造在工藝模塊V實施，原工藝模塊V的設備布置情況及在FPSO船體甲板的位置見圖1。

圖1 “渤海世紀”號FPSO上部模塊布置

2 結構設計

FPSO模塊改造設計基本原則為：結合已有設施與空間，盡量少擴甲板，將海上安裝、連接和調試的工作量降至最低。“渤海世紀”號FPSO模塊V結構有兩種改造方式：

（1）在原模塊甲板上清理空間，布置新增工藝處理設備；

（2）在原模塊甲板基礎上外擴。

根據現場數據及新增水處理設備外形尺寸，模塊V左舷外擴甲板安裝新增的3臺核桃殼濾器，右舷外擴甲板安裝新增的氣浮裝置，將中間甲板某設備切割移走，清空區域安裝新增的斜板除油器。模塊V改造總布置圖見圖2。

2.1 基座設計

2.1.1 基座位置的選擇

模塊的基座一般布置在強橫梁或橫艙壁與縱骨交接的位置上，并在基座所在的船體主甲板下設置加強結構。模塊外擴甲板的基座設計也遵循相同的設計原則，對照船體艙壁及船體甲板結構圖，將基座布置在強橫梁和縱骨相交的位置。

圖2 模塊V改造總布置圖

2.1.2 基座結構形式

基座將上部模塊荷載傳遞至船體甲板，除了承受模塊設備的重力、慣性力、風載作用外，還要考慮船體的變形影響。如果在惡劣海況下，船體縱向彎曲變形較大，基座與上甲板連接的位置會出現較大的支撐反力，出現一定程度的應力集中，導致在上甲板處產生裂紋［3］。“秦皇島32-6”油田FPSO所處渤海海域，海況沒有南海惡劣，原模塊支撐結構形式為普通的工字鋼/圓管普通桁架形式，直接焊接于船體甲板上。模塊V改造的基座設計也保持與原模塊相同設計，采用圓管普通桁架形式，見圖3。

圖3 基座結構

左舷外擴甲板由15個立柱基座支撐，最外側一排5個基座位于水艙上方，其他10個位于船體油艙上方。右舷外擴甲板同樣由15個立柱基座支撐，最外側一排5個基座位于水艙上方，其他10個位于船體油艙上方。油艙附近嚴禁焊接動火作業，因此油艙上方的20個基座不焊在船甲板上，另10個水艙上方的基座則焊接固定。若考慮不焊接基座不承受水平荷載，外擴甲板的水平荷載則僅由兩排（10個）焊接基座傳遞至船體甲板。實際情況是基座受壓時，與甲板之間存在靜摩擦，可以承受一定的水平荷載，本文為簡化計算模型，不考慮靜摩擦作用，將其模擬為僅受壓力的滑移基座。圖4是改造投產后的左舷外擴甲板模塊。

圖4 左舷外擴甲板模塊

經現場調研，與甲板不焊接的基座未發生位移和變形。

2.2 與原模塊連接

船體橫搖使距離中軸線較遠布置的設備及結構產生很大的慣性力［4］。本次改造外擴甲板在V模塊左右舷兩側，距離中軸線都較遠，因此沿船寬方向慣性力很大，并且四排基座不焊接在甲板上。為防止船體橫搖運動引起可移動基座發生較大位移并合理傳遞水平荷載，在活動基座一側設置水平拉筋或斜撐桿件與焊接在船體甲板上的立柱連接，增加水平拉筋或斜撐需考慮不影響船體甲板的安全通道。

模塊V原甲板與外擴甲板的連接只有主梁連通到改造甲板，既保證結構剛度又可控制安裝尺寸誤差，詳細設計見圖5。

圖5 甲板連接示意圖

2.3 結構強度計算

改造設計中V模塊新增設備質量225 t，操作質量514 t，并且在原模塊左右舷兩側外擴甲板，改造對模塊原結構的影響較大，需重新對模塊進行整體結構強度校核分析。

2.3.1 結構模擬

FPSO上部模塊結構應用海洋平臺結構設計軟件SACS進行有限元分析，結構計算模型見圖6。模塊承受荷載包括結構自重、設備重力、風載、船體運動引起的慣性力，并考慮船體變形的影響。

圖6 模塊V改造結構模型

改造中，有20個新增基座是不焊接固定于船體主甲板的活動基座，因此在模塊支腿與船體主甲板之間建立虛擬桿件，將這些桿件模擬成只承受壓力的GAP單元。對于與活動基座相連的支撐桿件，其側向水平向約束能力有限，有效支撐長度需進行合理修正。

2.3.2 計算結果分析

對模塊進行操作工況、極端工況分析，分析結果見表1。結果顯示，新增外擴甲板結構桿件強度滿足規范要求，但原模塊甲板中間新增斜板設備橇位置處的甲板結構梁（H300×300和H300×150）、立柱支撐（H250×250）的UC大于1.0，外擴甲板設置水平拉筋的原模塊立柱（H300×300）UC大于1.0，需進行局部結構加強。

表1 結構計算結果

2.4 結構加強

根據計算分析，需進行局部結構加強桿件均為原模塊結構，結構加強設計綜合考慮桿件受力特點和現場施工操作影響。

2.4.1 甲板梁加強

新增斜板設備處甲板主梁型鋼（H300×300）主要承受設備荷載引起的彎矩My，有以下三種桿件加強方式：

（1）在型鋼上面板或下面板補T形截面梁，增大桿件的抗y向彎矩的截面模數。從施工角度在型鋼上面板補T形是最好的方式，不需要仰焊，施工方便，但設備安裝高度將被抬高。

（2）替換桿件為截面屬性更好、幾何尺寸更大的型鋼。現場施工需掀開甲板，將原H300×300型鋼切除，焊接替換型鋼。這樣主梁完整貫通性被破壞，新替換型鋼與原主梁連接處需格外注意。另外周圍都是管線、設備，型鋼質量大，就位存在很大難度。

（3）H型鋼焊接鋼板封BOX，這種方式增大桿件截面面積，抗剪、抗彎能力都有所提高，但y軸抗彎模數增加有限。

2.4.2 支撐立柱加強

原模塊支撐立柱桿件補強需考慮臨側設備、管線的影響，可選增強措施如下：

措施11 立柱桿件兩側補T形截面梁，但桿件尺寸增大，與附近的設備、管線發生干涉。

措施22 更換立柱型材，施工中需設臨時支撐，施工繁瑣，并且位置在油艙上方，不能焊接于船體主甲板。

措施33 立柱撐桿H型鋼焊接鋼板封成BOX截面梁，這種方式增大桿件截面面積，抗剪、抗彎能力都有所提高。

2.4.3 結構加強結論

經分析，甲板主梁下面板補T形截面梁進行結構加強，支撐立柱封BOX梁進行結構加強。對上述桿件進行模型修改，有限元計算結果顯示，按照上述方式加強后的結構強度滿足要求。

2.5 安裝問題

海上安裝施工裝備一般有兩種選擇：浮吊和平臺/FPSO的吊機。其特點如下：

（1）大型浮吊起重能力強，實際起重質量一般大于2 000 t，但資源少，日費率高。中小型浮吊，實際起重能力一般為300～1 000 t，日費率相對低。

（2）平臺/FPSO吊機，起重能力最小。本文中FPSO為10 t（16 m回轉半徑），日費率最低。

根據統計，左舷新增甲板結構和設備的整體吊裝質量約162.5 t；右舷新增甲板結構和設備整體吊裝質量約140.6 t。從吊裝質量和吊裝費用等方面考慮，本改造項目采用FPSO吊機進行海上安裝。

2.5.1 新增結構安裝

新增外擴甲板模塊結構質量約36 t和46 t，FPSO吊機無法對新增甲板模塊進行整體吊裝，只能提前將結構鋼材下料后裝船運輸，利用FPSO吊機吊裝至船體主甲板進行組對焊接安裝。

2.5.2 新增設備安裝

根據污水處理設備質量信息，FPSO上的吊機無法進行設備整橇吊裝。在外擴甲板結構海上安裝后、設備運輸之前將設備分解成小模塊，出海后利用FPSO吊機吊裝至模塊平臺后連接成橇，滑移就位。

2.6 干涉問題

模塊改造如果是新增外擴甲板結構，FPSO主甲板上的探測井窗口、測量孔、艙口蓋、儀表氣管線都有可能影響新增模塊立柱的生根，需在改造設計啟動之前進行海上現場調研，準確定位這些潛在干涉物位置，在設計中合理布置，避讓干涉物。

對于安全通道，在滿足安全規范要求前提下，可根據模塊改造的需求進行重新布置。緊密聯系現場調研結果，避免與結構、甲板上的探測井等干涉。

如果情況是原模塊局部結構加強以及增加斜撐桿件，那么大型設備和管線橋架等干涉的可能性比較大。電纜、儀表氣管線或橋架干涉可考慮改造施工時臨時移動電纜、管線等位置，待完工后再恢復原位。如果是配管管線及設備干涉，最經濟合理的方式是改變結構設計形式，避開設備或管線。

2.7 模塊改造對船體影響

模塊V改造新增設備質量225 t，操作質量達514 t，新增外擴甲板結構質量82 t，模塊改造質量增加達596 t，超過了空船排水量的1%（約407 t），需對船體重新進行傾斜試驗，進行船體穩性的校核計算。

結構強度方面，需對船體的總縱強度和船體甲板局部強度重新進行校核。

3 改造中注意的問題

由于FPSO設施形式與固定平臺不同，主要由船體、上部模塊組成。文中概述了FPSO上部工藝處理模塊水系統擴容改造的結構設計，在FPSO模塊改造中應注意以下問題［5］：

（1）應考慮盡可能減少施工作業難度；

（2）注重現場調研，根據調研實際情況調整設計方案；

（3）注重現場人員反饋情況，避免改造后現場操作、維修困難；

（4）注重與船體、其他專業間界面溝通，避免缺漏及重復。

4 結 論

隨著海上油田生產的調整及新油田介入，FPSO原有的系統處理能力受到嚴峻考驗，為充分利用現有資源，對FPSO進行改造必將成為解決難題的一個途徑。“渤海世紀”號FPSO模塊V結構改造與實踐，為水系統擴容改造新增設備提供合理空間，滿足其操作與維修需求，為油田的穩產和高產發揮了重要作用，也為以后油田FPSO改造提供有益借鑒。

［1］ 金強.秦皇島32-6油田浮式生產儲油船（FPSO）總體設計［J］.船舶，2003（2）：32-39.

［2］ 吳嘉蒙. FPSO模塊支墩下甲板加強結構的快速設計方法［J］.船舶，2005（5）：29-32.

［3］ 邱偉強. FPSO甲板模塊支撐形式的研究［J］.船舶，2002（6）：17-21.

［4］ 袁中立. FPSO的現狀與關鍵技術［J］.石油礦場機械，2005（12）：24-29.

［5］ 王蓉.“海洋石油113”號FPSO永久復產水系統擴容改造［J］.船舶，2014（1）：58-61.

Structural design of upper modular modifi cation for FPSO

LI Yan-li MU Qing ZU Wei YANG Xiao-long AN Zhen-wu
(CNOOC Ener-Tech Equipment Technology Research & Design Center, Tianjin 300452, China)

The water system of the upper module of BHSJ Floating Production Storage and Offl oading （FPSO）cannot meet the current production demand with the development of QHD32-6 oil fi eld and the peripheral NB35-2 oil fi eld. Therefore， the water system should be modifi ed to enlarge its capacity. The technical diffi culties and the corresponding solutions encountered during the modifi cation structural design of the upper module of BHSJ FPSO are introduced from the foundation design， connection to the former structure and structural reinforcement. Then， it analyzes the characteristics of the modification structural design， and summarizes the problems to be noticed during the modification， which can provide reference for the structural design of FPSO module modifi cation.

FPSO； upper module； modifi cation； structural design

U674.38

A

1001-9855（2015）06-0045-05

2015-06-25；

2015-09-08

李彥麗（1982-），女，碩士，工程師，研究方向：海洋工程結構設計。

穆 頃（1981-），男，工程師，研究方向：海洋工程結構設計。

祖 巍（1987-），男，工程師，研究方向：海洋工程結構設計。

楊肖龍（1984-），男，工程師，研究方向：海洋工程結構設計。

安振武（1981-），男，工程師，研究方向：海洋工程結構設計。