FPSO船體結構設計要點

FPSO船體結構設計要點

羅曉明

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

摘要：針對FPSO船體結構與一般船舶結構的不同之處，總結FPSO船體結構設計中總縱強度、疲勞強度設計要點，同時對關鍵結構(如底部結構、舷側結構、甲板結構以及上部模塊支墩等)設計的要點進行了闡述。

關鍵詞：FPSO；船體；結構設計

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.032

中圖分類號：U662；P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0117-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一羅曉明(1978-)，男，碩士，工程師

Abstract:Based on the differences of hull structure between FPSO and conventional vessel, the key points of longitudinal strength, fatigue strength in the structural design of FPSO is presented. The design essential of the key structures are discussed about, such as bottom structure, side structure, deck structure and foundation structure of the upper modules, etc.

修回日期：2015-09-01

研究方向:船舶與海洋工程結構

E-mail:luoxm@cnooc.com.cn

FPSO是海洋石油開發的核心設施，中海油的FPSO分別用于渤海灣和中國南海。為防止因海損泄漏原油而污染海洋環境，FPSO船體遵照IMO對常規運輸油船關于貨油艙和專用壓載水艙的規定，進行總體布置和結構設計。中海油FPSO船體結構具有下述特點。

1)縱骨架式結構。參與總縱彎曲的構件多，對提高總縱強度有利。

2)強框架。每4個肋位設1道強框架，用來作為縱向構件的支點。

3)雙舷側。貨油艙范圍內，舷側艙作為專用壓載水艙。

4)雙層底。由于渤海灣水深較淺，FPSO的搖擺及升沉運動易造成觸底，設置雙層底。

FPSO船體雖然與船舶相似，但由于其作業環境及功能的特殊性，其結構設計須滿足船級社海洋工程規范的要求。

1FPSO結構分類

在海洋工程規范中，海洋工程結構通常被分為特殊結構、主要結構以及次要結構，FPSO設計中對于不同于常規航行船舶結構、為實現FPSO作業功能而特殊設計的結構統稱為特殊結構；結構分類中的特殊結構與常規分類有所不同。

根據規范要求，如果結構構件承受較高應力而發生疲勞破壞風險較大且發生破壞可能產生嚴重后果，則定義為特殊結構；如結構雖發生結構破壞風險較低，但構件破壞即會產生嚴重后果，則定義為主要結構；如結構破壞不會產生嚴重后果，則這類結構定義為次要結構。

FPSO船體結構分類中，特殊結構通常包括內轉塔加強、單點支撐結構、模塊支墩、甲板克令吊基座、火炬塔加強、外輸絞車加強及拖曳加強等結構高應力區范圍內的構件。同時，甲板邊板、舷頂列板等船體構件也通常被定義為特殊結構。

結構分類中的主要結構通常包括單點內轉塔加強、單點支撐結構、模塊支墩、甲板克令基座、火炬塔加強、外輸絞車加強、拖曳加強等結構高應力區范圍以外的構件，以及管支架的支柱、直升機平臺支撐結構等。同時，參與總縱強度的船體縱向構件一般也定義為主要結構。除特殊結構和主要結構外的結構定義為次要結構。

2總縱強度設計

FPSO船體結構的總縱強度用于評價船體梁承受總縱彎距與剪力的能力。其載荷包括靜水載荷與波浪載荷兩部分：靜水載荷是指船體在靜水中所承受的載荷，主要是因船體自身重量、裝載分布與靜水浮力的共同作用產生；波浪載荷則是船體在波浪中由于波峰與波谷的作用，沿船長浮力分布的不均勻造成的載荷，主要由波浪浪高、周期等參數決定。

按照船級社規范要求，對于航行船舶，總強度設計中應用的設計靜水載荷與波浪載荷都可根據船體主尺度按照規范公式計算得到，其中波浪載荷公式是基于20年一遇(10-8概率水平)的北大西洋平均海況；但對于固定于特定海域作業的FPSO，其總強度設計靜水載荷與波浪載荷一般要求經水動力直接計算得到。

由于FPSO通常在船中貨油艙區甲板上布置上部模塊，加上貨油艙和多數壓載艙也分布在該區域，因此FPSO在靜水中多數處于中垂狀態。設計最大中垂彎距通常遠大于最大中拱彎距，即FPSO設計中中垂狀態通常是結構總縱強度的控制工況。在FPSO上部模塊重量較大的情況下，其中垂狀態下的設計總縱靜水載荷可能會遠遠超過同等主尺度的航行船舶按規范公式計算得到的靜水載荷，只能結合實船重量分布以及極端裝載計算得到[1]。

根據規范要求，FPSO設計波浪載荷應基于作業海域100年一遇(10-8.7概率水平)的波浪參數(包括有義波高、平均跨零周期等)通過水動力直接計算長期統計預報求得。根據不同作業海域的海況環境條件，FPSO設計波浪載荷可能遠低于同等主尺度的航行船舶按規范公式計算得到的波浪載荷，也可能大大高于該規范公式計算值。

因此，FPSO船體總強度設計中，必須結合作業海域的波浪環境條件特點，合理選取波浪載荷設計值，結合靜水載荷數據，設計出具備恰當剖面模數的中剖面結構，在滿足船級社總縱強度規范要求的前提下，獲得較小的中剖面面積，從而減少結構用鋼量。

3疲勞強度設計

FPSO船體結構需常年在固定作業海域，長期承受波浪載荷的周期性作用，在鋼質結構上產生周期循環的交變應力，長期累積后，可能造成某些構件連接節點處的疲勞裂縫并持續擴展最終導致結構斷裂破壞，從而影響FPSO的海上作業安全。FPSO的疲勞強度設計一般反映為關鍵節點的計算疲勞壽命不得低于設計疲勞壽命，設計疲勞壽命等于FPSO的設計壽命與船級社規范和船東規定的疲勞設計安全系數的乘積。

疲勞強度校核中的兩個基本要素是周期循環的交變應力變化范圍和該應力范圍的循環次數。應力變化范圍越大，循環次數越多，則疲勞累計損傷越大，疲勞壽命越短。對于FPSO來說，疲勞強度設計考慮的周期性交變應力主要是由波浪載荷、濕表面波浪壓力，以及波浪作用所產生的運動加速度導致的慣性載荷導致，上述載荷一般即作為FPSO疲勞強度的設計載荷。按照船級社規范規定，FPSO船體構件采用的疲勞設計載荷應基于10-4概率水平的海況條件，根據其波浪譜、波浪散布圖做水動力直接計算經長期統計預報得到[2]。

由于構件不連續產生的應力集中會幾何放大應力水平，即增大應力變化范圍。因此，在同等波浪環境條件下，載荷循環次數相同，存在應力集中的區域因其應力變化范圍較大而疲勞壽命較短；也就是說，疲勞設計應主要關注產生應力集中的構件不連續節點，如甲板開孔、縱骨穿越橫艙壁或強框架連接節點、強框架桁材肘板趾端、模塊支墩、內轉塔加強、軟鋼臂式單點加強等特殊結構[3]。

4底部結構設計

FPSO不屬于航行油船，不必滿足MARPOL關于油船雙殼保護的要求，因此FPSO貨油艙區的底部結構可根據作業海域的水深特點常設計為單層底結構；對于水深極淺，水深吃水比不滿足規范要求(不低于1.3)的FPSO，為避免由于船體在風浪中橫搖、縱搖、升沉等運動發生碰底導致的漏油等環境污染事故，可將其船底設計為雙層底結構。

FPSO貨油艙區底部結構通常由底板、縱桁以及由底部強肋板支撐的T型材縱骨組成。在船中區域，底部結構主要由總縱強度和液艙局部強度共同控制構件尺寸。如采用單層底結構，剖面中和軸更接近型深中點，中剖面底部模數裕度較小；如設計為雙層底，由于底部縱向構件面積大幅度增加，剖面中和軸偏向底部，因此中剖面底部模數裕度較大。為滿足總縱強度并減輕鋼料重量，通常底部一定高度范圍內縱向構件取為高強度鋼；如采用雙層底結構，通常雙層底范圍內縱向構件都取為高強度鋼，但內底板可采用普通鋼。底部縱骨在波浪彎距作用下產生周期交變應力，因此與橫艙壁和橫向強框架連接節點處應校核其疲勞壽命是否滿足設計疲勞壽命要求。在滿足規范要求的前提下，還應注意在油艙或壓載艙液泵吸口區域的底部縱桁、橫向強肋板以及縱骨上設置足夠的流水孔，以保證貨油泵或壓載泵工作時的流量要求。

對于艏部區域底部結構，應根據規范要求校核底部抨擊強度。對于某些可能在船艉部發生底部抨擊的FPSO，還應在艉部的底部結構設計中考慮抨擊加強；對于機艙區域的底部結構，通常應設計為雙層底結構。如貨油艙區也設雙層底，則機艙內底應與貨油艙內底平齊或經斜板過渡與貨油艙內底對齊，并向艉部或艏部適當過渡。機艙底部構件尺寸基本根據其艙室布置和平臺設計壓頭，由局部強度決定構件尺寸。

對于內轉塔式單點系泊的FPSO，其轉塔艙區域底部應設計與內轉塔匹配的底部開孔，該開孔周邊區域的結構材料、構件尺寸、焊縫連接等都應按規范要求進行特別處理。

5舷側結構設計

FPSO貨油艙區舷側一般設計為雙殼結構，雙殼之間空間設計為壓載艙。該雙殼結構由外板、內殼縱艙壁板、水平縱骨、開孔平臺以及橫向強框架肋板和水密橫艙壁組成。外板與內殼縱艙壁之間距離應滿足油船雙殼最小寬度要求。舷側水平桁平臺高度應與貨油艙橫艙壁水平桁對齊，并根據艙段有限元分析結果在靠近水密橫艙壁附近區域加厚。為滿足舷側外板縱骨焊縫的建造和運營中永久檢驗通道的需要，水平桁平臺之間的高度如超過6 m，則建議在兩層平臺或平臺與主甲板之間設置鋼質永久性檢驗通道，該通道距離其上方最近處平臺高度一般不超過3 m。為了控制FPSO滿載狀態下的中垂彎距，內殼縱艙壁也可設計為在船中局部區域沿船長方向向內(船體中心線)彎折，以減小船中區域的設計靜水彎距，見圖1。

圖1　折線形艙壁示意

貨油艙區舷側結構由總縱強度和局部強度共同控制構件尺寸。其中，舷側頂部靠近甲板區域和底部(包括舭部)區域采用高強度鋼，內殼縱艙壁在頂部靠近甲板區域還應考慮貨油艙內晃蕩壓力對構件做適當加強。內殼縱艙壁和舷側外板是總縱剪切的重要承載構件，他們在貨油艙首尾端部總縱剪切載荷最大區域應加強；同時，內殼縱艙壁與貨油艙區域水密橫艙壁連接局部區域也需作剪力修正校核，以確定是否需局部加強。水線附近舷側外板縱骨承受最大周期交變波浪壓力，因此該區域縱骨與水密橫艙壁以及橫向強框架連接節點是疲勞關鍵節點，應結合疲勞校核結果設計縱骨構件尺寸并合理設計連接肘板型式。

貨油艙區以外范圍舷側結構可根據布置需要設計成單殼或雙殼結構，構件尺寸基本由局部強度決定，同時應保證貨油艙區內殼縱艙壁在終止處向艏(或船艉)部合理過渡，以傳遞總縱載荷。對于艏部舷側結構，還應根據規范要求考慮首部拍擊載荷對構件尺寸進行加強。

6甲板結構設計

FPSO貨油艙區甲板結構由甲板板、甲板縱骨、局部縱桁與甲板強橫梁組成。甲板結構基本由總縱強度控制構件尺寸，對于少數可能承受較大局部載荷的區域(如吊貨平臺等)還需進行局部強度校核。考慮到FPSO中垂彎距遠超過中拱彎距，中垂狀態下甲板受壓縮應力，甲板構件的屈曲強度必須在設計中給予重視。

主甲板強橫梁需根據艙段有限元分析的結果合理設計構件尺寸，對于模塊支墩下的強橫梁，分析時還應考慮上部模塊載荷的影響。

主甲板由于承受波浪彎距作用，容易在結構不連續處因應力集中產生疲勞問題。因此，在甲板設計時，必須合理規劃和布置甲板開孔、各類支架墊板等，以避免多個應力集中相互疊加造成疲勞破壞。

7模塊支墩設計

模塊支墩結構是上部模塊與FPSO船體主甲板之間的連接結構。由于上部模塊支腿間距較大且布置在于整個FPSO貨油艙段主甲板上，在模塊支墩結構設計中除了考慮上部模塊自身重量、慣性力及風載等載荷的同時，還應注意船體總縱彎曲變形的影響。為了最大程度地消除船體梁彎曲變形帶來的影響，常用的模塊支墩設計中對于單個模塊一般只沿船寬方向設置一排固定式支墩(見圖2)，而另外的模塊支墩都設計為滑動式(見圖3)。

圖2　模塊固定支墩

圖3　模塊滑動支墩

FPSO設計中，必須在初期即根據貨油艙縱骨間距和強框架間距，將模塊支腿布置于強框架(或橫艙壁)和縱骨(或縱艙壁)交叉位置，以保證模塊支墩支撐結構的強度[4]。

8單點加強設計

FPSO系泊方式一般分單點系泊或多點系泊兩種。多點系泊多應用于環境條件特別緩和的海域，通過設于船艏和船艉且左右兩舷的錨鏈將船體固定；單點系泊則應用更為廣泛，一般通過設于FPSO艏部的單點系泊系統將船體固定，FPSO可在作業海域風浪流綜合作用下自動保持在迎浪方向，形成風標效應。單點系泊又可分為內轉塔和軟鋼臂式兩類，其中內轉塔式系泊系統一般將系泊轉塔內置于FPSO船體艏部區域，船體通過轉塔頂部與底部支撐結構與錐形或柱形轉塔連接；軟鋼臂式系泊(也可稱為外轉塔)則是通過設置于FPSO艏樓甲板上的外伸大型鋼架將船體結構與固定于海面上的浮筒(轉塔)連接，在極端條件下可解脫。

內轉塔式單點系泊通過轉塔底部與頂部構件與船體連接，再經由輻射狀分布的船體支撐結構承受系泊載荷。軟鋼臂式單點系泊通過位于艏樓甲板上大型鋼架結構連接外置的浮筒和FPSO船體。鋼架結構通常設計為對稱分布的縱向與橫向框架，并經由位于首部甲板上的若干根大直徑鋼管與艏樓甲板連接[5]。結構連接點應設于艏樓甲板下縱艙壁(或縱桁)與橫艙壁(或橫梁)交叉處，大直徑鋼管可插入艏樓甲板并下延伸1至2層甲板高度，也可以并通過十字交叉并對齊甲板下縱橫強力構件的大肘板連接并終止于艏樓甲板上。

因此，單點系泊加強需根據作業海域特點與選取的單點系泊型式，合理設計對應區域的加強結構以提供足夠的支撐。

9甲板上浪設計

對于采用單點系泊的FPSO，由于風標效應，FPSO船體處于迎浪狀態。因此，FPSO的甲板上浪主要考慮艏部區域。根據船級社海洋工程規范要求，該區域甲板上浪載荷計算公式與航行船舶相似，但載荷系數較大，設計上浪載荷更大。同時，根據以往模型試驗和水動力數值分析的結果，FPSO艏部以后區域舷側也可能發生甲板上浪，影響此區域甲板布置的設備和通道安全，還應設計適當的擋浪結構[6]。

對于多點系泊的FPSO，其船體還可能處于斜浪甚至橫浪狀態，即FPSO全船甲板都可能受到上浪影響。因此，必須根據模型試驗和水動力數值分析的結果，合理設計干舷高度，并設置適當的保護結構，確保布置在甲板上的各類設備以及人員通道安全。

10結束語

綜上所述，FPSO船體結構設計不同于普通航行船舶，在設計基礎、環境條件及分析方法等諸多方面都具有海洋工程結構獨有的特點。設計中必須牢固樹立海洋工程結構設計的理念，遵循海洋工程設計的規范標準，以保證FPSO的結構安全，避免因船體結構破壞產生巨大的人員和財產損失以及海洋環境污染事故。

FPSO經常變化的載油量和船體吃水，使船體的受力不同于常規運輸油輪。對于在環境條件惡劣海域服役、臺風期間不解脫的FPSO，其承擔的負荷遠大于常規運輸油輪。因此，從安全、環境保護等角度考慮，FPSO的船體應設計得更加堅固、可靠，穩性、耐波性應更優。

參考文獻

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[6] 李俊，楊建民，梁修峰，等.FPSO甲板上浪試驗研究[J].中國海洋平臺，2007(5)：10-13.

On the Key Points of Hull Structural Design of FPSO

LUO Xiao-ming

(CNOOC Energy Development Equipment Technology Co. Ltd, Tianjin 300452, China)

Key words: FPSO; hull; structural design; key point