FDPSO總強(qiáng)度分析技術(shù)

陳曙梅 王 醍 王 璞（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

FDPSO總強(qiáng)度分析技術(shù)

陳曙梅 王 醍 王 璞
（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

針對浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO）的擴(kuò)展船型——配有鉆井模塊以及月池結(jié)構(gòu)的浮式鉆井生產(chǎn)儲卸油裝置（FDPSO）的總強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題，討論全船有限元分析方法的實(shí)現(xiàn)。探討月池區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)如何在全船分析中進(jìn)行考慮，并結(jié)合艙段有限元手段，進(jìn)一步研究月池區(qū)域結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法。研究工程項(xiàng)目如何結(jié)合全船有限元分析方法進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)。［關(guān)鍵詞］浮式鉆井生產(chǎn)儲卸油裝置；全船總強(qiáng)度；有限元分析；月池

引　言

隨著海上石油產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展及新型船舶的開發(fā)和利用，在傳統(tǒng)優(yōu)勢船型——浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO）的基礎(chǔ)上衍生出集鉆井、生產(chǎn)、儲卸油一體的浮式裝置（FDPSO）。FDPSO的應(yīng)用模式大致可分為早期試生產(chǎn)系統(tǒng)、油田分階段開發(fā)模式、Azurite油田模式和可轉(zhuǎn)換模式等。目前FDPSO的應(yīng)用模式還在不斷探索中，如何設(shè)計(jì)適合我國南海開發(fā)的模式是當(dāng)前FDPSO研究的重點(diǎn)。

FDPSO比傳統(tǒng)的FPSO增加了鉆井模塊以及為鉆井模塊提供的月池。此類海洋結(jié)構(gòu)物不僅要滿足FPSO的要求，月池區(qū)域和鉆井區(qū)域同時(shí)也要滿足鉆井船的要求。設(shè)置月池及鉆井模塊將使FPSO部分船體縱向連續(xù)構(gòu)件中斷，且不連續(xù)區(qū)域位于船中。對于FPSO，船中區(qū)域?yàn)殪o水彎矩和波浪彎矩最大處。船體結(jié)構(gòu)在船中月池區(qū)域發(fā)生突變，此處艙口角隅為典型的硬點(diǎn)結(jié)構(gòu)。整個(gè)月池區(qū)域所受載荷除船體梁載荷外，還會受到周圍貨油艙裝載產(chǎn)生的局部載荷以及鉆井作業(yè)工況下的鉆井載荷。因此，月池區(qū)域的設(shè)計(jì)與分析是本課題研究的重點(diǎn)。

新型海洋結(jié)構(gòu)物及超規(guī)范船舶大多會采用三維直接計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)［1-2］，而對于帶月池的浮式生產(chǎn)儲卸油裝置而言，全船有限元分析遇到以下主要問題：

（1）月池區(qū)域結(jié)構(gòu)所用的評價(jià)體系需滿足鉆井船要求，但除此局部區(qū)域外其他結(jié)構(gòu)均需滿足FPSO要求。

（2）月池效應(yīng)如何在全船有限元分析中合理考慮。

實(shí)際工程項(xiàng)目在初期階段，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素很多：如大型設(shè)備資料的不確定性、環(huán)境條件模糊、模型試驗(yàn)支持不到位，這些都是會產(chǎn)生顛覆性設(shè)計(jì)的重要因素［3-4］。對于新型的FDPSO來說，研發(fā)初期也存在同樣問題。在進(jìn)行全船有限元分析之前，需要對分析方法進(jìn)行優(yōu)化、統(tǒng)籌安排，采用最合理有效的分析方法。首先在前期比對設(shè)計(jì)方案，分析月池區(qū)域?qū)θY(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的范圍，以及在鉆井設(shè)備未確定前，需周全考慮月池變化情況下，全船有限元分析的有效部分為哪些。其次要確定生產(chǎn)模塊的布置和質(zhì)量重心分布，上部模塊的影響對船型FDPSO垂向彎矩和剪力的貢獻(xiàn)占比較大，在通過前期設(shè)計(jì)，也可以給出相對準(zhǔn)確的數(shù)值。最后確定總強(qiáng)度分析流程，將不確定性因素考慮在內(nèi)，并要顧及多個(gè)規(guī)范體系的影響，以全船有限元分析為主，適當(dāng)結(jié)合艙段有限元分析手段，研究出合理的總強(qiáng)度分析方法。

1　船型簡介

本文FDPSO的主要尺度及參數(shù)如下：

總長Loa263.61 m

水 線 長 LWL252.30 m

型 寬B 48.90 m

型 深D 26.70 m

設(shè)計(jì)吃水 17.80 m

粱拱 0.90 m

定員 100人

本文依托項(xiàng)目目標(biāo)作業(yè)海域?yàn)槲鞣呛Ｓ?，同時(shí)兼顧南海南部海況平穩(wěn)海域，使用的系泊方法為多點(diǎn)系泊。中部“0.4L”范圍內(nèi)，主甲板以下為貨油艙，主甲板以上布置油處理模塊（生產(chǎn)模塊）。首部設(shè)置壓載艙和火炬塔，尾部設(shè)置外輸油系統(tǒng)、機(jī)艙和生活樓。鉆井模塊設(shè)置于船體中部，并相應(yīng)設(shè)置月池。

FDPSO初步的總布置方案見圖1。

圖1　FDPSO側(cè)視圖及俯視圖

由于鉆井模塊僅為FDPSO的功能之一，其鉆井部分及月池區(qū)域和船長、船寬相比較?。ū壤齼H為3/100和4/25），而傳統(tǒng)意義的鉆井船該比例約為1/4和1/3。

2　總強(qiáng)度計(jì)算

本船中剖面設(shè)計(jì)參考母型船技術(shù)成果。為了使全船有限元計(jì)算更高效，本文在進(jìn)行全船總強(qiáng)度計(jì)算之前首先針對月池所在艙段的三艙段有限元模型進(jìn)行計(jì)算，通過艙段有限元計(jì)算暴露出的船體結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)對結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行修改，再在修改后的圖紙基礎(chǔ)上建立全船有限元模型進(jìn)行計(jì)算校核。

本船的總強(qiáng)度分析必須考慮月池區(qū)域的影響。由于所適用的規(guī)范體系不同，為了對結(jié)構(gòu)進(jìn)行更合理評估，經(jīng)研究將總強(qiáng)度分析分為兩部分：一部分僅考慮月池區(qū)域結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析；一部分為不考慮月池區(qū)域，將月池部分當(dāng)作空艙，依據(jù)FPSO結(jié)構(gòu)分析要求，進(jìn)行全船有限元分析。按此思路，可將結(jié)構(gòu)物的每個(gè)部分都進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。但全船有限元是否考慮月池影響，仍是總強(qiáng)度分析的一大顧慮。在分析方法確定之前，需要對月池區(qū)域?qū)倧?qiáng)度的影響進(jìn)行評估，最終確定總強(qiáng)度分析方法。

常規(guī)的全船有限元計(jì)算所采用的方法是：通過模擬船舶在實(shí)際運(yùn)行過程中的裝載情況，將船體梁所受的波浪載荷、靜態(tài)載荷以及慣性載荷作用于船體，使全船有限元模型受力與船體受力相一致，并使模型處于平衡狀態(tài)［5］。

本文全船有限元計(jì)算主要參考BV船級社規(guī)范，計(jì)算流程如圖2所示。

圖2　FDPSO全船總強(qiáng)度計(jì)算流程

評估月池效應(yīng)對總強(qiáng)度的影響，最有效的方法為水池模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)成本較大，且試驗(yàn)前期準(zhǔn)備，后期結(jié)果分析的周期較長，在設(shè)計(jì)初期拿不到試驗(yàn)結(jié)果，無法對總強(qiáng)度計(jì)算方法提供參考數(shù)據(jù)。但在模型試驗(yàn)之前，為指導(dǎo)模型試驗(yàn)工況的選取等，會采用數(shù)值分析方法，將月池和船體模型化，應(yīng)用軟件手段，得到月池內(nèi)水動力分析結(jié)果和船體水動力分析結(jié)果［6］。為滿足研究需要，建立以下兩個(gè)數(shù)值模型：一個(gè)按照設(shè)計(jì)方案，將月池考慮在其中；另一個(gè)則完全不考慮月池影響，將月池當(dāng)作船體內(nèi)空艙處理。

在數(shù)值分析結(jié)果中，總強(qiáng)度影響最大的垂向波浪彎矩被確定為評判依據(jù)。圖3為兩種模型計(jì)算得到最大垂向彎矩延船長的分布結(jié)果，圖中分別為有無月池結(jié)構(gòu)的兩個(gè)模型各剖面的垂向彎矩值。為了使月池區(qū)域結(jié)果更加清晰，本文只截取月池一定范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。由于本文FDPSO月池尺寸相對較小，通過對兩種模型垂向彎矩值的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最大彎矩值在月池區(qū)域差別約為1.9%，在非月池區(qū)域差別也為0.5%，是否考慮月池對總強(qiáng)度研究的影響不大，而采用全船有限元計(jì)算部分不考慮月池的方案。

經(jīng)評估后，本項(xiàng)目的總強(qiáng)度分析分為兩個(gè)部分，且兩部分相互之間并不獨(dú)立且相互影響。最終得到的分析流程如圖4所示。

圖4　FDPSO全船總強(qiáng)度分析流程

由研究得到的分析流程可發(fā)現(xiàn)，全船有限元分析貫穿于項(xiàng)目始終，從而對特殊形式的結(jié)構(gòu)物可以做到全面有效的評估。而月池區(qū)域采用局部結(jié)構(gòu)分析的思路，考慮極端載荷的影響，結(jié)合艙段有限元手段，使用鉆井船評價(jià)體系，研究月池結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)問題。隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，從模型試驗(yàn)結(jié)果中得到了較準(zhǔn)確的月池耗散系數(shù)，可對月池區(qū)域的載荷特征進(jìn)行很好的模擬，從而采用更符合實(shí)際使用情況的全船有限元方法進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析（比如關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞計(jì)算，可在全船有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，開展全概率疲勞方法的疲勞研究等）。

3　全船有限元分析方法及流程

3.1 工況選取

參考規(guī)范要求，根據(jù)初步裝載手冊，確定本研究階段全船有限元分析的研究工況：

（1）FULL LOAD-PRODUCING， 100% BUNKER（滿載工況）；

（2）BALLAST LOAD-PRODUCING， 10% BUNKER（壓載工況）。

3.2 輸入條件

全船有限元計(jì)算需要以下輸入條件［6］：

（1）水動力模型。水動力計(jì)算需滿足頻域內(nèi)勢流理論假設(shè)。本文研究初期，采用的水動力濕表面模型不考慮月池開口，模型試驗(yàn)后的濕表面模型需包含月池開口。

（2）結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)前期設(shè)計(jì)圖紙，及規(guī)范對全船有限元模型的建模要求，建立FDPSO的全船有限元結(jié)構(gòu)模型。為更好地評估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，方便后續(xù)計(jì)算，及比對結(jié)果，本項(xiàng)目全船有限元模型的網(wǎng)格尺度為縱骨間距。

（3）質(zhì)量模型。質(zhì)量模型使用結(jié)構(gòu)模型，即根據(jù)裝載手冊，將結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量調(diào)整至與空船質(zhì)量重心一致后，按照實(shí)際裝載在結(jié)構(gòu)模型上配載。配載完成的結(jié)構(gòu)模型即可作為質(zhì)量模型應(yīng)用于計(jì)算中。

3.3 船體載荷及邊界

本船系泊方式為多點(diǎn)系泊，海況條件相對較好，無需考慮單點(diǎn)系泊的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)?？蓞⒖家?guī)范對常規(guī)船型的相關(guān)要求，約束船首一點(diǎn)及船尾兩側(cè)兩點(diǎn)作為邊界條件。

采用全船有限元方法進(jìn)行總強(qiáng)度分析的目的是該方法所模擬的載荷更加接近實(shí)際情況。船體內(nèi)部載荷由結(jié)構(gòu)模型上定義的各類裝載提供；船體外部載荷由環(huán)境條件得到。根據(jù)作業(yè)海域的海況條件，參考水動力分析結(jié)果，外部載荷選取7個(gè)浪向、30頻率，進(jìn)行各裝載工況下的設(shè)計(jì)波篩選。

考慮到FDPSO除進(jìn)塢檢修和拖航外，作業(yè)、常規(guī)檢修及風(fēng)暴自存狀態(tài)下均為不解脫狀態(tài)，加之采用多點(diǎn)系泊方式，本船的遭遇浪向按照平均分布，航速為0。經(jīng)水動力計(jì)算可得到各個(gè)浪向、頻率規(guī)則波下的傳遞函數(shù)。根據(jù)船型特點(diǎn)，本船選取垂向彎矩，垂向剪力作為篩選目標(biāo)值，最終確定全船有限元計(jì)算各裝載下的設(shè)計(jì)波參數(shù)。

FDPSO在規(guī)則波中的運(yùn)動參見圖5。

圖5　FDPSO在規(guī)則波中的運(yùn)動

4　計(jì)算結(jié)果評估

月池區(qū)域若在全船有限元分析中不作考慮，則需要在局部強(qiáng)度中評估。由全船有限元計(jì)算確定局部模型的模型邊界，再對模型進(jìn)行細(xì)化處理，以得到局部模型合理的載荷及邊界條件。

表1為滿載工況下兩種計(jì)算方法的屈服結(jié)果。

表1　滿載工況下兩種計(jì)算方法的屈服結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，總體而言，月池大開口角隅處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，突出表現(xiàn)在甲板和外底的月池角隅處，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮此處的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)及角隅軟化處理。此外，確定U.C值最高的主甲板月池角隅點(diǎn)為后續(xù)疲勞計(jì)算點(diǎn)之一，以深入研究此熱點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度。

由于本船在進(jìn)行全船總強(qiáng)度計(jì)算前先利用艙段有限元手段對船中部區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行篩查，因此，本船全船有限元計(jì)算結(jié)果相對良好，暴露的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題主要集中在首尾區(qū)域。全船有限元計(jì)算得到的各艙壁及強(qiáng)框的計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7。

圖6　橫艙壁計(jì)算結(jié)果

從圖中可以看出船體距首尾1/4船長處橫向構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果相對偏高，此處垂向剪力最大，橫向構(gòu)件偏危險(xiǎn)，需特殊考慮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。船體強(qiáng)框架首尾部屈曲強(qiáng)度存在一定缺陷，對計(jì)算模型觀察可知，該區(qū)域靠近船中區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)對首尾處強(qiáng)框需適當(dāng)加強(qiáng)屈曲強(qiáng)度，可通過增加板厚或增加加強(qiáng)筋實(shí)現(xiàn)。

5　結(jié)　論

本文基于新型的帶鉆井模塊浮式生產(chǎn)儲油裝置（FDPSO），旨在研究開發(fā)出適合新型海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)分析方法，充分考慮設(shè)計(jì)分析中的各類影響因素，并考慮到各類關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度分析方法，將貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)階段的各類分析如總強(qiáng)度、局部強(qiáng)度及疲勞分析相結(jié)合，綜合考慮全船有限元分析方法在總強(qiáng)度計(jì)算中的應(yīng)用問題。為將來新型結(jié)構(gòu)物的開發(fā)提供了有益的思路。FDPSO的全船有限元分析結(jié)果對將來的設(shè)計(jì)具有實(shí)際參考意義。

［1］ BV. Rule Note NR 551： Structural Analysis of Offshore Surface Unit through Full Length Finite Element Models ［S］. 2010.

［2］ Rules for the Classification of Offshore Units Part D-Service Notations NR 445.

［3］ 楊玥，王璞.西非海域環(huán)境條件下FPSO運(yùn)動及載荷響應(yīng)特征研究［J］. 船舶，2015（3）：21-27.

［4］ 王從晶，夏利娟. 全船有限元結(jié)構(gòu)分析的若干關(guān)鍵技術(shù)［J］. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：768-773.

［5］ 袁俊，陸紅干. 400 000 DWT礦砂船直接波浪載荷與全船有限元強(qiáng)度分析［J］. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2010（9）：30-37.

［6］ BV. Hydro-Structure Interactions Theory & Methodology ［S］. 2012.

［7］ 王峰，陳毓珍，張青敏. 全船有限元簡化方法在總縱強(qiáng)度計(jì)算中的應(yīng)用［J］. 船舶與海洋工程，2014（1）：24-27.

Global strength analysis method for fl oating drilling production storage and offl oading vessels

CHEN Shu-mei WANG Ti WANG Pu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The present study analyzes the global strength of an extension type of floating production storage and offloading system （FPSO） — the floating drilling production storage and offloading system （FDPSO）， which is equipped with drilling unit and moon pool. The finite element analysis is implemented for the whole ship. It discusses the consideration of the moon pool in the global ship analysis, and studies the strength analysis method for the moon pool structure combined with the tank finite element analysis. The rational design of engineering project is also investigated with the global ship finite analysis method.

FDPSO(floating drilling production storage and offloading unit); global strength; finite element analysis; moon pool

U674.38+1；U661.4

A

1001-9855（2016）04-0047-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.047

2016-03-23；

2016-04-07

陳曙梅（1980-），女，碩士，高級工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及船體載荷。

王 醍（1988-），女，碩士，助理工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及船體載荷。

王 璞（1977-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船體載荷及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。