圓筒形浮式生產儲油裝置結構設計及輕量化

周 佳，趙夕濱，王 璞

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

近年來，隨著國際油價持續走低，對海洋油氣開發裝備的設計和研發提出了更高的要求。只有擁有性能更為出色、成本更低的裝備，才能在現今的油氣開發市場中占據有利位置。自SEVAN MARINE公司推出圓筒形浮式生產儲油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）的概念（見圖1）并成功投入到工程應用中以來，該類型FPSO成為研究焦點，其獨有的圓筒形外觀對其在海洋環境中的運動和受到的環境載荷的影響均有別于常規船型FPSO的概念[1-2]。

圖1 SEVAN圓筒形FPSO示意

1 載荷與結構強度分析

依照常規海洋工程結構設計的流程，在確定結構型式和外形之后，首先根據法規和規范的要求及作業功能需求對艙室進行劃分。在完成相應布置之后，依照結構設計習慣和經驗確定骨材間距、布置結構桁材及強框。隨后，根據結構件所設位置進行構件規范計算，完成初步結構設計。

海洋工程裝備往往需針對特定海域的環境條件，分析結構在所處環境中可能遇到的最大環境載荷。隨著數值計算技術的發展，設計波法已較多地應用到海洋工程裝備總強度載荷預報中。各大船級社根據其多年的設計經驗積累，對常見的海洋工程裝備推薦了幾個載荷形式作為設計校核指標，例如船型FPSO在不同裝載工況下的最大彎矩和剪力及半潛式平臺在不同浪向下的彎曲、剪切、扭矩和最大加速度等[3]。根據預報的設計波載荷，對海洋工程裝備進行結構總強度分析，對其整體結構進行較為系統的分析和校核。

由于圓筒形FPSO外形的特殊性[4-6]，目前規范中尚無成熟的設計指南和推薦的總強度載荷模式。通過對不同工況和環境條件組合進行分析對比，并與相關領域的設計專家和資深船級社工程師討論可知，圓筒形結構有良好的對稱性，各方向上的尺度一致；同時，由于型深和吃水較大，圓筒形FPSO的總縱彎矩和剖面剪力不再是以往常規船型FPSO的主控設計載荷；相對于環境載荷，其構件壓力規范設計載荷將成為設計關鍵。通過分析對比不同工況的應力結果分布，最后確定以兩側最大液面高度差、平臺中心與兩側最大剪力差和艙內液貨最大加速度等3個狀態為其總強度設計波環境載荷預報工況，其波浪載荷模式示意見圖2。在上述工況下，分別校核圓筒形FPSO直徑方向的最大壓力差、中心月池開口區向兩側的壓力差和艙內液貨動壓力對垂直艙壁及外板的影響。

圖2 圓筒形FPSO典型波浪載荷模式示意

目標平臺主尺度為：外徑 88m，主甲板高 45m，雙底，雙殼，設計吃水 32m。按照前述分析流程，建立濕表面模型、質量模型和結構模型，對其進行設計波載荷預報和結構總強度分析，分析采用DNV-GL開發的SESAM軟件包。圓筒形FPSO結構模型示意見圖3，坐標原點定于底板圓筒中心處，主要艙壁和甲板采用板單元建模，主要設備的重量及其所在位置采用質量點和梁模擬。為提高鋼材利用率，平臺結構以水線面為界上下劃分，水線面上部分采用32kg級高強度鋼，水線面下部分采用36kg級高強度鋼。同時，為兼顧結構設計剛度，在水線面以上部分適當預留一定的設計余量，為上部模塊等設備支撐提供足夠的余度。

圖3 圓筒形FPSO結構模型示意

考慮到圓筒形FPSO的結構和裝載的對稱性，在進行設計波載荷預報時，取典型浪向及液貨艙和壓載艙的裝載分布（見圖4），其在240°浪向下的典型RAO響應見圖5，反映筒體兩側海面高度差，校核平臺在最大水平剪力作用下的結構受載情況和應力分布。對于裝載工況的選取，兼顧液貨艙和壓載艙在不同浪向下的裝載情況。如圖3所示，圓筒形FPSO外圈為外壓載艙，向內依次為液貨艙、作業艙和內壓載艙。

通過對波浪載荷進行短期預報，得到不同裝載工況下的液面高度差和水平加速度。從預報結果來看，作用在外壁上的波浪會對圓筒形FPSO的外形產生一定的爬升影響，FPSO兩側的高度差相對所處環境下的波高提升20%～30%。同時注意到，為兼顧修井功能，在目標FPSO中間設有月池開口，月池區內的波浪抬升更為明顯，高差極值甚至達到環境波高的2倍。該結構為數值預報結果，有待模型試驗或實地勘測驗證。

圖4 典型載荷分析工況示意

圖5 最大兩側液面高度差的RAO響應（240°浪向）

此外，對于艙內的液貨加速度預報值相對很小的情況，由于圓筒形FPSO具有良好的水動力性能，水平加速度僅為10%的重力加速度量級。在波浪載荷預報的基礎上，將水動力載荷映射到結構模型上，進行結構總強度分析，對設計構件強度進行設計校核。

經總強度分析，結構應力水平在各工況下隨著型深的變化而變化的趨勢明顯，接近底部位置的應力水平較高，越接近水面或水面以上位置的應力水平較低。同時，在徑向和環向艙壁連接處、阻尼板與舷側外板連接區域及底部導纜器布置位置角隅處有局部應力集中現象，設計時應加以關注。典型應力分布云圖見圖6～圖9。由應力分析結果可知，整體結構應力分布均勻，因裝載不同而產生一定差異。相對來說，艙內液體壓力作為主控載荷，波浪動壓力及平臺運動產生的應力相對較小。

圖6 單艙裝載波峰位于月池工況底板應力分布示意

圖7 對稱裝載波峰位于月池工況外板應力分布示意

圖8 阻尼板與外板連接區域應力分布示意

圖9 阻尼板導纜器開口角隅高應力示意

2 結構優化與減重

與同等裝載量級的船型FPSO相比，由于基礎方案不同、總強度設計載荷要求不同，圓筒形FPSO具備一定的優勢，其結構設計重量比船型FPSO輕25%以上。由于圓筒形FPSO外形獨特，其主體內具體功能艙室的劃分等與傳統船型FPSO的分艙有很大不同，經統計，初步方案結構重量約為3萬t。在此基礎上，為挖掘其更大的潛力，進行減輕結構重量優化設計，分別進行增加吃水、外徑變化和分艙調整等一系列方案對比。在滿足整體性能一致（即排水量不變）的前提下，探索圓筒的外徑、型深、內部環形和徑向艙壁的位置及數量的調整和不同艙室布置對結構設計重量的影響。

由上述結構強度分析可知：圓筒形FPSO的結構設計主要控制工況為規范計算公式要求，即設計壓頭；相對而言，其圓形外形承壓性能良好，總強度載荷對結構的影響也相對較小。改變圓筒形FPSO的設計吃水，因設計壓頭增加對設計板厚有顯著影響，在裝載量相同的情況下，結構增重明顯，整體結構重心偏下；在加大型深之后，由于設計壓力增加，對結構件的要求會顯著提高。因此，從輕量化的角度看，首先應控制設計方案的型深，以小型深為宜。其次，從主體內部布置上看，因分艙采用從上到下的徑向艙壁和環向艙壁，水平設置環向水平桁。艙壁重量是結構重量的主要部分。在滿足規范和法規對分艙要求的前提下，盡可能地減少垂向艙壁的數量，從而直接降低結構設計重量。另外，艙壁大多貫穿于整個主體，從分隔艙壁的總長度上可得到整體結構輕量化的方向，根據圓直徑與周長的關系考慮艙壁設置位置及判別環向分隔數量和徑向直徑大小的優化方向。

根據以上結論，后期可對初步方案進行輕量化改進，以減少垂向分艙、適當降低型深為優化方向，減少兩道垂向分隔。同時，在對外徑進行微調之后，成功減重約4000t，約為總重的13%，效果顯著。可見，作為新型海洋工程裝置的圓筒形FPSO，其不同于常規船型FPSO的主尺度和分艙設計會對空船重量造成顯著影響，有很大的優化和深入研究空間。此外，因外形發生變化，相對矮胖的外形會增加系泊設計的載荷，在確定總體方案時需進行綜合評估。

3 結 語

本文通過對圓筒形FPSO的設計方案及結構優化進行介紹，總結了該型裝備的結構設計要點和設計關鍵區域。通過對比不同設計方案，給出了結構減重的優化方向。受限于研究時間和進度要求，后續可對水平桁布置間距進行深入討論，進一步開展結構優化減重研究。此外，水線上下范圍的結構砰擊和內部月池區域波浪載荷的非線性問題也值得關注并有待進一步研究。

【 參 考 文 獻 】

[1] 王天英，馬永訓.新概念FPSO最新研究進展[J] .船海工程，2011, 40 (5): 184-188.

[2] LAMPORT W B, JOSEFSSON P M.The next generation of round fit-for-purpose hull form FPSOs offers advantages over traditional ship-shaped hull forms [C]//ASME DeepGulf Conference, New Orleans, Louisiana USA, 2008: 1-9.

[3] 景江成，羅子良.圓筒形FPSO特點與總體布置策略分析[J].中國機械，2015 (9): 184-186.

[4] WANG T Y, FENG Y X.Advanced development of research on new concept FPSO [J].Ship Ocean Engineering, 2011; 40 (5):184-189.

[5] DNV.DNV-OS-C201 Structural Design of Offshore Units (WSD Method) [S].2012.

[6] 王世圣，趙晶瑞，謝彬，等.深水八角形FDPSO總體性能分析[J] .船海工程，2014, 43 (3): 183-186.