淺析FPSO模塊的設計與安裝工藝

孫宇 李丹 馮建新

摘要：本文對FPSO模塊的設計和安裝工藝進行了介紹，通過對模塊結構、安裝工藝等幾個方面的分析。通過分析球形支座的結構形式、工藝性能、安裝方法，形成了一套全新的完整的模塊支座安裝工藝然后做出判斷，再通過快速有效的方法達到盡快解決故障問題的目的

關鍵詞：FPSO，模塊;設計;安裝工藝

FPSO是當今海上油氣田開發的主流生產裝置，能夠對海上原油天然氣進行初步加工、儲存和外輸，是集人員居住與生產指揮系統于一體的綜合性大型海上油氣生產基地，被稱為“海上油氣處理廠（Floating Production Storage andOffloading，FPSO）”。FPSO上部模塊作為海上油氣生產處理和公用設施的基地，在整個油田的開發中起著至關重要的作用，因此FPSO上部模塊設計和結構布置方案成為FPSO設計研究的主要方向。

1、FPSO模塊結構簡介

1.1 研究的意義

目前在國內，FPSO真正獨立自主設計的能力嚴重不足，大量核心技術還沒有被切實掌握。因此，大力發展獨立自主的模塊結構設計研究，有利于早日掌握該領域的核心設計技術，實現FPSO整體承包的目標。只有真正掌握了FPSO各個領域的核心技術，才能進一步提出優化方案和創新理論，在海工市場占據主導地位。隨著世界人口的增加以及經濟的快速發展，人類對能源的需求越來越大。海洋油氣正在成為世界油氣的主要來源。截至2015年年底，海洋油氣產量已占全球能源總供給量的18%，當年產量增幅為2.5%L10，未來海洋油氣產量所占比重還將進一步上升。

1.2 研究的主要內容

本文以某FPSO項目壓縮機模塊結構設計為背景，在了解FPSO布置原則及工作原理的基礎上，熟悉各模塊結構的設計流程。根據相應規范，對模塊支撐結構進行基本設計，同時以有限元計算為依據，對結構設計的強度進行分析，確保模塊結構及底座滿足強度要求。

2、FPSO模塊結構簡介

模塊是FPSO系統中上重要的組成，主要布置在FPSO船體上部，其集成了更多更先進的技術，具有多種功能，具體分為：工藝模塊、氣體處理模塊、熱介質模塊、化學藥劑注入模塊、高壓注入模塊、電站模塊、MCC模塊、壓縮空氣模塊和管廊等。其由模塊鋼結構和其中布置的設備組成，結構承載著設備并實現其功能的主要載體，由上方存放設備的模塊平臺結構和下方連接甲板的模塊底座結構組成，其基本設計與整個FPSO基本設計不可分割。從力學角度分析，底座對模塊固定和運行穩定有決定作用。FPSO生活模塊由生活樓、直升機平臺及相應舾裝件和相關設備組成。隨著海洋工程相關技術發展，近

年來生活模塊有如下發展趨勢：（1）建造技術向模塊化發展。目前，海洋平臺建造已開始采用模塊化生產工藝，實現船體結構和上部設施同時建造施工，縮短建造周期口3。雖然現階段該方法的安全性和舒適性并未得到保證，但隨著技術水平的發展，將生活模塊系統進行模塊單元化，設計生命力強的模塊產品，強化組合性，將成為未來的發展趨勢新型輕質材料的廣泛應用。目前，新型輕質材料已應用于直升機甲板上。采用鋁質材料代替傳統的鋼制材料具有重量輕，強度、剛度好的優點，能將直升機甲板的重量減少至原重量的三分之一，對船體的穩性、結構性能優化也起到了重要作用。此外，鋁質直升機甲板模塊化程度高，有利于縮短建造周期。因此，新型輕質材料將在FPS0生活模塊上得到廣泛應用。（3）對作業人員的安全性、舒適性更為重視。國際海事界對海上安全、環保和可持續發展等問題日益關注，在海上作業時需要配備大量的工作人員。如何使生活模塊系統達到相應的國際標準規范和船級社要求，在滿足安全性、環保性的同時，考慮經濟性和快速性，對生活模塊系統的技術水平提出了更高要求。

目前國內對FPSO生活模塊的研究集中于模塊設計以及模塊吊裝、運輸過程中的強度分析，而對從市場需求的角度開展的研究則較少，有必要對FPS0生活模塊進行市場需求的分析預測。

2.2 模塊結構設計內容

模塊上的大型和重型設備一般都布置在模塊底層平臺上，底層結構承受的載荷較大。因此，在模塊設計時選取的構件尺寸也相對較大。越往上，平臺結構受力越小，所以構件尺寸也相對較小。這樣設計，不僅可以降低模塊整體重心，而且可以在保證結構強度的前提下減少結構重量。模塊結構設計需要注意幾個方面。

2.2.1 材料選取

1）材質選擇

從結構強度及減輕重量的角度考慮，模塊的結構部分基本上全部選用高強度鋼，局部區域板厚方向需要承擔載荷，還要使用高強度Z 向板。

2）溫度對材料的影響

根據海工設計規范對結構類別的劃分，船體結構一般分為特殊結構、主要結構和次要結構。規范要求，材料厚度與材質選擇，與結構所屬類別和工作溫度有關。

2.3 模塊底座設計

所有生產模塊都是通過模塊底座與主甲板連接，模塊底座承受模塊的自重和工作載荷，其結構位置和作用荷載是船體甲板構造和強度設計的重點之一。模塊底座支撐結構一般布置在船體甲板的強肋位上，根據模塊在操作和極端工況條件下支點的反力進行甲板強度校核。上部模塊與支撐底座間的連接形式，根據模塊的尺寸與底座布置不同，可分為固定式與滑動式。對于跨距比較大的模塊底座，部分連接點滑動接觸可以避免模塊構架平臺支腿隨著船體梁的縱向彎曲變形而發生強制變形，也可以釋放模塊自身重量引起的支腿變形，降低產生疲勞裂紋的概率。

2.4 模塊安裝結構

模塊支座作為FPSO上部模塊安裝中的一個關鍵部件，將立柱與甲板底座固定在一起，它包括球形支座和彈性支座兩部分，球形支座位于船體底座與模塊立柱之間，彈性支座位于限位裝置與立柱之間，共同對模塊橫向和縱向受力起到緩沖作用，而球形支座在FPSO模塊安裝中起著十分重要的作用。

2.4.1 球形支座

球形支座為德國MAURER公司生產的產品，上下面為不銹鋼光滑面，通過內襯板與球面聚四氟乙烯板之間的滑動完成支點的轉動過程，具有轉動靈活、適用轉角大等優點。每個球形支座都有最大荷載、編號、水平位移及對應的船體肋位，且支座與上下結構焊接，安裝時根據模塊的重量大小配置不同承載噸位的球形支座。

3 模塊支座安裝控制要點

（1）每個球形支座側面需標注X軸線、Y軸線、肋位、承載力及受力方向，確保與船體上的肋位線相對應，防止安裝時球形支座方向及位置發生錯誤;

（2）為防止焊接作業中傳遞的熱量破壞支座部件，必須控制焊接溫度，確保連續地低熱量輸入，且上支座最高溫度不能超過80℃。

4 結論

上采油的主要產品，引導今后海工市場的發展趨勢。因此FPSO 模塊的設計和研究，是未來FPSO發展的主要方向，對我國開發和占有國際海工市場具有十分重要的意義。

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