FPSO上部模块改造结构设计特点分析

李彦丽 穆 顷 祖 巍 杨肖龙 安振武

（中海油能源发展装备技术有限公司工程设计研发中心 天津 300452）

FPSO上部模块改造结构设计特点分析

李彦丽 穆 顷 祖 巍 杨肖龙 安振武

（中海油能源发展装备技术有限公司工程设计研发中心 天津 300452）

随着秦皇岛32-6油田及周边南堡35-2油田的开发，渤海世纪号FPSO上部模块水系统无法满足目前的生产需求，因此进行水系统扩容改造。本文结合渤海世纪号FPSO工艺模块水系统扩容改造工程实例，从基座设计、与原结构连接、结构加强等方面详细说明了FPSO上部模块改造结构设计中遇到的技术难点及解决方法，分析了FPSO模块改造结构设计特点，并简述了改造中需注意的问题，为FPSO模块改造结构设计提供借鉴和参考。

FPSO；上部模块；改造；结构设计

引 言

在海洋石油开发领域，浮式生产储油船（Floating Production Storage and Offloading，简称FPSO）是一种常用的工程设施，主要由船体、上部模块、单点系泊组成。“渤海世纪”号FPSO是为中国渤海海域“秦皇岛32-6”油田专门建造的15万吨级浮式生产储油装置，于2001年10月建成投产，设计寿命为25年［1］。“渤海世纪”号 FPSO设5对货油舱、2对污油舱、6个工艺舱、6对专用压载水舱，工艺甲板上设置电站、热站、原油处理和水处理等7个模块，首部设轭架式单点系泊系统，尾部甲板设有尾卸油系统。油田原油通过船首单点集管输入，经工艺甲板上的处理模块处理后储存于货油舱，再经尾卸油装置输出至穿梭油轮［2］。

1 模块改造介绍

“秦皇岛32-6”油田已进入高含水期，水系统流程达到饱和状态，为增强FPSO流程生产的稳定性和安全性需求，作业公司希望在现有流程基础上，新增设计处理能力14 400 m3/d的污水处理设备模块，因此对原有水系统进行扩容改造。

污水处理流程为：从生产水舱引出的污水在增压泵出口管线并入新增斜板除油器，处理后的污水进入新增加的气浮选器，然后经新增的生产水泵打入核桃壳处理后进入注水系统用于回注。按照工艺流程，需新增以下设备：3台双介质核桃壳滤器、1台斜板除油器、1台加气浮选器、3台增压泵。

根据设备布置情况及工艺处理需求，污水扩容改造在工艺模块V实施，原工艺模块V的设备布置情况及在FPSO船体甲板的位置见图1。

图1 “渤海世纪”号FPSO上部模块布置

2 结构设计

FPSO模块改造设计基本原则为：结合已有设施与空间，尽量少扩甲板，将海上安装、连接和调试的工作量降至最低。“渤海世纪”号FPSO模块V结构有两种改造方式：

（1）在原模块甲板上清理空间，布置新增工艺处理设备；

（2）在原模块甲板基础上外扩。

根据现场数据及新增水处理设备外形尺寸，模块V左舷外扩甲板安装新增的3台核桃壳滤器，右舷外扩甲板安装新增的气浮装置，将中间甲板某设备切割移走，清空区域安装新增的斜板除油器。模块V改造总布置图见图2。

2.1 基座设计

2.1.1 基座位置的选择

模块的基座一般布置在强横梁或横舱壁与纵骨交接的位置上，并在基座所在的船体主甲板下设置加强结构。模块外扩甲板的基座设计也遵循相同的设计原则，对照船体舱壁及船体甲板结构图，将基座布置在强横梁和纵骨相交的位置。

图2 模块V改造总布置图

2.1.2 基座结构形式

基座将上部模块荷载传递至船体甲板，除了承受模块设备的重力、惯性力、风载作用外，还要考虑船体的变形影响。如果在恶劣海况下，船体纵向弯曲变形较大，基座与上甲板连接的位置会出现较大的支撑反力，出现一定程度的应力集中，导致在上甲板处产生裂纹［3］。“秦皇岛32-6”油田FPSO所处渤海海域，海况没有南海恶劣，原模块支撑结构形式为普通的工字钢/圆管普通桁架形式，直接焊接于船体甲板上。模块V改造的基座设计也保持与原模块相同设计，采用圆管普通桁架形式，见图3。

图3 基座结构

左舷外扩甲板由15个立柱基座支撑，最外侧一排5个基座位于水舱上方，其他10个位于船体油舱上方。右舷外扩甲板同样由15个立柱基座支撑，最外侧一排5个基座位于水舱上方，其他10个位于船体油舱上方。油舱附近严禁焊接动火作业，因此油舱上方的20个基座不焊在船甲板上，另10个水舱上方的基座则焊接固定。若考虑不焊接基座不承受水平荷载，外扩甲板的水平荷载则仅由两排（10个）焊接基座传递至船体甲板。实际情况是基座受压时，与甲板之间存在静摩擦，可以承受一定的水平荷载，本文为简化计算模型，不考虑静摩擦作用，将其模拟为仅受压力的滑移基座。图4是改造投产后的左舷外扩甲板模块。

图4 左舷外扩甲板模块

经现场调研，与甲板不焊接的基座未发生位移和变形。

2.2 与原模块连接

船体横摇使距离中轴线较远布置的设备及结构产生很大的惯性力［4］。本次改造外扩甲板在V模块左右舷两侧，距离中轴线都较远，因此沿船宽方向惯性力很大，并且四排基座不焊接在甲板上。为防止船体横摇运动引起可移动基座发生较大位移并合理传递水平荷载，在活动基座一侧设置水平拉筋或斜撑杆件与焊接在船体甲板上的立柱连接，增加水平拉筋或斜撑需考虑不影响船体甲板的安全通道。

模块V原甲板与外扩甲板的连接只有主梁连通到改造甲板，既保证结构刚度又可控制安装尺寸误差，详细设计见图5。

图5 甲板连接示意图

2.3 结构强度计算

改造设计中V模块新增设备质量225 t，操作质量514 t，并且在原模块左右舷两侧外扩甲板，改造对模块原结构的影响较大，需重新对模块进行整体结构强度校核分析。

2.3.1 结构模拟

FPSO上部模块结构应用海洋平台结构设计软件SACS进行有限元分析，结构计算模型见图6。模块承受荷载包括结构自重、设备重力、风载、船体运动引起的惯性力，并考虑船体变形的影响。

图6 模块V改造结构模型

改造中，有20个新增基座是不焊接固定于船体主甲板的活动基座，因此在模块支腿与船体主甲板之间建立虚拟杆件，将这些杆件模拟成只承受压力的GAP单元。对于与活动基座相连的支撑杆件，其侧向水平向约束能力有限，有效支撑长度需进行合理修正。

2.3.2 计算结果分析

对模块进行操作工况、极端工况分析，分析结果见表1。结果显示，新增外扩甲板结构杆件强度满足规范要求，但原模块甲板中间新增斜板设备橇位置处的甲板结构梁（H300×300和H300×150）、立柱支撑（H250×250）的UC大于1.0，外扩甲板设置水平拉筋的原模块立柱（H300×300）UC大于1.0，需进行局部结构加强。

表1 结构计算结果

2.4 结构加强

根据计算分析，需进行局部结构加强杆件均为原模块结构，结构加强设计综合考虑杆件受力特点和现场施工操作影响。

2.4.1 甲板梁加强

新增斜板设备处甲板主梁型钢（H300×300）主要承受设备荷载引起的弯矩My，有以下三种杆件加强方式：

（1）在型钢上面板或下面板补T形截面梁，增大杆件的抗y向弯矩的截面模数。从施工角度在型钢上面板补T形是最好的方式，不需要仰焊，施工方便，但设备安装高度将被抬高。

（2）替换杆件为截面属性更好、几何尺寸更大的型钢。现场施工需掀开甲板，将原H300×300型钢切除，焊接替换型钢。这样主梁完整贯通性被破坏，新替换型钢与原主梁连接处需格外注意。另外周围都是管线、设备，型钢质量大，就位存在很大难度。

（3）H型钢焊接钢板封BOX，这种方式增大杆件截面面积，抗剪、抗弯能力都有所提高，但y轴抗弯模数增加有限。

2.4.2 支撑立柱加强

原模块支撑立柱杆件补强需考虑临侧设备、管线的影响，可选增强措施如下：

措施11 立柱杆件两侧补T形截面梁，但杆件尺寸增大，与附近的设备、管线发生干涉。

措施22 更换立柱型材，施工中需设临时支撑，施工繁琐，并且位置在油舱上方，不能焊接于船体主甲板。

措施33 立柱撑杆H型钢焊接钢板封成BOX截面梁，这种方式增大杆件截面面积，抗剪、抗弯能力都有所提高。

2.4.3 结构加强结论

经分析，甲板主梁下面板补T形截面梁进行结构加强，支撑立柱封BOX梁进行结构加强。对上述杆件进行模型修改，有限元计算结果显示，按照上述方式加强后的结构强度满足要求。

2.5 安装问题

海上安装施工装备一般有两种选择：浮吊和平台/FPSO的吊机。其特点如下：

（1）大型浮吊起重能力强，实际起重质量一般大于2 000 t，但资源少，日费率高。中小型浮吊，实际起重能力一般为300～1 000 t，日费率相对低。

（2）平台/FPSO吊机，起重能力最小。本文中FPSO为10 t（16 m回转半径），日费率最低。

根据统计，左舷新增甲板结构和设备的整体吊装质量约162.5 t；右舷新增甲板结构和设备整体吊装质量约140.6 t。从吊装质量和吊装费用等方面考虑，本改造项目采用FPSO吊机进行海上安装。

2.5.1 新增结构安装

新增外扩甲板模块结构质量约36 t和46 t，FPSO吊机无法对新增甲板模块进行整体吊装，只能提前将结构钢材下料后装船运输，利用FPSO吊机吊装至船体主甲板进行组对焊接安装。

2.5.2 新增设备安装

根据污水处理设备质量信息，FPSO上的吊机无法进行设备整橇吊装。在外扩甲板结构海上安装后、设备运输之前将设备分解成小模块，出海后利用FPSO吊机吊装至模块平台后连接成橇，滑移就位。

2.6 干涉问题

模块改造如果是新增外扩甲板结构，FPSO主甲板上的探测井窗口、测量孔、舱口盖、仪表气管线都有可能影响新增模块立柱的生根，需在改造设计启动之前进行海上现场调研，准确定位这些潜在干涉物位置，在设计中合理布置，避让干涉物。

对于安全通道，在满足安全规范要求前提下，可根据模块改造的需求进行重新布置。紧密联系现场调研结果，避免与结构、甲板上的探测井等干涉。

如果情况是原模块局部结构加强以及增加斜撑杆件，那么大型设备和管线桥架等干涉的可能性比较大。电缆、仪表气管线或桥架干涉可考虑改造施工时临时移动电缆、管线等位置，待完工后再恢复原位。如果是配管管线及设备干涉，最经济合理的方式是改变结构设计形式，避开设备或管线。

2.7 模块改造对船体影响

模块V改造新增设备质量225 t，操作质量达514 t，新增外扩甲板结构质量82 t，模块改造质量增加达596 t，超过了空船排水量的1%（约407 t），需对船体重新进行倾斜试验，进行船体稳性的校核计算。

结构强度方面，需对船体的总纵强度和船体甲板局部强度重新进行校核。

3 改造中注意的问题

由于FPSO设施形式与固定平台不同，主要由船体、上部模块组成。文中概述了FPSO上部工艺处理模块水系统扩容改造的结构设计，在FPSO模块改造中应注意以下问题［5］：

（1）应考虑尽可能减少施工作业难度；

（2）注重现场调研，根据调研实际情况调整设计方案；

（3）注重现场人员反馈情况，避免改造后现场操作、维修困难；

（4）注重与船体、其他专业间界面沟通，避免缺漏及重复。

4 结 论

随着海上油田生产的调整及新油田介入，FPSO原有的系统处理能力受到严峻考验，为充分利用现有资源，对FPSO进行改造必将成为解决难题的一个途径。“渤海世纪”号FPSO模块V结构改造与实践，为水系统扩容改造新增设备提供合理空间，满足其操作与维修需求，为油田的稳产和高产发挥了重要作用，也为以后油田FPSO改造提供有益借鉴。

［1］ 金强.秦皇岛32-6油田浮式生产储油船（FPSO）总体设计［J］.船舶，2003（2）：32-39.

［2］ 吴嘉蒙. FPSO模块支墩下甲板加强结构的快速设计方法［J］.船舶，2005（5）：29-32.

［3］ 邱伟强. FPSO甲板模块支撑形式的研究［J］.船舶，2002（6）：17-21.

［4］ 袁中立. FPSO的现状与关键技术［J］.石油矿场机械，2005（12）：24-29.

［5］ 王蓉.“海洋石油113”号FPSO永久复产水系统扩容改造［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

李彦丽（1982-），女，硕士，工程师，研究方向：海洋工程结构设计。

穆 顷（1981-），男，工程师，研究方向：海洋工程结构设计。

祖 巍（1987-），男，工程师，研究方向：海洋工程结构设计。

杨肖龙（1984-），男，工程师，研究方向：海洋工程结构设计。

安振武（1981-），男，工程师，研究方向：海洋工程结构设计。