FPSO船体结构设计要点

2016-01-18罗晓明

船海工程 2015年5期

关键词：船体结构设计

FPSO船体结构设计要点

罗晓明

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

摘要：针对FPSO船体结构与一般船舶结构的不同之处，总结FPSO船体结构设计中总纵强度、疲劳强度设计要点，同时对关键结构(如底部结构、舷侧结构、甲板结构以及上部模块支墩等)设计的要点进行了阐述。

关键词：FPSO；船体；结构设计

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.032

中图分类号：U662；P751

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0117-05

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一罗晓明(1978-)，男，硕士，工程师

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:船舶与海洋工程结构

E-mail:luoxm@cnooc.com.cn

FPSO是海洋石油开发的核心设施，中海油的FPSO分别用于渤海湾和中国南海。为防止因海损泄漏原油而污染海洋环境，FPSO船体遵照IMO对常规运输油船关于货油舱和专用压载水舱的规定，进行总体布置和结构设计。中海油FPSO船体结构具有下述特点。

1)纵骨架式结构。参与总纵弯曲的构件多，对提高总纵强度有利。

2)强框架。每4个肋位设1道强框架，用来作为纵向构件的支点。

3)双舷侧。货油舱范围内，舷侧舱作为专用压载水舱。

4)双层底。由于渤海湾水深较浅，FPSO的摇摆及升沉运动易造成触底，设置双层底。

FPSO船体虽然与船舶相似，但由于其作业环境及功能的特殊性，其结构设计须满足船级社海洋工程规范的要求。

1FPSO结构分类

在海洋工程规范中，海洋工程结构通常被分为特殊结构、主要结构以及次要结构，FPSO设计中对于不同于常规航行船舶结构、为实现FPSO作业功能而特殊设计的结构统称为特殊结构；结构分类中的特殊结构与常规分类有所不同。

根据规范要求，如果结构构件承受较高应力而发生疲劳破坏风险较大且发生破坏可能产生严重后果，则定义为特殊结构；如结构虽发生结构破坏风险较低，但构件破坏即会产生严重后果，则定义为主要结构；如结构破坏不会产生严重后果，则这类结构定义为次要结构。

FPSO船体结构分类中，特殊结构通常包括内转塔加强、单点支撑结构、模块支墩、甲板克令吊基座、火炬塔加强、外输绞车加强及拖曳加强等结构高应力区范围内的构件。同时，甲板边板、舷顶列板等船体构件也通常被定义为特殊结构。

结构分类中的主要结构通常包括单点内转塔加强、单点支撑结构、模块支墩、甲板克令基座、火炬塔加强、外输绞车加强、拖曳加强等结构高应力区范围以外的构件，以及管支架的支柱、直升机平台支撑结构等。同时，参与总纵强度的船体纵向构件一般也定义为主要结构。除特殊结构和主要结构外的结构定义为次要结构。

2总纵强度设计

FPSO船体结构的总纵强度用于评价船体梁承受总纵弯距与剪力的能力。其载荷包括静水载荷与波浪载荷两部分：静水载荷是指船体在静水中所承受的载荷，主要是因船体自身重量、装载分布与静水浮力的共同作用产生；波浪载荷则是船体在波浪中由于波峰与波谷的作用，沿船长浮力分布的不均匀造成的载荷，主要由波浪浪高、周期等参数决定。

按照船级社规范要求，对于航行船舶，总强度设计中应用的设计静水载荷与波浪载荷都可根据船体主尺度按照规范公式计算得到，其中波浪载荷公式是基于20年一遇(10-8概率水平)的北大西洋平均海况；但对于固定于特定海域作业的FPSO，其总强度设计静水载荷与波浪载荷一般要求经水动力直接计算得到。

由于FPSO通常在船中货油舱区甲板上布置上部模块，加上货油舱和多数压载舱也分布在该区域，因此FPSO在静水中多数处于中垂状态。设计最大中垂弯距通常远大于最大中拱弯距，即FPSO设计中中垂状态通常是结构总纵强度的控制工况。在FPSO上部模块重量较大的情况下，其中垂状态下的设计总纵静水载荷可能会远远超过同等主尺度的航行船舶按规范公式计算得到的静水载荷，只能结合实船重量分布以及极端装载计算得到[1]。

根据规范要求，FPSO设计波浪载荷应基于作业海域100年一遇(10-8.7概率水平)的波浪参数(包括有义波高、平均跨零周期等)通过水动力直接计算长期统计预报求得。根据不同作业海域的海况环境条件，FPSO设计波浪载荷可能远低于同等主尺度的航行船舶按规范公式计算得到的波浪载荷，也可能大大高于该规范公式计算值。

因此，FPSO船体总强度设计中，必须结合作业海域的波浪环境条件特点，合理选取波浪载荷设计值，结合静水载荷数据，设计出具备恰当剖面模数的中剖面结构，在满足船级社总纵强度规范要求的前提下，获得较小的中剖面面积，从而减少结构用钢量。

3疲劳强度设计

FPSO船体结构需常年在固定作业海域，长期承受波浪载荷的周期性作用，在钢质结构上产生周期循环的交变应力，长期累积后，可能造成某些构件连接节点处的疲劳裂缝并持续扩展最终导致结构断裂破坏，从而影响FPSO的海上作业安全。FPSO的疲劳强度设计一般反映为关键节点的计算疲劳寿命不得低于设计疲劳寿命，设计疲劳寿命等于FPSO的设计寿命与船级社规范和船东规定的疲劳设计安全系数的乘积。

疲劳强度校核中的两个基本要素是周期循环的交变应力变化范围和该应力范围的循环次数。应力变化范围越大，循环次数越多，则疲劳累计损伤越大，疲劳寿命越短。对于FPSO来说，疲劳强度设计考虑的周期性交变应力主要是由波浪载荷、湿表面波浪压力，以及波浪作用所产生的运动加速度导致的惯性载荷导致，上述载荷一般即作为FPSO疲劳强度的设计载荷。按照船级社规范规定，FPSO船体构件采用的疲劳设计载荷应基于10-4概率水平的海况条件，根据其波浪谱、波浪散布图做水动力直接计算经长期统计预报得到[2]。

由于构件不连续产生的应力集中会几何放大应力水平，即增大应力变化范围。因此，在同等波浪环境条件下，载荷循环次数相同，存在应力集中的区域因其应力变化范围较大而疲劳寿命较短；也就是说，疲劳设计应主要关注产生应力集中的构件不连续节点，如甲板开孔、纵骨穿越横舱壁或强框架连接节点、强框架桁材肘板趾端、模块支墩、内转塔加强、软钢臂式单点加强等特殊结构[3]。

4底部结构设计

FPSO不属于航行油船，不必满足MARPOL关于油船双壳保护的要求，因此FPSO货油舱区的底部结构可根据作业海域的水深特点常设计为单层底结构；对于水深极浅，水深吃水比不满足规范要求(不低于1.3)的FPSO，为避免由于船体在风浪中横摇、纵摇、升沉等运动发生碰底导致的漏油等环境污染事故，可将其船底设计为双层底结构。

FPSO货油舱区底部结构通常由底板、纵桁以及由底部强肋板支撑的T型材纵骨组成。在船中区域，底部结构主要由总纵强度和液舱局部强度共同控制构件尺寸。如采用单层底结构，剖面中和轴更接近型深中点，中剖面底部模数裕度较小；如设计为双层底，由于底部纵向构件面积大幅度增加，剖面中和轴偏向底部，因此中剖面底部模数裕度较大。为满足总纵强度并减轻钢料重量，通常底部一定高度范围内纵向构件取为高强度钢；如采用双层底结构，通常双层底范围内纵向构件都取为高强度钢，但内底板可采用普通钢。底部纵骨在波浪弯距作用下产生周期交变应力，因此与横舱壁和横向强框架连接节点处应校核其疲劳寿命是否满足设计疲劳寿命要求。在满足规范要求的前提下，还应注意在油舱或压载舱液泵吸口区域的底部纵桁、横向强肋板以及纵骨上设置足够的流水孔，以保证货油泵或压载泵工作时的流量要求。

对于艏部区域底部结构，应根据规范要求校核底部抨击强度。对于某些可能在船艉部发生底部抨击的FPSO，还应在艉部的底部结构设计中考虑抨击加强；对于机舱区域的底部结构，通常应设计为双层底结构。如货油舱区也设双层底，则机舱内底应与货油舱内底平齐或经斜板过渡与货油舱内底对齐，并向艉部或艏部适当过渡。机舱底部构件尺寸基本根据其舱室布置和平台设计压头，由局部强度决定构件尺寸。

对于内转塔式单点系泊的FPSO，其转塔舱区域底部应设计与内转塔匹配的底部开孔，该开孔周边区域的结构材料、构件尺寸、焊缝连接等都应按规范要求进行特别处理。

5舷侧结构设计

FPSO货油舱区舷侧一般设计为双壳结构，双壳之间空间设计为压载舱。该双壳结构由外板、内壳纵舱壁板、水平纵骨、开孔平台以及横向强框架肋板和水密横舱壁组成。外板与内壳纵舱壁之间距离应满足油船双壳最小宽度要求。舷侧水平桁平台高度应与货油舱横舱壁水平桁对齐，并根据舱段有限元分析结果在靠近水密横舱壁附近区域加厚。为满足舷侧外板纵骨焊缝的建造和运营中永久检验通道的需要，水平桁平台之间的高度如超过6 m，则建议在两层平台或平台与主甲板之间设置钢质永久性检验通道，该通道距离其上方最近处平台高度一般不超过3 m。为了控制FPSO满载状态下的中垂弯距，内壳纵舱壁也可设计为在船中局部区域沿船长方向向内(船体中心线)弯折，以减小船中区域的设计静水弯距，见图1。

图1　折线形舱壁示意

货油舱区舷侧结构由总纵强度和局部强度共同控制构件尺寸。其中，舷侧顶部靠近甲板区域和底部(包括舭部)区域采用高强度钢，内壳纵舱壁在顶部靠近甲板区域还应考虑货油舱内晃荡压力对构件做适当加强。内壳纵舱壁和舷侧外板是总纵剪切的重要承载构件，他们在货油舱首尾端部总纵剪切载荷最大区域应加强；同时，内壳纵舱壁与货油舱区域水密横舱壁连接局部区域也需作剪力修正校核，以确定是否需局部加强。水线附近舷侧外板纵骨承受最大周期交变波浪压力，因此该区域纵骨与水密横舱壁以及横向强框架连接节点是疲劳关键节点，应结合疲劳校核结果设计纵骨构件尺寸并合理设计连接肘板型式。

货油舱区以外范围舷侧结构可根据布置需要设计成单壳或双壳结构，构件尺寸基本由局部强度决定，同时应保证货油舱区内壳纵舱壁在终止处向艏(或船艉)部合理过渡，以传递总纵载荷。对于艏部舷侧结构，还应根据规范要求考虑首部拍击载荷对构件尺寸进行加强。

6甲板结构设计

FPSO货油舱区甲板结构由甲板板、甲板纵骨、局部纵桁与甲板强横梁组成。甲板结构基本由总纵强度控制构件尺寸，对于少数可能承受较大局部载荷的区域(如吊货平台等)还需进行局部强度校核。考虑到FPSO中垂弯距远超过中拱弯距，中垂状态下甲板受压缩应力，甲板构件的屈曲强度必须在设计中给予重视。

主甲板强横梁需根据舱段有限元分析的结果合理设计构件尺寸，对于模块支墩下的强横梁，分析时还应考虑上部模块载荷的影响。

主甲板由于承受波浪弯距作用，容易在结构不连续处因应力集中产生疲劳问题。因此，在甲板设计时，必须合理规划和布置甲板开孔、各类支架垫板等，以避免多个应力集中相互叠加造成疲劳破坏。

7模块支墩设计

模块支墩结构是上部模块与FPSO船体主甲板之间的连接结构。由于上部模块支腿间距较大且布置在于整个FPSO货油舱段主甲板上，在模块支墩结构设计中除了考虑上部模块自身重量、惯性力及风载等载荷的同时，还应注意船体总纵弯曲变形的影响。为了最大程度地消除船体梁弯曲变形带来的影响，常用的模块支墩设计中对于单个模块一般只沿船宽方向设置一排固定式支墩(见图2)，而另外的模块支墩都设计为滑动式(见图3)。

图2　模块固定支墩

图3　模块滑动支墩

FPSO设计中，必须在初期即根据货油舱纵骨间距和强框架间距，将模块支腿布置于强框架(或横舱壁)和纵骨(或纵舱壁)交叉位置，以保证模块支墩支撑结构的强度[4]。

8单点加强设计

FPSO系泊方式一般分单点系泊或多点系泊两种。多点系泊多应用于环境条件特别缓和的海域，通过设于船艏和船艉且左右两舷的锚链将船体固定；单点系泊则应用更为广泛，一般通过设于FPSO艏部的单点系泊系统将船体固定，FPSO可在作业海域风浪流综合作用下自动保持在迎浪方向，形成风标效应。单点系泊又可分为内转塔和软钢臂式两类，其中内转塔式系泊系统一般将系泊转塔内置于FPSO船体艏部区域，船体通过转塔顶部与底部支撑结构与锥形或柱形转塔连接；软钢臂式系泊(也可称为外转塔)则是通过设置于FPSO艏楼甲板上的外伸大型钢架将船体结构与固定于海面上的浮筒(转塔)连接，在极端条件下可解脱。

内转塔式单点系泊通过转塔底部与顶部构件与船体连接，再经由辐射状分布的船体支撑结构承受系泊载荷。软钢臂式单点系泊通过位于艏楼甲板上大型钢架结构连接外置的浮筒和FPSO船体。钢架结构通常设计为对称分布的纵向与横向框架，并经由位于首部甲板上的若干根大直径钢管与艏楼甲板连接[5]。结构连接点应设于艏楼甲板下纵舱壁(或纵桁)与横舱壁(或横梁)交叉处，大直径钢管可插入艏楼甲板并下延伸1至2层甲板高度，也可以并通过十字交叉并对齐甲板下纵横强力构件的大肘板连接并终止于艏楼甲板上。

因此，单点系泊加强需根据作业海域特点与选取的单点系泊型式，合理设计对应区域的加强结构以提供足够的支撑。

9甲板上浪设计

对于采用单点系泊的FPSO，由于风标效应，FPSO船体处于迎浪状态。因此，FPSO的甲板上浪主要考虑艏部区域。根据船级社海洋工程规范要求，该区域甲板上浪载荷计算公式与航行船舶相似，但载荷系数较大，设计上浪载荷更大。同时，根据以往模型试验和水动力数值分析的结果，FPSO艏部以后区域舷侧也可能发生甲板上浪，影响此区域甲板布置的设备和通道安全，还应设计适当的挡浪结构[6]。

对于多点系泊的FPSO，其船体还可能处于斜浪甚至横浪状态，即FPSO全船甲板都可能受到上浪影响。因此，必须根据模型试验和水动力数值分析的结果，合理设计干舷高度，并设置适当的保护结构，确保布置在甲板上的各类设备以及人员通道安全。

10结束语

综上所述，FPSO船体结构设计不同于普通航行船舶，在设计基础、环境条件及分析方法等诸多方面都具有海洋工程结构独有的特点。设计中必须牢固树立海洋工程结构设计的理念，遵循海洋工程设计的规范标准，以保证FPSO的结构安全，避免因船体结构破坏产生巨大的人员和财产损失以及海洋环境污染事故。

FPSO经常变化的载油量和船体吃水，使船体的受力不同于常规运输油轮。对于在环境条件恶劣海域服役、台风期间不解脱的FPSO，其承担的负荷远大于常规运输油轮。因此，从安全、环境保护等角度考虑，FPSO的船体应设计得更加坚固、可靠，稳性、耐波性应更优。

参考文献

[1] 江建协,何炎平,谭家华,等.30万吨FPSO结构强度分析研究[J].船舶工程，2005(5)：51-54.

[2] 杜嘉立,杨盐生,郑云峰.船舶疲劳强度[J].大连海事大学学报，2002(4):25-28.

[3] 王甲畏，王德禹.基于热点应力的FPSO焊接结构疲劳问题研究[J].船舶工程，2005(1):62-66.

[4] 金晓剑.FPSO最佳实践与推荐做法[M].青岛:中国石油大学出版社,2012.

[5] 徐亦斌，肖熙，赵耕贤.内转塔式FPSO局部强度分析研究[J].中国海洋平台，2004(3)：17-19.

[6] 李俊，杨建民，梁修峰，等.FPSO甲板上浪试验研究[J].中国海洋平台，2007(5)：10-13.

On the Key Points of Hull Structural Design of FPSO