FPSO抗船舶碰撞工程设计分析

徐田甜

中国海洋石油国际有限公司，北京 100027

超大型FPSO（浮式生产储油装置）是西非近海油田开发的重要工程设施，其生产作业的最大海洋环境风险是与外输油船、油田供应船和过往商船碰撞而导致溢油事故，且多点系泊FPSO比单点系泊FPSO发生船舶碰撞的风险更高[1]。FPSO原油外输模式、抗船舶碰撞设计理念是FPSO健康、安全和环保设计考虑的重要因素。船舶碰撞风险分析结果对海上油田总体布置、FPSO总体布置、主船体、保护架、靠船和登船等设施设计都有重大影响，日益受到各石油公司和FPSO工程总承包商的重视[2]。

本文以西非近海一艘深水超大型FPSO为例，结合其所属公司的企业标准，介绍FPSO抗船舶碰撞设计理念、舷侧保护架、靠船区碰垫设计、主船体耐撞性评估等方面的技术要点和成果。

1 FPSO抗船舶碰撞设计理念

西非近海“全海式”开发油田通常在距离FPSO船尾约2 km处布置原油外输终端浮筒，外输油船系泊外输浮筒正常外输，从FPSO船尾串靠外输作为备用方案。为保护FPSO的原油货舱，FPSO主船体将防撞舱壁设在船尾的原油外输端，将隔离边舱布置在船中部的两舷侧。

FPSO所属公司企业标准要求FPSO船舶碰撞量化风险研究主要是对海上安装、生产、维修中的船舶碰撞事故及其后果进行系统分析，针对事故发生的可能原因和条件提出降低风险的技术措施，特别是从FPSO抗撞设计角度采取相应措施，设置多重安全屏障，确保船舶发生误操作或设备故障后，碰撞FPSO也不会导致溢油事故。风险分析危害识别应采用邻近海域油田FPSO周围半径10 n mile内的作业和过往船舶历史统计资料；事故后果分析采用“事件树”分析法；风险可接受准则为最低合理可行准则。

西非近海FPSO的立管、外输、系泊设施等的布置应考虑船舶碰撞风险；不允许将立管、电缆、泵的导管布置在船体内部，而应布置在舷外，并设抗撞保护设施。立管、电缆导管的支撑结构不能与其保护架共用船体基座，避免碰撞事故发生时的升级效应。FPSO供应船靠船区的舷侧结构应局部加强并加装碰垫，碰垫需用螺栓固定在舷外基座上，以便更换。FPSO的登船梯塔需用螺栓固定在舷外基座上，以便在碰撞事故后更换。

FPSO船舶碰撞工况应考虑一年一遇环境条件时的船体总纵弯矩、剪力和保护架上的水动力荷载，结构抗撞设计考虑正常操作和意外事故工况的碰撞动能。意外事故工况还应评估FPSO上部模块、火炬塔上的加速度和主船体破损后的剩余强度。FPSO抗撞保护设施应按NORSOK N004、DNV RP C204和C208规范设计（见表1）。船舶碰撞量化风险分析应确定外输油船、成品油船和供应船的技术参数和各级事故工况的结构耐撞动能（见表2）。

表1 FPSO抗撞保护设施设计要求

表2 FPSO船舶碰撞风险分析计算耐撞动能事故工况

2 FPSO舷侧保护架设计

2.1 保护架布置

FPSO船体总长×型宽×型深尺寸为330 m×61 m×33.5 m，拖航吃水7.5～12 m，海上安装时最小吃水9 m；生产作业吃水10.65～25.81 m；破损工况吃水27.6 m，最大横倾20.81°。FPSO采用“4×4”多点系泊，水下立管、电缆、系泊、外输和泵护管布置在左、右舷外。舷侧保护架、船体基座质量分别为2355 t和733 t。FPSO船体在韩国建造完工后拖航至西非，保护架在西非建造和安装。FPSO建造、远洋拖航、总装施工期间，在左、右舷侧的永久船体基座上各安装3个临时保护架，以便拖船顶推；临时保护架设计许用拖船推力为588 kN，临时保护架总质量为326 t。各种舷侧保护架概况见表3。

保护架布置设计考虑FPSO浮态、供应船外轮廓和吃水、船体运动、立管廊及舷外各处突出操作平台外轮廓等。立管廊、系泊区突出的次要舾装平台、梯道等不计入抗撞设计考虑范围。为避免保护架被撞受损后坠落导致水下设施发生次生事故，在每个船体上基座与保护架主撑杆之间设3 m长的保险链（见图1）。

表3 FPSO E舷侧保护架概况

图1 FPSO E左舷船尾系泊和外输保护架布置

为了尽量减小船体舷侧上的海洋工程范围，每个保护架设4个船体基座，船体基座全部支撑在强肋位或横舱壁上，船体上、下基座距船底的高程分别为23.4 m和15.3 m，尽量将各保护架及船体基座设计标准化。按企业标准要求，保护架及船体基座外部结构取3 mm腐蚀余量，基座的鞍座、槽口、卡箍、止升爪和保险链耳座等特殊结构取6 mm腐蚀余量。

保护架最高处比FPSO最大作业吃水高4 m，最低处比FPSO海上安装时的最小吃水低4 m。系泊保护架最低处考虑FPSO破损工况横倾时保护架底部与系泊链导链器之间的安全间距。临时保护架最高处比FPSO最大拖航吃水高5 m，最低处比FPSO最小拖航吃水低5 m。

保护架既要便于安装，又要便于被撞受损后的拆换。保护架与船体上基座环形槽口之间设20 mm装配间隙，上基座处承受保护架全部垂向荷载，在每个上基座的鞍座处采用4个可拆卸止升爪及间隙调整板锁紧；下基座处为卡箍，仅从水平方向对保护架限位。即使保护架和船体基座的建造精度都满足规范要求，也难以绝对保证单块间隙板能使保护架顺利锁紧在上基座上，故详细设计改进了上基座的鞍座锁紧设计，在环形槽口内插入4组相互配合的2块楔块（见图2）。

图2 保护架上基座处楔块和止升爪

FPSO基本设计：在左、右舷外分别布置34根立管、电缆导管，相邻导管纵向间距3.3 m，导管采用上、下部分体结构形式，立管、电缆的上部导管和保护架共用船体上基座（见图3），以尽量减小FPSO舷侧上的海洋工程范围。详细设计因立管设计方考虑水下跨接立管、电缆在百年一遇极端环境工况时的避碰要求，改为在FPSO左、右舷外分别布置25根整体式立管、电缆导管，相邻导管纵向间距5 m，并将导管和保护架的船体上基座完全分开（见图4），提高船舶碰撞和火灾事故时的安全性。

图3 分体式导管和保护架共用船体上基座

图4 整体式导管和保护架船体上基座

2.2 保护架结构分析

船舶碰撞保护架为强非线性过程，舷侧保护架在受撞后产生弹塑性应变，吸收船舶碰撞动能，设计要求保护架要先于船体基座产生塑性应变或破坏[3-4]。钢材在高应变率下具有明显的动力特性，应计入应变率敏感性的影响。应用非线性结构动力有限元法分析模拟结构大变形、动力响应和材料的弹、塑性。

FPSO设计考虑供应船、外输油船的满载排水量分别为7500 t和20万t，船首和船侧碰撞工况的附加水质量分别取0.1和0.4倍排水量，设计船舶碰撞动能见表4。

表4 FPSO设计船舶碰撞动能

FPSO舷侧保护架非线性结构动力有限元分析考虑供应船船首或船侧垂直碰撞，假定供应船船体为刚体，FPSO吸收全部碰撞动能[5]。供应船船首碰撞位置分别考虑在保护架上产生最大变形、在保护架基座处产生最大界面荷载和校核保护架基座整体稳定性3类工况，有限元模型见图5。供应船船侧碰撞位置分别考虑保护架最高、最低和中心位置。计算各级事故工况吸收动能时选取供应船船首碰撞保护架中心位置工况。为准确计算结构塑性应变，材料的应力-应变双线性硬化特性按DNVRP C204规范取值。由应变率引起的材料屈服极限的提高采用Cowper-Symonds材料应变率敏感性模型，按DNV RP C208规范取值。

图5 供应船船首碰撞保护架有限元模型

舷侧保护架设计结果采用两项准则评判（见表5），即保护架被撞后与被保护设施之间间距不小于300mm；船体基座局部强度按BVNR455规范校核。船体基座处的FPSO船侧外板最大相对挠度小于1/500，仍在弹性应变范围内。保护架可吸收碰撞动能结果满足企业标准要求（见表6）。

表5 供应船碰撞保护架分析结果

表6 供应船碰撞保护架各级事故工况可吸收动能/MJ

2.3 船体基座及主船体整体结构分析

FPSO舷侧保护架的船体基座及主船体整体结构分析考虑操作、极端环境、FPSO破损和供应船碰撞工况，且考虑FPSO平浮和破损两种浮态，破损工况横倾角取25°；主船体的典型载况、总纵垂向弯矩、水平波浪弯矩等荷载按BVNR 445、NR 467规范取值。保护架上的水动力荷载按Morison Stokes第五阶波理论计算，运动加速度取FPSO水动力分析预报值。因西非近海海况较好，百年一遇的有义波高3.6 m，表层流速2 m/s，由波浪、海流和运动加速度在保护架基座上产生的纵向、横向和垂向最大界面荷载分别不超过供应船碰撞工况各向最大界面荷载的12%、13%和25%。供应船碰撞保护架时船体基座处的界面荷载取非线性结构动力分析结果（见表7），并考虑30%的冗余。

表7 供应船碰撞保护架时基座处最大界面荷载

舷侧保护架船体基座及主船体整体结构分析按BVNR 455、NR 467和DNVRP C201规范校核，并确定海洋工程加强范围和焊接设计；船体基座可产生塑性应变，但不允许断裂。船体上、下基座舷外结构疲劳安全系数分别为4.0和10.0，隔离边舱内结构疲劳安全系数为2.0。

保护架主撑管在船体下基座卡箍锁紧段内的外部焊缝应打磨平整。主撑管在卡箍内安装的偏心度允许误差为±6 mm，卡箍内的氯丁橡胶衬里厚度为13 mm，保证主撑管与橡胶衬里之间的最小间隙为2 mm。橡胶受压面对应的扇形角为60°，许用压应力为10.4 MPa。详细设计则根据橡胶强度设计要求，加大了卡箍内受压面的高度。

3 FPSO靠船区碰垫设计

FPSO左、右舷侧靠近主起重机处设供应船靠船区，分别考虑供应船船首侧碰撞和船尾碰撞船用橡胶碰垫，碰垫主要参数见表8。

表8 FPSO靠船碰垫设计主要参数

碰垫船体基座按企业标准取6 mm腐蚀余量，基座结构按BV NR 467规范校核；基座高度按供应船轮廓和碰垫变形校核，保证供应船与FPSO舷侧的间距至少50 mm。为确保FPSO在韩国和西非各码头系泊期间的舷侧结构安全，还在FPSO船尾与系泊趸船碰触区安装临时碰垫，并根据FPSO码头系泊分析确定所有碰垫受力，校核碰垫和船体基座强度。为尽量避免海上维修，在碰垫最高处加装高2 m、厚8 mm的钢板护罩，如图6所示。碰垫顶面的树脂垫可降低碰垫与供应船之间的摩擦系数；在FPSO码头系泊期间树脂垫如果有脱落，应在FPSO出海安装前修复。

图6 FPSO供应船靠船区碰垫布置

4 FPSO主船体耐撞性评估

FPSO由拖船从其船尾端进行远洋拖航，故按BV船级社规范，FPSO船首不设防撞舱壁；FPSO船尾端的防撞舱壁距离船尾封板10 m，船中部原油货舱的舷侧隔离边舱宽3.5 m。主船体耐撞性评估对未受到保护架保护的FPSO船首、船尾和供应船靠船区的舷侧主船体进行船舶碰撞非线性结构动力分析，计算各级事故工况时可吸收碰撞动能，计算结果见表9。

表9 FPSO E主船体各级事故工况可吸收动能

详细分析结果，供应船船首以6.4 MJ动能碰撞FPSO的船首时，FPSO船首外板可能破损，供应船船首最大撞入深度约0.59 m，如图7所示，故FPSO破舱稳性计算中采用此碰撞工况预测的船首破损范围。外输油船以设计动能碰撞FPSO船尾时，FPSO船尾封板破损，外输油船船首最大撞入深度约6.1 m，但输油船船首不会碰触FPSO防撞舱壁，如图8所示。供应船以7.5 MJ动能碰撞FPSO船尾和靠船区时，FPSO普通低碳钢和高强度钢船体外板可分别产生最大16.2%和12.3%的塑性应变，满足DNV RP C208规范要求。

图7 供应船撞破FPSO船首外板

图8 外输油船撞破FPSO船尾封板

5 结束语

对西非近海一艘超大型FPSO按所属公司企业标准的抗船舶碰撞设计理念，开展了船舶碰撞量化风险分析；合理布置了舷侧隔离边舱、船尾防撞舱壁、舷侧保护架和靠船碰垫等抗撞设施；对舷侧保护架、船体基座和主船体进行了船舶碰撞非线性结构动力分析，核实了保护架塑性变形后与被保护设施之间的间距，计算了保护架和FPSO主船体各级事故工况的结构耐撞动能，预测了FPSO主船体破损范围，验证了该FPSO舷侧隔离边舱和船尾防撞舱壁抗撞设计的可靠性。