新型浮式钻井生产储卸油装置结构总强度分析

赵 静，刘 磊，姜福洪，杨志刚，谢 彬，王世圣，喻西崇，赵晶瑞

(1. 大连船舶重工集团设计研究所有限公司，辽宁 大连 116021；2. 中海油研究总院， 北京 100028)

新型浮式钻井生产储卸油装置结构总强度分析

赵 静1，刘 磊1，姜福洪1，杨志刚1，谢 彬2，王世圣2，喻西崇2，赵晶瑞2

(1. 大连船舶重工集团设计研究所有限公司，辽宁 大连 116021；2. 中海油研究总院， 北京 100028)

目前我国深水海域处于开发早期阶段，较适合采用既有钻井功能又集成了采油、储油功能的浮式生产钻井储卸油装置(FDPSO)，作为独立生产装置，可以大幅降低油田初期开发费用。选取一种新型的八角形FDPSO结构，基于深海环境条件和装载工况，建立整体结构数值模型，依据三维辐射绕射理论和谱分析法计算波浪载荷，确定设计波参数，将设计波载荷传递到整体结构有限元模型，最终得到了总体结构的应力分布规律。研究结果可为我国深远海油气田早期开发的FDPSO结构设计提供理论参考。

浮式钻井生产储卸油装置；设计波方法；有限元模型；总强度分析

0 引 言

我国海域是国际公认的三大强风暴恶劣海域之一，约70%的油气资源蕴藏于深水区域。在深水油气市场开发的前期，如果还是按照常规的开采方案，即先钻几口井然后连接浮式生产储油卸油装置(FPSO)的传统模式，将会导致成本投入过高，并且无法快速收回投资。为了解决此类问题，诞生了一种新型的浮式钻井生产储卸油(FDPSO)模式。FDPSO是集钻井、生产、储油及卸油等基本功能于一身的可移动浮式装置，综合了FPSO和钻井船(平台)的特点，适于深水油气田勘探开发初期、油田离岸距离远、无依托设施以及环境条件恶劣等情况。FDPSO作为海洋工程装备市场的新型产品，引起了国内外很多公司的重视，相关的研究和设计也在蓬勃开展。目前，国外设计公司推出的FDPSO主要有圆筒形和船型；我国有专家提出了一种与类筒形性能相近的八角形FDPSO概念[1-2]。

本文立足于我国深海油气资源开发，选择新型的八角形FDPSO方案作为目标对象开展分析研究。深海海域具有强风大浪的环境特征，而八角形FDPSO作为创新性方案，外形较为特殊，既不同于传统的船型结构，也不同于常规的半潜式海洋平台结构。这些特点都给结构设计和结构安全性分析带来了较大的挑战。

本文针对新型八角形FDPSO，依据深海环境条件和设计工况，建立整体结构的有限元数值模型，基于三维势流理论和谱分析方法计算波浪载荷，搜索设计波参数，将载荷传递到结构模型，得到整体结构上的应力分布规律。

1 分析对象

本文研究的八角形FDPSO，整体结构有限元模型由板单元及梁单元组成，其中包括舱壁、甲板平台、船体外板、纵桁、横梁及加强筋等。根据海洋工程设计经验及相关规范的要求，船体板、甲板平台、纵横舱壁及大型桁材的腹板采用4节点和3节点的板单元建模，其网格大小按骨材间距设定；加强筋及桁材的面板等采用梁单元建模。图1和图2为八角形FDPSO的整体结构模型和俯视图。

图1 八角形FDPSO整体结构模型Fig.1 Finite element model of global structure of the eight-square FDPSO

图2 八角形FDPSO内部结构俯视图Fig.2 Planform of inside structure of the eight-square FDPSO

在建模中，FDPSO数值模型的质量属性与实际结构的装载工况保持一致。结构钢材的重量体现在结构模型中；大型设备的重量由SESAM软件中的设备功能模拟；管系及外舾等结构在模型中无法准确建模，通过调整材料的密度添加到板单元中；建立液舱模型用于模拟压载水。

在八角形FDPSO的总体结构强度分析中，结构有限元模型的建立精度决定其计算结果的准确度，所以结构模型应该严格按照结构图纸进行建模。但是受有限元网格划分的限制，对于肘板等小尺度构件，要在模型中完全模拟是困难的，因此本文在建立结构模型时，对于小构件按照规范的规定进行了适当的简化[3-4]。

2 分析方法

2.1 总强度分析流程

基于准静态分析方法，将八角形FDPSO结构所受的外载荷、重力载荷、运动引起的惯性力和液舱液体对舱壁的动压力施加到结构上进行有限元计算。使用SESAM软件集成的GeniE, Wadam, Postresp, Sestra和Xtract五个模块，完成计算模型的建立、波浪载荷计算、波浪诱导载荷统计分析、结构有限元计算和有限元后处理五项工作，计算模型包括结构模型、质量模型和水动力模型。基于设计波方法的结构总体强度分析流程见图3。

图3 总强度分析流程图Fig.3 Flow chart of global strength analysis

2.2 边界条件设置

在开展总强度分析之前，需要在八角形FDPSO的总体结构模型上施加边界条件。现实的海洋环境中，作用于海洋结构物的外部环境载荷是一个平衡力系，理论上可以不考虑边界条件。但是，在使用数值模拟软件开展分析计算时，为了消除其刚体位移，确保有限元结构分析解的收敛，还是需要施加边界条件。边界的施加位置，会根据海洋结构物和分析软件的不同而有所变化。通常做法是，边界施加的节点远离结构连接部位，避免影响连接区域的应力分布[3]。

以海洋工程领域中最普遍的半潜式平台为例，边界条件大都考虑施加在下浮体的上甲板或下甲板。通常在甲板上选取3 个节点，分别限制2 个自由度，如节点1 限制X、Z方向，节点2 限制Y、Z方向，节点3 限制X、Z方向，3个节点限制结构模型的6个自由度[3]。为了防止计算中出现刚体位移，本文在模型的底部基线平面内增加3个约束点，分别位于艉部的左右舷和艏部的中线处。具体的约束情况见表1。

表1 八角形FDPSO边界条件设置Table 1 Boundary conditions for eight-square FDPSO

2.3 设计波选取

八角形FDPSO作为一种新型海洋工程装备，其外形既不同于传统的船型，也不属于常规的半潜型，因此对于如何选取设计波的问题，目前还没有相关的规范和研究结果可以参考。本文从八角形FDPSO的船型和受力特点出发加以考虑。由于八角形结构近似于筒形结构，各个浪向下的受力比较均匀，对于半潜式平台最不利的横浪分离力和斜浪扭矩基本不会对八角形FDPSO造成危害性影响，因此，本文参照船体强度理论，选取船舯横剖面处的垂向弯矩(中垂或中拱)作为最危险的控制载荷条件，进行设计波的搜索与确定[5-6]。

(1) 基于浮体在波浪中运动的三维辐射与绕射理论，分别对两种环境条件(作业和自存)和两种装载工况(满载和压载)下的八角形FDPSO进行水动力性能计算，搜索各个浪向下的船舯横剖面垂向弯矩RAO曲线，将RAO曲线峰值作为危险波浪条件下的峰值RAOC，其对应的波浪周期作为设计波周期TD，所对应浪向作为设计波的浪向。

(2) 基于谱分析理论，将垂向弯矩响应进行短期预报，计算得到各个响应谱的谱矩及各特征值，进而得到最大垂向弯矩响应值Rmax。

(3) 根据美国船级社(ABS)规范的计算公式[5-6]，计算设计波的波幅

AD=(Rmax/RAOC)×FL，

(1)

式中:FL为载荷因子，取值范围为1.1～1.3。

按照以上步骤计算各个工况下具体的设计波参数，如表2所示。结果显示，生存工况的设计波参数大于作业工况，满载条件下的设计波参数大于压载条件。

表2 设计波参数Table 2 Design wave parameters

3 分析结果

总体结构强度分析的主要目标是得到各结构的名义应力，并根据载荷工况的结构许用应力值来评估结构尺寸设计的正确性，或根据应力的分布和大小提出结构的修改意见。

3.1 边界处支反力

实际上八角形FDPSO是一个漂浮结构，不需要施加边界条件。但是为了消除其刚体位移，保证有限元结构分析解的收敛，必须施加边界条件。在此需要提取支座处的支反力大小，以验证计算的准确性，三个支点处的支反力如表3所示。

表3 各支点处的支反力Table 3 Reaction forces of every support point N

由表3知，各支点处的支反力基本接近于零，即作用在浮体结构的外载荷是平衡力系，证明了计算的可靠性。

3.2 许用应力

对于FDPSO结构的总强度校核，根据ABS规范，应对板单元的等效应力进行校核。等效应力σeq应不超过FY/FS(FY和FS分别为材料屈服点和安全系数)，其定义为

(2)

式中：σx为沿X方向计算得到的面内应力；σy为沿Y方向计算得到的面内应力；τxy为计算得到的面内剪切应力；该FDPSO的结构主要采用高强度钢制造，钢材的屈服点FY为355 MPa; 安全系数FS对于静态载荷取1.43，对于组合载荷取1.11。

3.2 强度分析结果

根据确定的设计波参数，对该FDPSO进行了总体结构有限元分析，获得了在不同工况下平台结构的总体应力分布以及主要结构的应力分布和最大应力的作用位置。表4为生存压载和生存满载两种工况下的最大应力及其位置。可以看出，八角形FDPSO在各种装载工况下的最大应力结果均小于规范要求的许用应力，说明这种新型FDPSO的结构设计方案比较合理。

同时注意到，压载工况下各处结构的最大应力值均大于满载工况下的应力值。结构应力云图较多，在此只给出生存压载工况下的结构强度应力云图，如图4～7所示。从图中可以看得出，为结构最大应力值出现在水平强框架与月池的连接区域，在后续的设计中需要考虑此处结构适当增加板厚。同时，由于压载舱较深(达到20多米)，压头较大，液舱舱壁上的竖向加强桁材及水平桁材应力较大，应在竖向设计多层水平桁材并加大水平桁材的宽度，以加强并支撑竖向桁材。

表4 生存工况结构最大应力汇总Table 4 Maximal structure stress of survival condition MPa

图4 横剖面结构应力分布云图Fig.4 Von Mises stress of transverse sections

图5 纵剖面结构应力分布云图 Fig.5 Von Mises stress of longitudinal sections

图6 船体板结构应力分布云图Fig.6 Von Mises stress of shell

图7 水平强框架应力分布云图Fig.7 Von Mises stress of stringer

4 结 语

本文重点针对一种新型八角形FDPSO，建立整体结构有限元数值模型，基于设计波方法，计算不同工况下的结构总强度，最终得到八角形FDPSO总体结构应力分布规律。对于新型FDPSO结构分析方法进行了初步探讨，为我国自主设计和建造FDPSO奠定了一定的技术基础。主要结论如下：

(1) 八角形FDPSO的整体结构在各种工况下结构最大应力值均小于许用应力，符合规范要求，因此新型八角形FDPSO方案的结构设计较为合理。

(2) 由于压载工况下FDPSO液舱填充不均匀，结构受到的液舱压力比满载工况下大，因此压载工况下的结构最大应力值大于满载工况的应力值。

(3) 八角形FDPSO结构最大应力值出现在月池结构与水平强框架的连接位置，在后续设计中需考虑在此处增加板厚。

(4) 不同的装载工况下，FDPSO同一位置处的应力大小和分布均不同。因此，在后续设计中需要综合分析各装载工况的应力结果，才能真实反映FDPSO结构总体应力分布和最大应力出现位置。

[1] 范模，王春升，张理，等.八角形浮式生产储油装置关键技术与应用探索[J].中国海上油气，2008, 20(3)：195.

[2] 范模，崔玉军.一种海上浮式油气生产与储运装置：中国，ZL 200520113909.4[P]. 2006-11-22.

[3] 王世圣,谢彬,谢文会.深水半潜式钻井平台总体强度计算技术研究[J].石油矿场机械，2009, 38(5): 1.

[4] 李阳，时忠民，谢彬，等.典型张力腿平台整体结构强度分析方法研究[J].海洋工程装备与技术, 2014, 1(1): 3.

[5] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units [S]. 2006.

[6] American Bureau of Shipping. ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2001.

StudyonGlobalStrengthoftheNewFloatingDrilling,Production,StorageandOffloadingStructure

ZHAO Jing1, LIU Lei1, JIANG Fu-hong1, YANG Zhi-gang1, XIE Bin2,WANG Shi-sheng2, YU Xi-chong2, ZHAO Jing-rui2

(1.DalianShipbuildingIndustryEngineeringandResearchInstituteCo.,Ltd.,Dalian,Liaoning116021,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Nowadays, the deep water in China is in the early developing stage, and it adapts for floating drilling, production, storage and offloading structure (FDPSO), which integrates the functions of drilling, production and storage. FDPSO can reduce much expense for early development of oil field. In this paper, a new-style eight-square FDPSO is studied. Based on the complex environment in deep water and the load cases, the global structure model is built. According to the three-dimensional potential flow theory and spectra-based analysis method, the wave loads are calculated and design wave parameters are decided. By transferring the design wave loads to global structure model, the structure stress is obtained. The calculation results can provide theoretical reference for the design of FDPSO working in the oil fields of deep water.

floating drilling, production, storage and offloading structure; design wave method; finite element model; global structural strength

TE952

A

2095-7297(2015)01-0006-06

2015-01-09

国家重大科技专项(2011ZX05026-006-04)

赵静(1983-)，女，博士，工程师，主要从事海洋工程结构与水动力分析方面的研究。