深水FPSO内转塔结构设计及分析

王铭飞， 杜耀军, 宋亚新, 罗 勇, 付东明

(高泰深海技术有限公司， 北京 100029)



深水FPSO内转塔结构设计及分析

王铭飞， 杜耀军, 宋亚新, 罗 勇, 付东明

(高泰深海技术有限公司， 北京 100029)

内转塔系泊系统是船型FPSO运用最广泛的单点系泊方案。内转塔系统的核心是由集成在船体内、并可使船体自由转动的内转塔组成。有限元分析是内转塔结构设计的重要手段，目前工业界掌握内转塔分析和设计的公司较少，大部分技术和专利掌握在少数公司手中。该文提出了一种内转塔设计及分析方法，目标油田为南中国海深水海域，同时，较详细地描述了设计内转塔的方法和思路以及有限元计算的流程和特殊之处。分析流程和方法对于未来我国自主设计FPSO具有重要的意义，为我国未来完全自主设计FPSO积累了宝贵经验。

FPSO；内转塔；有限元分析；结构设计

0 引言

内转塔式FPSO(浮式生产、储油、卸油船)是目前海洋石油开发中常用的一种油田解决方案。FPSO本身抗风浪能力强、适用水深范围广、储油能力大，并可转移至新油田重复使用，是一种经济、可靠的海洋石油开发方式。目前，世界上已经运营的FPSO有多种形式，如：外转塔式、内转塔可解脱式、内转塔永久系泊式等，其中内转塔永久系泊式广泛运用于深水海域。

由于在深水油田，通常缺少完善的海底管道系统，而深水FPSO以其储油量大的特点，在深水油田开发中占有较大的优势。目前，世界上已有33艘FPSO运用于超过1 000 m水深的油田，尤其在巴西和安哥拉等地区应用广泛。这些成功运用的实例说明FPSO在深水具有一定的成本优势和稳定的可靠性。

该文提出了一种适用于中国南海1 500 m水深的内转塔永久系泊FPSO方案。整个方案的设计目标是经济性好、可靠性高，并能处理15根立管，抵抗500年一遇的环境条件。

内转塔是整个FPSO系统中最核心的结构，其主要功能有两个：一是通过与内转塔上连接的系泊系统，将整个FPSO固定在指定海域，并通过其特有的风向标特点，使FPSO船头始终朝向风浪流最大的方向，使整个系统受力最小；二是通过内转塔内部的滑环(Swivel)系统，将海底的油、水、液压管线、电力和信号与船上的油水处理系统、控制系统相连,保持管线在旋转状态下可正常工作。由于船体相对于内转塔始终处于旋转运动状态，所以内转塔需要布置很多滑环、管线和阀门，大大增加了内转塔的复杂性。

对于深水油田，永久系泊内转塔式FPSO有其特别的优势。早在20世纪80年代，永久系泊内转塔式就已经成功运用于油田开发，多年的经验已经证明其具有很高的安全性和可靠性。相比于可解脱式内转塔，永久系泊式内转塔特别适用于深水油田，理由如下：(1) 相比可解脱式内转塔，永久系泊式内转塔免去了解脱系统以及相应的解脱管线和阀门，所以结构相对简单，空间更大，容易维护；(2) 海上安装更加常规，降低了安装难度；(3) 操作更加简单，无需解脱和连接操作，相应的维护工作也会降低；(4) 设计时考虑了极端恶劣环境以及整个系统冗余度，可靠性更高；(5) 能容纳更多的立管和锚链，可以配套处理能力很大的FPSO，适合离岸较远的海域[1]。深水油田环境恶劣、离岸较远，海上设施较少，需要FPSO能够连接更多的立管、也需要更大的锚链系统。而永久系泊式FPSO非常适合深水油田开发。目前全世界最大的5个内转塔FPSO均为永久系泊式内转塔。

1 FPSO船体和环境条件

该文目标为设计一艘150 000 t存储能力的双壳双底FPSO，设计寿命30年，500年重现期作为极端设计海况标准。FPSO船体的主要参数见表 1，主要设计工况见表 2，环境条件见表 3。

表1 FPSO 的主要参数

表2 装载工况

表3 设计环境条件

图1 内转塔系统布置图

2 内转塔结构设计

内转塔位于FPSO船体的前部船体内，允许船体绕着内转塔旋转，产生风向标效应。内转塔的系泊系统为3×3常规锚链系泊系统，由锚链、钢缆及配重块组成。图 1为该项目设计的内转塔总布置图。

整个内转塔由以下几部分组成：内转塔系泊层、内转塔塔筒、内转塔轴承层、起重塔架、立管甲板、中间甲板、管汇甲板、设备甲板、轴承系统、系泊系统。

内转塔主体是一个圆柱型钢结构，下部由系泊系统连接海底，使FPSO可以绕内转塔旋转。整个内转塔通过主轴承和下轴承与船体相连。该设计方案中，轴承系统为定制大尺寸滚柱轴承，可满足500年重现期环境载荷，轴承承受的最大荷载可由有限元分析确定。

立管通过内转塔内的I-Tube到达立管甲板。立管甲板是内转塔工作甲板最下面的一层甲板，主要用于悬挂立管，立管的载荷从该层甲板传给内转塔；中层甲板位于立管甲板与管汇甲板中间，用于布置起重绞车和液压动力模块，该层甲板可360°转动以便安装立管和系泊缆；管汇甲板位于中层甲板上方，功能是布置管汇和清管器收发装置；滑环甲板位于管汇甲板上方，主要用于支撑滑环堆栈，所有的工作甲板均由内转塔支撑并与内转塔保持相对静止；起重塔架位于船体甲板之上，随船体一起绕内转塔转动，主要用于安装和拆卸滑环，并给各种管线经由滑环连通到船体油气处理模块提供结构支撑。

轴承系统主要分为两部分：主轴承和下部轴承。主轴承为定制大型滚柱轴承，主要功能为支持整个内转塔的垂向载荷及部分水平载荷。垂向载荷主要包括：内转塔系统自重、加速度引起的惯性力、系泊缆的垂向载荷及立管垂向载荷。水平载何主要包括：船舶运动引起的各种水平载荷。下部轴承为免润滑摩擦式结构，在静止状态下与内转塔有10 mm的间隙。当水平系泊力较大时，内转塔会与下部轴承产生接触，并产生水平载荷，分担一部分水平载荷。该方案中的内转塔最多可以承载15根立管。

3 内转塔载荷分析

内转塔在工作时同时受到多个载荷的作用，主要载荷分析如图 2所示，其中加速度主要由FPSO船体受到波浪力运动而引起。锚链载荷和立管载荷会随着FPSO船体的运动及流作用在立管和锚链上变化。主轴承和下轴承对内转塔有约束作用，使其跟随FPSO船体随风浪作用一起运动。

图2 内转塔载荷分析

内转塔载荷分析的主要方法为频域水动力分析和时域水动力分析。可用的水动力软件为：WAMIT，ARIANE和OracFlex。载荷分析流程如图3所示，分为三步：

(1) 船体水动力系数分析，通过频域分析方法获得FPSO船体的水动力运动系数，如运动RAO等，主要软件为WAMIT。

(2) 用于工况筛选的频域系泊分析。通过进行全部工况的频域系泊分析，包括考虑不同的装载工况，不同方向来的风、浪、流组合，找出最危险的工况，主要软件为ARIANE，筛选原则为：

(a) 当主轴承垂向力最大时，其对应的载荷；

(b) 当主轴承水平力最大时，其对应的载荷；

(c) 当主轴承弯矩最大时，其对应的载荷；

(d) 当下轴承水平力最大时，其对应的载荷；

(e) 当水平加速度最大时，其对应的载荷；

(f) 当垂向加速度最大时，其对应的载荷。

(3)根据筛选出来的工况，建立多体水动力分析模型，即将FPSO船体与内转塔做为独立浮体分开建立，并根据两者之间的约束关系进行约束。对此模型进行时域分析，找出上述筛选原则对应的载荷，根据需要分析的设计工况，找出每个工况对应以上原则最危险的几个关键时刻的载荷，设计工况见表 4。

图3 载荷分析流程

表4 设计工况

4 有限元分析

根据内转塔结构，建立详细的有限元模型，有限元分析软件采用ANSYS。有限元模型不仅模拟了内转塔、吊装塔架的整个结构、设备重量，而且将主轴承、下轴承之间的约束条件利用有限元接触单元进行了模拟。其中主轴承和下部轴承连接采用了实体单元模拟，板梁结构采用壳单元进行模拟，细长杆件采用梁单元进行模拟。整个内转塔有限元模型通过接触单元与船体模型相连，根据载荷分析的结果，将对应的载荷(主要为锚链载荷、立管载荷和加速度)加载到有限元模型上，进行有限元分析，该有限元模型通过接触单元可以真实地模拟内转塔与船体之间的相互连接作用。根据载荷分析的结果，将每个设计工况的几组载荷分别进行分析，该文给出的某一时刻的加载荷载情况见表 5，内转塔有限元分析模型如图 4所示，有限元分析结果如图 5所示。

根据全部工况的有限元分析结果发现，主体结构完全满足设计要求[2]，可以承受500年一遇重现期的极端恶劣环境。

表5 作用于有限元模型的载荷 (某一工况)

图4 内转塔有限元分析模型

图5 内转塔有限元分析结果

5 结论

通过研究分析内转塔式FPSO的转塔结构，并通过水动力软件和有限元软件的辅助，探索出一条FPSO内转塔的设计流程和分析方法。主要结论如下：

(1) 内转塔式FPSO拥有更大的直径，可以容纳更多的立管(10根以上)，具备更大的原油处理能力，适用于深水大型油田。

(2) 通过分析比选，确立了内转塔式结构的计算分析中的关键工况。

(3) 内转塔式FPSO可以在南海500年一遇的环境中不解脱，结构强度满足规范要求。

(4) 内转塔与船体联接处是高应力区，精确的接触分析可以保证其连接的可靠性。

(5) 整个分析验证了内转塔式FPSO方案适合南海油水深田开发。

该文提出的整个设计流程和分析方法对于未来中国自主设计FPSO有重要意义，为中国未来完全自主设计FPSO内转塔积累了宝贵经验。

[1] LUO Y, WANG H W. Permanent Versus Disconnectable FPSOs[J]. Marine Science and Application,2009，28(8):93-98.

[2] ABS. Rules for Building and Classing Floating Production Installation[S]. 2014.

Finite Element Analysis for FPSO Turret Structural Design

WANG Ming-fei, DU Yao-jun, SONG Ya-xin, LUO Yong， FU Dong-ming

(High Deep Sea Technology Co., Ltd, Beijing 100029, China)

Turret mooring system is one of the most popular single point mooring (SPM) solutions to moor vessel-based FPSOs. The turret mooring system consists of a geostationary turret assembly that is integrated into the FPSO hull through a bearing system and attached to a mooring system. Finite element analysis (FEA) of turret structure is a key step in designing turret mooring system that is fit for purpose in harsh environment. However, industry standards of turret structural analysis technique, including loading condition and combination selection, boundary condition setup and structural analysis acceptance criterion, are not well documented. In this paper, an internal turret structure, which is designed for a FPSO operating in South China Sea, is used as a sample case to illustrate the detailed procedure of turret structural FEA. Emphases are given to aspects of practical importance to engineers conducting turret structure design, such as turret load derivation, boundary condition treatment at the bearing locations, and structural analysis software adoption, etc. It is concluded that the correct application of FEA is essential towards the safe design of a turret system.

FPSO； turret； FEA； structural design

2015-11-16

王铭飞(1982-)，男，结构工程师。

1001-4500(2016)05-0006-06

P75

A