圆筒形浮式生产储油装置结构设计及轻量化

周 佳，赵夕滨，王 璞

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

近年来，随着国际油价持续走低，对海洋油气开发装备的设计和研发提出了更高的要求。只有拥有性能更为出色、成本更低的装备，才能在现今的油气开发市场中占据有利位置。自SEVAN MARINE公司推出圆筒形浮式生产储油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）的概念（见图1）并成功投入到工程应用中以来，该类型FPSO成为研究焦点，其独有的圆筒形外观对其在海洋环境中的运动和受到的环境载荷的影响均有别于常规船型FPSO的概念[1-2]。

图1 SEVAN圆筒形FPSO示意

1 载荷与结构强度分析

依照常规海洋工程结构设计的流程，在确定结构型式和外形之后，首先根据法规和规范的要求及作业功能需求对舱室进行划分。在完成相应布置之后，依照结构设计习惯和经验确定骨材间距、布置结构桁材及强框。随后，根据结构件所设位置进行构件规范计算，完成初步结构设计。

海洋工程装备往往需针对特定海域的环境条件，分析结构在所处环境中可能遇到的最大环境载荷。随着数值计算技术的发展，设计波法已较多地应用到海洋工程装备总强度载荷预报中。各大船级社根据其多年的设计经验积累，对常见的海洋工程装备推荐了几个载荷形式作为设计校核指标，例如船型FPSO在不同装载工况下的最大弯矩和剪力及半潜式平台在不同浪向下的弯曲、剪切、扭矩和最大加速度等[3]。根据预报的设计波载荷，对海洋工程装备进行结构总强度分析，对其整体结构进行较为系统的分析和校核。

由于圆筒形FPSO外形的特殊性[4-6]，目前规范中尚无成熟的设计指南和推荐的总强度载荷模式。通过对不同工况和环境条件组合进行分析对比，并与相关领域的设计专家和资深船级社工程师讨论可知，圆筒形结构有良好的对称性，各方向上的尺度一致；同时，由于型深和吃水较大，圆筒形FPSO的总纵弯矩和剖面剪力不再是以往常规船型FPSO的主控设计载荷；相对于环境载荷，其构件压力规范设计载荷将成为设计关键。通过分析对比不同工况的应力结果分布，最后确定以两侧最大液面高度差、平台中心与两侧最大剪力差和舱内液货最大加速度等3个状态为其总强度设计波环境载荷预报工况，其波浪载荷模式示意见图2。在上述工况下，分别校核圆筒形FPSO直径方向的最大压力差、中心月池开口区向两侧的压力差和舱内液货动压力对垂直舱壁及外板的影响。

图2 圆筒形FPSO典型波浪载荷模式示意

目标平台主尺度为：外径 88m，主甲板高 45m，双底，双壳，设计吃水 32m。按照前述分析流程，建立湿表面模型、质量模型和结构模型，对其进行设计波载荷预报和结构总强度分析，分析采用DNV-GL开发的SESAM软件包。圆筒形FPSO结构模型示意见图3，坐标原点定于底板圆筒中心处，主要舱壁和甲板采用板单元建模，主要设备的重量及其所在位置采用质量点和梁模拟。为提高钢材利用率，平台结构以水线面为界上下划分，水线面上部分采用32kg级高强度钢，水线面下部分采用36kg级高强度钢。同时，为兼顾结构设计刚度，在水线面以上部分适当预留一定的设计余量，为上部模块等设备支撑提供足够的余度。

图3 圆筒形FPSO结构模型示意

考虑到圆筒形FPSO的结构和装载的对称性，在进行设计波载荷预报时，取典型浪向及液货舱和压载舱的装载分布（见图4），其在240°浪向下的典型RAO响应见图5，反映筒体两侧海面高度差，校核平台在最大水平剪力作用下的结构受载情况和应力分布。对于装载工况的选取，兼顾液货舱和压载舱在不同浪向下的装载情况。如图3所示，圆筒形FPSO外圈为外压载舱，向内依次为液货舱、作业舱和内压载舱。

通过对波浪载荷进行短期预报，得到不同装载工况下的液面高度差和水平加速度。从预报结果来看，作用在外壁上的波浪会对圆筒形FPSO的外形产生一定的爬升影响，FPSO两侧的高度差相对所处环境下的波高提升20%～30%。同时注意到，为兼顾修井功能，在目标FPSO中间设有月池开口，月池区内的波浪抬升更为明显，高差极值甚至达到环境波高的2倍。该结构为数值预报结果，有待模型试验或实地勘测验证。

图4 典型载荷分析工况示意

图5 最大两侧液面高度差的RAO响应（240°浪向）

此外，对于舱内的液货加速度预报值相对很小的情况，由于圆筒形FPSO具有良好的水动力性能，水平加速度仅为10%的重力加速度量级。在波浪载荷预报的基础上，将水动力载荷映射到结构模型上，进行结构总强度分析，对设计构件强度进行设计校核。

经总强度分析，结构应力水平在各工况下随着型深的变化而变化的趋势明显，接近底部位置的应力水平较高，越接近水面或水面以上位置的应力水平较低。同时，在径向和环向舱壁连接处、阻尼板与舷侧外板连接区域及底部导缆器布置位置角隅处有局部应力集中现象，设计时应加以关注。典型应力分布云图见图6～图9。由应力分析结果可知，整体结构应力分布均匀，因装载不同而产生一定差异。相对来说，舱内液体压力作为主控载荷，波浪动压力及平台运动产生的应力相对较小。

图6 单舱装载波峰位于月池工况底板应力分布示意

图7 对称装载波峰位于月池工况外板应力分布示意

图8 阻尼板与外板连接区域应力分布示意

图9 阻尼板导缆器开口角隅高应力示意

2 结构优化与减重

与同等装载量级的船型FPSO相比，由于基础方案不同、总强度设计载荷要求不同，圆筒形FPSO具备一定的优势，其结构设计重量比船型FPSO轻25%以上。由于圆筒形FPSO外形独特，其主体内具体功能舱室的划分等与传统船型FPSO的分舱有很大不同，经统计，初步方案结构重量约为3万t。在此基础上，为挖掘其更大的潜力，进行减轻结构重量优化设计，分别进行增加吃水、外径变化和分舱调整等一系列方案对比。在满足整体性能一致（即排水量不变）的前提下，探索圆筒的外径、型深、内部环形和径向舱壁的位置及数量的调整和不同舱室布置对结构设计重量的影响。

由上述结构强度分析可知：圆筒形FPSO的结构设计主要控制工况为规范计算公式要求，即设计压头；相对而言，其圆形外形承压性能良好，总强度载荷对结构的影响也相对较小。改变圆筒形FPSO的设计吃水，因设计压头增加对设计板厚有显著影响，在装载量相同的情况下，结构增重明显，整体结构重心偏下；在加大型深之后，由于设计压力增加，对结构件的要求会显著提高。因此，从轻量化的角度看，首先应控制设计方案的型深，以小型深为宜。其次，从主体内部布置上看，因分舱采用从上到下的径向舱壁和环向舱壁，水平设置环向水平桁。舱壁重量是结构重量的主要部分。在满足规范和法规对分舱要求的前提下，尽可能地减少垂向舱壁的数量，从而直接降低结构设计重量。另外，舱壁大多贯穿于整个主体，从分隔舱壁的总长度上可得到整体结构轻量化的方向，根据圆直径与周长的关系考虑舱壁设置位置及判别环向分隔数量和径向直径大小的优化方向。

根据以上结论，后期可对初步方案进行轻量化改进，以减少垂向分舱、适当降低型深为优化方向，减少两道垂向分隔。同时，在对外径进行微调之后，成功减重约4000t，约为总重的13%，效果显著。可见，作为新型海洋工程装置的圆筒形FPSO，其不同于常规船型FPSO的主尺度和分舱设计会对空船重量造成显著影响，有很大的优化和深入研究空间。此外，因外形发生变化，相对矮胖的外形会增加系泊设计的载荷，在确定总体方案时需进行综合评估。

3 结 语

本文通过对圆筒形FPSO的设计方案及结构优化进行介绍，总结了该型装备的结构设计要点和设计关键区域。通过对比不同设计方案，给出了结构减重的优化方向。受限于研究时间和进度要求，后续可对水平桁布置间距进行深入讨论，进一步开展结构优化减重研究。此外，水线上下范围的结构砰击和内部月池区域波浪载荷的非线性问题也值得关注并有待进一步研究。

【 参 考 文 献 】

[1] 王天英，马永训.新概念FPSO最新研究进展[J] .船海工程，2011, 40 (5): 184-188.

[2] LAMPORT W B, JOSEFSSON P M.The next generation of round fit-for-purpose hull form FPSOs offers advantages over traditional ship-shaped hull forms [C]//ASME DeepGulf Conference, New Orleans, Louisiana USA, 2008: 1-9.

[3] 景江成，罗子良.圆筒形FPSO特点与总体布置策略分析[J].中国机械，2015 (9): 184-186.

[4] WANG T Y, FENG Y X.Advanced development of research on new concept FPSO [J].Ship Ocean Engineering, 2011; 40 (5):184-189.

[5] DNV.DNV-OS-C201 Structural Design of Offshore Units (WSD Method) [S].2012.

[6] 王世圣，赵晶瑞，谢彬，等.深水八角形FDPSO总体性能分析[J] .船海工程，2014, 43 (3): 183-186.