徐田甜

中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100027

超大型FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置）是西非近海油田開發(fā)的重要工程設(shè)施，其生產(chǎn)作業(yè)的最大海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是與外輸油船、油田供應(yīng)船和過往商船碰撞而導(dǎo)致溢油事故，且多點(diǎn)系泊FPSO比單點(diǎn)系泊FPSO發(fā)生船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)更高[1]。FPSO原油外輸模式、抗船舶碰撞設(shè)計(jì)理念是FPSO健康、安全和環(huán)保設(shè)計(jì)考慮的重要因素。船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果對(duì)海上油田總體布置、FPSO總體布置、主船體、保護(hù)架、靠船和登船等設(shè)施設(shè)計(jì)都有重大影響，日益受到各石油公司和FPSO工程總承包商的重視[2]。

本文以西非近海一艘深水超大型FPSO為例，結(jié)合其所屬公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，介紹FPSO抗船舶碰撞設(shè)計(jì)理念、舷側(cè)保護(hù)架、靠船區(qū)碰墊設(shè)計(jì)、主船體耐撞性評(píng)估等方面的技術(shù)要點(diǎn)和成果。

1 FPSO抗船舶碰撞設(shè)計(jì)理念

西非近海“全海式”開發(fā)油田通常在距離FPSO船尾約2 km處布置原油外輸終端浮筒，外輸油船系泊外輸浮筒正常外輸，從FPSO船尾串靠外輸作為備用方案。為保護(hù)FPSO的原油貨艙，F(xiàn)PSO主船體將防撞艙壁設(shè)在船尾的原油外輸端，將隔離邊艙布置在船中部的兩舷側(cè)。

FPSO所屬公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求FPSO船舶碰撞量化風(fēng)險(xiǎn)研究主要是對(duì)海上安裝、生產(chǎn)、維修中的船舶碰撞事故及其后果進(jìn)行系統(tǒng)分析，針對(duì)事故發(fā)生的可能原因和條件提出降低風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)措施，特別是從FPSO抗撞設(shè)計(jì)角度采取相應(yīng)措施，設(shè)置多重安全屏障，確保船舶發(fā)生誤操作或設(shè)備故障后，碰撞FPSO也不會(huì)導(dǎo)致溢油事故。風(fēng)險(xiǎn)分析危害識(shí)別應(yīng)采用鄰近海域油田FPSO周圍半徑10 n mile內(nèi)的作業(yè)和過往船舶歷史統(tǒng)計(jì)資料；事故后果分析采用“事件樹”分析法；風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則為最低合理可行準(zhǔn)則。

西非近海FPSO的立管、外輸、系泊設(shè)施等的布置應(yīng)考慮船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)；不允許將立管、電纜、泵的導(dǎo)管布置在船體內(nèi)部，而應(yīng)布置在舷外，并設(shè)抗撞保護(hù)設(shè)施。立管、電纜導(dǎo)管的支撐結(jié)構(gòu)不能與其保護(hù)架共用船體基座，避免碰撞事故發(fā)生時(shí)的升級(jí)效應(yīng)。FPSO供應(yīng)船靠船區(qū)的舷側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)局部加強(qiáng)并加裝碰墊，碰墊需用螺栓固定在舷外基座上，以便更換。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換。

FPSO船舶碰撞工況應(yīng)考慮一年一遇環(huán)境條件時(shí)的船體總縱彎矩、剪力和保護(hù)架上的水動(dòng)力荷載，結(jié)構(gòu)抗撞設(shè)計(jì)考慮正常操作和意外事故工況的碰撞動(dòng)能。意外事故工況還應(yīng)評(píng)估FPSO上部模塊、火炬塔上的加速度和主船體破損后的剩余強(qiáng)度。FPSO抗撞保護(hù)設(shè)施應(yīng)按NORSOK N004、DNV RP C204和C208規(guī)范設(shè)計(jì)（見表1）。船舶碰撞量化風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)確定外輸油船、成品油船和供應(yīng)船的技術(shù)參數(shù)和各級(jí)事故工況的結(jié)構(gòu)耐撞動(dòng)能（見表2）。

表1 FPSO抗撞保護(hù)設(shè)施設(shè)計(jì)要求

表2 FPSO船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算耐撞動(dòng)能事故工況

2 FPSO舷側(cè)保護(hù)架設(shè)計(jì)

2.1 保護(hù)架布置

FPSO船體總長(zhǎng)×型寬×型深尺寸為330 m×61 m×33.5 m，拖航吃水7.5～12 m，海上安裝時(shí)最小吃水9 m；生產(chǎn)作業(yè)吃水10.65～25.81 m；破損工況吃水27.6 m，最大橫傾20.81°。FPSO采用“4×4”多點(diǎn)系泊，水下立管、電纜、系泊、外輸和泵護(hù)管布置在左、右舷外。舷側(cè)保護(hù)架、船體基座質(zhì)量分別為2355 t和733 t。FPSO船體在韓國(guó)建造完工后拖航至西非，保護(hù)架在西非建造和安裝。FPSO建造、遠(yuǎn)洋拖航、總裝施工期間，在左、右舷側(cè)的永久船體基座上各安裝3個(gè)臨時(shí)保護(hù)架，以便拖船頂推；臨時(shí)保護(hù)架設(shè)計(jì)許用拖船推力為588 kN，臨時(shí)保護(hù)架總質(zhì)量為326 t。各種舷側(cè)保護(hù)架概況見表3。

保護(hù)架布置設(shè)計(jì)考慮FPSO浮態(tài)、供應(yīng)船外輪廓和吃水、船體運(yùn)動(dòng)、立管廊及舷外各處突出操作平臺(tái)外輪廓等。立管廊、系泊區(qū)突出的次要舾裝平臺(tái)、梯道等不計(jì)入抗撞設(shè)計(jì)考慮范圍。為避免保護(hù)架被撞受損后墜落導(dǎo)致水下設(shè)施發(fā)生次生事故，在每個(gè)船體上基座與保護(hù)架主撐桿之間設(shè)3 m長(zhǎng)的保險(xiǎn)鏈（見圖1）。

表3 FPSO E舷側(cè)保護(hù)架概況

圖1 FPSO E左舷船尾系泊和外輸保護(hù)架布置

為了盡量減小船體舷側(cè)上的海洋工程范圍，每個(gè)保護(hù)架設(shè)4個(gè)船體基座，船體基座全部支撐在強(qiáng)肋位或橫艙壁上，船體上、下基座距船底的高程分別為23.4 m和15.3 m，盡量將各保護(hù)架及船體基座設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，保護(hù)架及船體基座外部結(jié)構(gòu)取3 mm腐蝕余量，基座的鞍座、槽口、卡箍、止升爪和保險(xiǎn)鏈耳座等特殊結(jié)構(gòu)取6 mm腐蝕余量。

保護(hù)架最高處比FPSO最大作業(yè)吃水高4 m，最低處比FPSO海上安裝時(shí)的最小吃水低4 m。系泊保護(hù)架最低處考慮FPSO破損工況橫傾時(shí)保護(hù)架底部與系泊鏈導(dǎo)鏈器之間的安全間距。臨時(shí)保護(hù)架最高處比FPSO最大拖航吃水高5 m，最低處比FPSO最小拖航吃水低5 m。

保護(hù)架既要便于安裝，又要便于被撞受損后的拆換。保護(hù)架與船體上基座環(huán)形槽口之間設(shè)20 mm裝配間隙，上基座處承受保護(hù)架全部垂向荷載，在每個(gè)上基座的鞍座處采用4個(gè)可拆卸止升爪及間隙調(diào)整板鎖緊；下基座處為卡箍，僅從水平方向?qū)ΡＷo(hù)架限位。即使保護(hù)架和船體基座的建造精度都滿足規(guī)范要求，也難以絕對(duì)保證單塊間隙板能使保護(hù)架順利鎖緊在上基座上，故詳細(xì)設(shè)計(jì)改進(jìn)了上基座的鞍座鎖緊設(shè)計(jì)，在環(huán)形槽口內(nèi)插入4組相互配合的2塊楔塊（見圖2）。

圖2 保護(hù)架上基座處楔塊和止升爪

FPSO基本設(shè)計(jì)：在左、右舷外分別布置34根立管、電纜導(dǎo)管，相鄰導(dǎo)管縱向間距3.3 m，導(dǎo)管采用上、下部分體結(jié)構(gòu)形式，立管、電纜的上部導(dǎo)管和保護(hù)架共用船體上基座（見圖3），以盡量減小FPSO舷側(cè)上的海洋工程范圍。詳細(xì)設(shè)計(jì)因立管設(shè)計(jì)方考慮水下跨接立管、電纜在百年一遇極端環(huán)境工況時(shí)的避碰要求，改為在FPSO左、右舷外分別布置25根整體式立管、電纜導(dǎo)管，相鄰導(dǎo)管縱向間距5 m，并將導(dǎo)管和保護(hù)架的船體上基座完全分開（見圖4），提高船舶碰撞和火災(zāi)事故時(shí)的安全性。

圖3 分體式導(dǎo)管和保護(hù)架共用船體上基座

圖4 整體式導(dǎo)管和保護(hù)架船體上基座

2.2 保護(hù)架結(jié)構(gòu)分析

船舶碰撞保護(hù)架為強(qiáng)非線性過程，舷側(cè)保護(hù)架在受撞后產(chǎn)生彈塑性應(yīng)變，吸收船舶碰撞動(dòng)能，設(shè)計(jì)要求保護(hù)架要先于船體基座產(chǎn)生塑性應(yīng)變或破壞[3-4]。鋼材在高應(yīng)變率下具有明顯的動(dòng)力特性，應(yīng)計(jì)入應(yīng)變率敏感性的影響。應(yīng)用非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元法分析模擬結(jié)構(gòu)大變形、動(dòng)力響應(yīng)和材料的彈、塑性。

FPSO設(shè)計(jì)考慮供應(yīng)船、外輸油船的滿載排水量分別為7500 t和20萬t，船首和船側(cè)碰撞工況的附加水質(zhì)量分別取0.1和0.4倍排水量，設(shè)計(jì)船舶碰撞動(dòng)能見表4。

表4 FPSO設(shè)計(jì)船舶碰撞動(dòng)能

FPSO舷側(cè)保護(hù)架非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元分析考慮供應(yīng)船船首或船側(cè)垂直碰撞，假定供應(yīng)船船體為剛體，F(xiàn)PSO吸收全部碰撞動(dòng)能[5]。供應(yīng)船船首碰撞位置分別考慮在保護(hù)架上產(chǎn)生最大變形、在保護(hù)架基座處產(chǎn)生最大界面荷載和校核保護(hù)架基座整體穩(wěn)定性3類工況，有限元模型見圖5。供應(yīng)船船側(cè)碰撞位置分別考慮保護(hù)架最高、最低和中心位置。計(jì)算各級(jí)事故工況吸收動(dòng)能時(shí)選取供應(yīng)船船首碰撞保護(hù)架中心位置工況。為準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變，材料的應(yīng)力-應(yīng)變雙線性硬化特性按DNVRP C204規(guī)范取值。由應(yīng)變率引起的材料屈服極限的提高采用Cowper-Symonds材料應(yīng)變率敏感性模型，按DNV RP C208規(guī)范取值。

圖5 供應(yīng)船船首碰撞保護(hù)架有限元模型

舷側(cè)保護(hù)架設(shè)計(jì)結(jié)果采用兩項(xiàng)準(zhǔn)則評(píng)判（見表5），即保護(hù)架被撞后與被保護(hù)設(shè)施之間間距不小于300mm；船體基座局部強(qiáng)度按BVNR455規(guī)范校核。船體基座處的FPSO船側(cè)外板最大相對(duì)撓度小于1/500，仍在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)。保護(hù)架可吸收碰撞動(dòng)能結(jié)果滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求（見表6）。

表5 供應(yīng)船碰撞保護(hù)架分析結(jié)果

表6 供應(yīng)船碰撞保護(hù)架各級(jí)事故工況可吸收動(dòng)能/MJ

2.3 船體基座及主船體整體結(jié)構(gòu)分析

FPSO舷側(cè)保護(hù)架的船體基座及主船體整體結(jié)構(gòu)分析考慮操作、極端環(huán)境、FPSO破損和供應(yīng)船碰撞工況，且考慮FPSO平浮和破損兩種浮態(tài)，破損工況橫傾角取25°；主船體的典型載況、總縱垂向彎矩、水平波浪彎矩等荷載按BVNR 445、NR 467規(guī)范取值。保護(hù)架上的水動(dòng)力荷載按Morison Stokes第五階波理論計(jì)算，運(yùn)動(dòng)加速度取FPSO水動(dòng)力分析預(yù)報(bào)值。因西非近海海況較好，百年一遇的有義波高3.6 m，表層流速2 m/s，由波浪、海流和運(yùn)動(dòng)加速度在保護(hù)架基座上產(chǎn)生的縱向、橫向和垂向最大界面荷載分別不超過供應(yīng)船碰撞工況各向最大界面荷載的12%、13%和25%。供應(yīng)船碰撞保護(hù)架時(shí)船體基座處的界面荷載取非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析結(jié)果（見表7），并考慮30%的冗余。

表7 供應(yīng)船碰撞保護(hù)架時(shí)基座處最大界面荷載

舷側(cè)保護(hù)架船體基座及主船體整體結(jié)構(gòu)分析按BVNR 455、NR 467和DNVRP C201規(guī)范校核，并確定海洋工程加強(qiáng)范圍和焊接設(shè)計(jì)；船體基座可產(chǎn)生塑性應(yīng)變，但不允許斷裂。船體上、下基座舷外結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)分別為4.0和10.0，隔離邊艙內(nèi)結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)為2.0。

保護(hù)架主撐管在船體下基座卡箍鎖緊段內(nèi)的外部焊縫應(yīng)打磨平整。主撐管在卡箍?jī)?nèi)安裝的偏心度允許誤差為±6 mm，卡箍?jī)?nèi)的氯丁橡膠襯里厚度為13 mm，保證主撐管與橡膠襯里之間的最小間隙為2 mm。橡膠受壓面對(duì)應(yīng)的扇形角為60°，許用壓應(yīng)力為10.4 MPa。詳細(xì)設(shè)計(jì)則根據(jù)橡膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，加大了卡箍?jī)?nèi)受壓面的高度。

3 FPSO靠船區(qū)碰墊設(shè)計(jì)

FPSO左、右舷側(cè)靠近主起重機(jī)處設(shè)供應(yīng)船靠船區(qū)，分別考慮供應(yīng)船船首側(cè)碰撞和船尾碰撞船用橡膠碰墊，碰墊主要參數(shù)見表8。

表8 FPSO靠船碰墊設(shè)計(jì)主要參數(shù)

碰墊船體基座按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)取6 mm腐蝕余量，基座結(jié)構(gòu)按BV NR 467規(guī)范校核；基座高度按供應(yīng)船輪廓和碰墊變形校核，保證供應(yīng)船與FPSO舷側(cè)的間距至少50 mm。為確保FPSO在韓國(guó)和西非各碼頭系泊期間的舷側(cè)結(jié)構(gòu)安全，還在FPSO船尾與系泊躉船碰觸區(qū)安裝臨時(shí)碰墊，并根據(jù)FPSO碼頭系泊分析確定所有碰墊受力，校核碰墊和船體基座強(qiáng)度。為盡量避免海上維修，在碰墊最高處加裝高2 m、厚8 mm的鋼板護(hù)罩，如圖6所示。碰墊頂面的樹脂墊可降低碰墊與供應(yīng)船之間的摩擦系數(shù)；在FPSO碼頭系泊期間樹脂墊如果有脫落，應(yīng)在FPSO出海安裝前修復(fù)。

圖6 FPSO供應(yīng)船靠船區(qū)碰墊布置

4 FPSO主船體耐撞性評(píng)估

FPSO由拖船從其船尾端進(jìn)行遠(yuǎn)洋拖航，故按BV船級(jí)社規(guī)范，F(xiàn)PSO船首不設(shè)防撞艙壁；FPSO船尾端的防撞艙壁距離船尾封板10 m，船中部原油貨艙的舷側(cè)隔離邊艙寬3.5 m。主船體耐撞性評(píng)估對(duì)未受到保護(hù)架保護(hù)的FPSO船首、船尾和供應(yīng)船靠船區(qū)的舷側(cè)主船體進(jìn)行船舶碰撞非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，計(jì)算各級(jí)事故工況時(shí)可吸收碰撞動(dòng)能，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 FPSO E主船體各級(jí)事故工況可吸收動(dòng)能

詳細(xì)分析結(jié)果，供應(yīng)船船首以6.4 MJ動(dòng)能碰撞FPSO的船首時(shí)，F(xiàn)PSO船首外板可能破損，供應(yīng)船船首最大撞入深度約0.59 m，如圖7所示，故FPSO破艙穩(wěn)性計(jì)算中采用此碰撞工況預(yù)測(cè)的船首破損范圍。外輸油船以設(shè)計(jì)動(dòng)能碰撞FPSO船尾時(shí)，F(xiàn)PSO船尾封板破損，外輸油船船首最大撞入深度約6.1 m，但輸油船船首不會(huì)碰觸FPSO防撞艙壁，如圖8所示。供應(yīng)船以7.5 MJ動(dòng)能碰撞FPSO船尾和靠船區(qū)時(shí)，F(xiàn)PSO普通低碳鋼和高強(qiáng)度鋼船體外板可分別產(chǎn)生最大16.2%和12.3%的塑性應(yīng)變，滿足DNV RP C208規(guī)范要求。

圖7 供應(yīng)船撞破FPSO船首外板

圖8 外輸油船撞破FPSO船尾封板

5 結(jié)束語

對(duì)西非近海一艘超大型FPSO按所屬公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的抗船舶碰撞設(shè)計(jì)理念，開展了船舶碰撞量化風(fēng)險(xiǎn)分析；合理布置了舷側(cè)隔離邊艙、船尾防撞艙壁、舷側(cè)保護(hù)架和靠船碰墊等抗撞設(shè)施；對(duì)舷側(cè)保護(hù)架、船體基座和主船體進(jìn)行了船舶碰撞非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，核實(shí)了保護(hù)架塑性變形后與被保護(hù)設(shè)施之間的間距，計(jì)算了保護(hù)架和FPSO主船體各級(jí)事故工況的結(jié)構(gòu)耐撞動(dòng)能，預(yù)測(cè)了FPSO主船體破損范圍，驗(yàn)證了該FPSO舷側(cè)隔離邊艙和船尾防撞艙壁抗撞設(shè)計(jì)的可靠性。