李成君,周佳
(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)
現(xiàn)有FPSO一般包含新建FPSO及油船改造兩種形式。新建FPSO是根據(jù)目標(biāo)作業(yè)海域環(huán)境參數(shù)、油品特性全新定制船體上部模塊,以及系泊定位設(shè)施等,設(shè)計(jì)過程中針對性強(qiáng),但是建造周期較長,成本較高;油船改造形式是以舊油船為基礎(chǔ),按照同樣流程進(jìn)行適應(yīng)性改造,周期較短[1-2],不過功能受原有油船的限制較明顯,且疲勞分析復(fù)雜。新一代FPSO具有通用型特征[3],采用新建標(biāo)準(zhǔn)化船殼,然后加裝上部模塊及系泊設(shè)施等,其標(biāo)準(zhǔn)化船殼更適應(yīng)FPSO的特點(diǎn),同時(shí)批量建造可降低成本、縮短項(xiàng)目交付時(shí)間。
海上油田受水深、風(fēng)浪、溫度,以及石油品質(zhì)等影響,各作業(yè)海域的FPSO在構(gòu)造、系泊方式,以及生產(chǎn)流程上各不相同,其設(shè)計(jì)思路也存在差異。作業(yè)于各個(gè)不同海域的FPSO基本都是根據(jù)特定海域特點(diǎn)設(shè)計(jì)的,見表1。
表1 不同海域的常規(guī)FPSO特征
同時(shí),油田規(guī)模、油品質(zhì)量,以及油田開發(fā)模式則對FPSO上部模塊有關(guān)鍵影響,也對FPSO船體的主尺度有一定影響。
現(xiàn)有FPSO設(shè)計(jì)多針對單一海域和確定的油田,采用的是定制化設(shè)計(jì)方案,而通用型FPSO船體在設(shè)計(jì)過程中需兼顧多個(gè)海域油田的特點(diǎn),在尚不明確油田的情況下設(shè)計(jì),需滿足多個(gè)海域油田的使用功能,通過設(shè)計(jì)一型適用于多種海域環(huán)境條件,多種系泊方式,不同規(guī)模的上部模塊,兼容不同立管系統(tǒng)等,可滿足一定范圍內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)組合的通用型FPSO船殼結(jié)構(gòu)。
關(guān)于通用型FPSO船體的載荷特點(diǎn),以某一通用型FPSO船體載荷為例進(jìn)行描述。
作為示例的通用型FPSO適用于包括巴西、西非及墨西哥灣等多種海域,選取巴西及西非兩種典型海域?qū)PSO設(shè)計(jì)過程中的載荷特點(diǎn)進(jìn)行討論。充分考慮不同海況的環(huán)境特征,并對不同環(huán)境的載荷進(jìn)行包絡(luò)處理。由于海況跨度大,系泊方式靈活,因此環(huán)境條件及系泊方式均不確定,系泊方式對FPSO的靜水載荷具有較大影響,環(huán)境條件主要對波浪載荷具有較大影響。
基于裝載手冊對不同裝載工況的彎矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到單點(diǎn)/多點(diǎn)系泊對船艏的靜水彎矩的影響見圖1。
圖1 不同系泊工況下全船靜水彎矩分布
對于一般FPSO而言,最大垂向彎矩位置出現(xiàn)在縱向的船舯位置,同時(shí)艏艉方向彎矩逐漸降為0,而對于目標(biāo)FPSO,由于單點(diǎn)/多點(diǎn)提供定位載荷的同時(shí)在船首產(chǎn)生了由于定位載荷所造成的中拱,因此靜水彎矩包絡(luò)值與常規(guī)FPSO相比,較為獨(dú)特。
考慮到靜水載荷為設(shè)計(jì)載荷的主要載荷,同時(shí)針對影響靜水載荷的裝載資料的充分程度,在對載荷進(jìn)行包絡(luò)過程中對于船舯0.4L(L為船長)范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)靜水彎矩針對最大靜水彎矩預(yù)留5%的裕度,其范圍外的設(shè)計(jì)靜水彎矩在線性變化的基礎(chǔ)上充分考慮載荷裕度的控制,在合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本。
基于HydroD軟件針對目標(biāo)FPSO進(jìn)行載荷計(jì)算,為了得到不同系泊方式對波浪載荷的影響,將不同的系泊方式選取同一個(gè)海域進(jìn)行分析比較。由于巴西海況內(nèi)轉(zhuǎn)塔的波浪載荷更加主控,因此將巴西海況作為環(huán)境條件分析,統(tǒng)計(jì)不同系泊方式下得到滿載工況的垂向剪力、垂向彎矩、水平彎矩以及波面升高,見圖2。
圖2 波浪載荷曲線
從圖2整體上可以看出,外轉(zhuǎn)塔的各項(xiàng)波浪載荷均較小,這與外轉(zhuǎn)塔風(fēng)標(biāo)效應(yīng)下始終處于環(huán)境力最小的方位有關(guān)。從最大垂向剪力圖中可以看出,多點(diǎn)系泊最大剪力出現(xiàn)在船尾,且船首尾的最大垂向剪力相當(dāng),而內(nèi)轉(zhuǎn)塔最大垂向剪力出現(xiàn)在船首,且船首處的剪力比船尾明顯偏大,而首部及尾部的波浪彎矩均較小,因此剪力工況的校核應(yīng)當(dāng)作為通用型FPSO的艏部以及尾部的主控載荷進(jìn)行校核,且不同系泊方式下的剪力校核應(yīng)當(dāng)同時(shí)進(jìn)行;從波浪垂向彎矩以及水平彎矩中可以看出,系泊方式對該載荷的影響較小,最大載荷位置也較為接近,且船中位置的剪力較小,因此彎矩工況的校核應(yīng)當(dāng)作為通用型FPSO的中部的主控載荷進(jìn)行校核,且不同系泊方式下的波浪彎矩校核可以簡化為一個(gè)系泊方式進(jìn)行校核;從波面升高圖(多點(diǎn)系泊未考慮風(fēng)標(biāo)效應(yīng))中可以看出,多點(diǎn)系泊的波面升高較為均勻,單點(diǎn)系泊的波面升高較為劇烈,在計(jì)算工況包括舷外水壓力時(shí),單點(diǎn)系泊工況下首部的波面升高更為明顯,特別是對于內(nèi)轉(zhuǎn)塔,應(yīng)當(dāng)著重考慮垂向剪切力與舷外水壓力的綜合作用。
在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,針對波浪環(huán)境較好的海域一般采用多點(diǎn)系泊,波浪環(huán)境較差的海域一般采用單點(diǎn)系泊。圖2中所示的多點(diǎn)系泊的波浪升高基于巴西海域進(jìn)行計(jì)算,實(shí)際上不會出現(xiàn)。
通用型FPSO船體采用標(biāo)準(zhǔn)化船殼的設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中無法像常規(guī)FPSO一樣做確定性的考慮,在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,一般按照可能出現(xiàn)的所有嚴(yán)重情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。不確定因素如下。
1)質(zhì)量分布及多海況對結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度的要求。
2)上部模塊對貨艙區(qū)甲板結(jié)構(gòu)要求。
3)多種系泊定位方式對船體結(jié)構(gòu)的要求。
4)多種外輸配置對艏艉結(jié)構(gòu)的要求。
5)大型生活樓的結(jié)構(gòu)要求。
針對上述不確定性因素進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì),主要從以下幾方面進(jìn)行分析。
1)總縱構(gòu)件對總強(qiáng)度載荷的包絡(luò)性。
2)適用多種系泊形式的艏部結(jié)構(gòu),見圖3。
圖3 兼顧多種系泊方式的艏部結(jié)構(gòu)
3)甲板結(jié)構(gòu)對標(biāo)準(zhǔn)化上部模塊支撐的適用性設(shè)計(jì),見圖4。
圖4 標(biāo)準(zhǔn)化上部模塊結(jié)構(gòu)
4)舷側(cè)結(jié)構(gòu)對立管支撐的適用性設(shè)計(jì)。
5)滿足一定靈活性的克令吊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
6)適用通用型FPSO需求的生活區(qū)結(jié)構(gòu)。
圖3中的艏部結(jié)構(gòu)兼顧了多點(diǎn)系泊、內(nèi)轉(zhuǎn)塔,以及外轉(zhuǎn)塔3種系泊方式;圖4所示通用型FPSO的分布式上部模塊,可適應(yīng)多種不同重量的模塊。艏部結(jié)構(gòu)及分布式上部模塊是通用型FPSO區(qū)別于常規(guī)FPSO的重要特征。
由于通用型FPSO船體為新概念船型,因此許多位置、結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核,以確保設(shè)計(jì)的可行性,總強(qiáng)度校核及局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核為常規(guī)校核,能夠體現(xiàn)出通用型FPSO主要特征的是包絡(luò)不同規(guī)模上部模塊的甲板支撐結(jié)構(gòu)和不同系泊方式下的船舯貨艙區(qū)艙段強(qiáng)度校核及艏部艙段校核。如2.3所述,不同系泊方式呈現(xiàn)出不同的波浪載荷特征,其主要控制載荷也存在差異,因此對于通用型FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對貨艙區(qū)艙段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及艏部分段在各種系泊方式下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核是非常有必要的。
貨艙區(qū)艙段強(qiáng)度在校核過程需要考慮不同系泊方式的影響。其中,單點(diǎn)系泊的船體梁載荷明顯高于多點(diǎn)系泊形式;多點(diǎn)系泊工況應(yīng)當(dāng)考慮左右舷非對稱波面升高引起的舷外水壓載荷差異。篇幅所限,選擇目標(biāo)FPSO典型的單點(diǎn)系泊工況。
由于需要兼顧不同重量范圍的上部模塊[4-5],因此在貨艙區(qū)艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核過程中應(yīng)當(dāng)首要考慮模塊重量的選取,而具體的上部模塊需要考慮作業(yè)油田具體的生產(chǎn)要素進(jìn)行確定,根據(jù)目標(biāo)通用型FPSO設(shè)計(jì)要求,將上限4萬t作為模塊重量的設(shè)計(jì)值。此時(shí)滿載的中垂彎矩最大。由2.3的討論可知,貨艙區(qū)艙段的結(jié)構(gòu)校核與系泊方式關(guān)系不大,因此將各個(gè)系泊工況下的貨艙區(qū)艙段校核簡化為1個(gè)計(jì)算模型進(jìn)行分析,同時(shí)由于主控載荷為中垂彎矩,且船中0.4L范圍內(nèi)的中拱彎矩以及中垂彎矩都取為設(shè)計(jì)的最大包絡(luò)值,由圖1、2可知,艙段計(jì)算的中垂彎矩包絡(luò)值Me=Ms+Mw,垂向剪力載荷作為非主控載荷,可直接將貨艙區(qū)艙段校核區(qū)域的靜水剪力包絡(luò)值與波浪剪力包絡(luò)值疊加作為設(shè)計(jì)值進(jìn)行校核。
從圖5看出,高應(yīng)力區(qū)域主要集中在水平桁與縱艙壁交叉區(qū)域及強(qiáng)框自由邊區(qū)域。
圖5 不同區(qū)域應(yīng)力UC分布
艏部波浪載荷受系泊方式的影響較大,需要對每個(gè)系泊工況單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算模型見圖6。
圖6 艏部計(jì)算模型
3.4.1 外轉(zhuǎn)塔計(jì)算分析
目標(biāo)FPSO采用懸掛式外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng),建立外轉(zhuǎn)塔艏部模型時(shí)僅對懸臂梁部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。在外轉(zhuǎn)塔重心位置處施加系泊載荷及自重。為了更好地體現(xiàn)艏部區(qū)域船體梁載荷的包絡(luò)性,對外轉(zhuǎn)塔系泊形式下的FPSO所有裝載工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),將船體梁艏部區(qū)域是否發(fā)生靜水彎矩最值或剪力最值作為挑選艏部區(qū)域船體梁包絡(luò)載荷的依據(jù),然后根據(jù)彎矩或剪力最值發(fā)生的對應(yīng)工況進(jìn)行艏部包絡(luò)載荷的施加。經(jīng)過計(jì)算選取典型設(shè)計(jì)工況及對應(yīng)的應(yīng)力結(jié)果見表2。
表2 典型設(shè)計(jì)工況(最小彎矩和最大剪力)及結(jié)果
3.4.2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔計(jì)算分析
垂向載荷主要由系泊載荷垂向分量及系泊系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)自重組成,主軸承平面力為系泊力在風(fēng)浪流運(yùn)動下產(chǎn)生的水平分量。主軸承彎矩主要產(chǎn)生于船舶運(yùn)動時(shí)系泊系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動重心偏離結(jié)構(gòu)重心。按照《海上浮式裝置入級規(guī)范》第11章第7節(jié)“與系泊裝置連接的船體結(jié)構(gòu)”中對主軸承反力的規(guī)定,平面力應(yīng)在120°范圍內(nèi)按照余弦函數(shù)分布。
滿載生存工況較之其他工況,載荷更為典型,因此選取滿載生存工況作為典型工況進(jìn)行校核,通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得知水平系泊載荷與彎矩為90°作用時(shí)應(yīng)力最大。見圖7。
圖7 不同區(qū)域的應(yīng)力分布
3.4.3 多點(diǎn)系泊計(jì)算分析
目標(biāo)船采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)為水下出纜方式(見圖8),下端導(dǎo)纜器處的系泊纜張力與水平面的夾角α考慮0°~90°范圍;FPSO正常作業(yè)前會調(diào)節(jié)并保持各區(qū)域系泊纜與主船體呈某一固定方位角,該偏差角度基于減小工況計(jì)算量及其與初始方位角進(jìn)行聯(lián)合考慮,水平面角度β變化范圍為。另據(jù)DNV與ABS的相關(guān)規(guī)范,應(yīng)至少考慮單根系泊纜處于最小破斷載荷、所有系泊纜處于預(yù)張力載荷和單根系泊索破斷3種狀態(tài)。
圖8 多點(diǎn)系泊載荷夾角
設(shè)計(jì)工況選取百年一遇的環(huán)境荷載。通過對3種系泊纜狀態(tài),3種系泊纜張力角以及3種系泊纜與船體的夾角3種影響因素的組合工況進(jìn)行計(jì)算,得到最大應(yīng)力見表3。
表3 多點(diǎn)系泊不同工況應(yīng)力峰值
針對目標(biāo)船舷側(cè)結(jié)構(gòu)對立管支撐的設(shè)計(jì)以及多海況對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求是通用型FPSO的特點(diǎn),雖然結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度分析方面沒有太大區(qū)別,但由于結(jié)構(gòu)形式大不同,因此有必要兼顧不同海域特點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行研究。另外,標(biāo)準(zhǔn)化的上部模塊支撐結(jié)構(gòu)及多點(diǎn)系泊(包括立管)界面結(jié)構(gòu)等也需要有針對性的研究。