（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）浮式生产储油船（fpso）设计建造研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 f p s o 是f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f i o a d i n g 的英文缩写，即浮式生产储油卸油 装置，习惯上我们称为浮式生产储油船。它是集生产、储油、外输、生活、动力于一体的 多功能采油设施，是海洋石油开发中非常重要、也是最有应用前景的装备之一。国外 f p s o 的设计建造始于二十世纪七十年代，经过多年的发展，国夕 公司对于f p s o 关键技 术的研究日趋成熟。国内对f p s o 设计建造的研究起步相对较晚，虽然相关单位也对 f p s o 设计建造的部分技术进行了多年研究并取得了一定成果，但是对f p s o 的总体设计 和f p s o 建造过程中的特别之处尚缺乏系统分析，对于f p s o 设计中关键技术之一“系泊 系统的设计”尚缺乏理论研究。 针对这些不足之处，本论文对影响浮式生产储油设施f p s o 设计建造的因素进行了综 合分析，并对系泊系统的设计进行了重点研究。 基于对f p s o 相关规范的研究，结合我国自行设计建造的1 5 万吨级p f s o 的实际经 验，采用了层式分析法和模糊评判法，对该船型的方案论证、总布置、可靠性评估等方面 做了详细分析，总结得出f p s 0 的总体设计框架与原则，设计单位可以根据该原则对承接 的f p s 0 进行初步设计。 通过将浮式生产储油设旋f p s o 和普通油船进行对比分析，首次给出一系列反映两者 区别的直观表格，并在此基础上归纳了设计建造f p s o 所必须考虑的影响因素，可供船厂 建造f p s o 过程中结合已有的油船建造经验进行参考分析。 应用流体力学理论和数学工具开发了f p s o 环境载荷的计算方法，对系泊系统的设计 和模型实验进行了研究。如何确定外部环境载荷，是本部分研究的重点。采用线性化 w e i b u l l 概率密度函数分析得到设计波参数，并根据三维源汇分布方法建立浮体运动与波 浪荷载计算方法，完成了一浮式生产储油船( f p s o ) 在波浪中的运动响应和船体表面水动力 压力分布以及总体荷载的概率特性的计算，并以此为基础对f p s o 的系泊系统的设计和模 型实验开展研究。 关键词：f p s o ；总体设计：系泊系统；波浪载荷；海洋工程 浮式生产储油船( f p s o ) 设计建造研究 s t u d yo n t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no f t h e f l o a t i n g p r o d u c t i o n ，s t o r a g ea n do f f l o a d i n gu n i t a b s t r a c t f p s oi st h ea b b r e v i a t i o nf o rf l o a t i n gp r o d u c t i o n , s m r a g ea n do f f i o a d i n gu n i t i ti sa m u l t i f u n c t i o n a lv e s s e ld e s i g n e df o ro f f s h o r ep r o d u c t i o na n ds t o r a g ea n do f f i o a d i n go fo i lo rg a s n o wf p s 0i so n eo ft h em o s ti m p o r a n te q u i p m e n t si nt h eo f f s h o r eo i la n dg a si n d u s t r ya n dh a s g o o df u t t a ep r o s p e c t s 1 1 l ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f f p s os t a r t e df r o m1 9 7 0 s a f t e rt h i r t yy e a r s d e v e l o p m e n t , t h es t u d i e so bt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no ft h ef p s oi s m o r ca n dm o t em 姗i nt h ew o r l d i na 血a ，r e s e a r c h e sa b o u tf p s 0h a v es t a r t e df o ral o n gt i m e a n dt h e r ea r em a n yi m p o r t a n tr e s u l t s b u tt h eo v e r a l ld e s i g no ff p s 0a n dt h ep a r t i c u l a r i t yi nt h e f a b r i c a t i o no f f p s 0h a v en o tb e e na n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y a n dt h e r ei ss i l l ls h o r to f r e s e a r c ho n t h ed e s i g no f t h em o o r i n gs y s t e m n l i sp a p e rg i v eas y n t h e t i c a la n a l y s i so nt h ei m p o r t a n ti n f l u e n t i a lf a c t o r st h a th a v eb e e n e x p e r i e n c e dd u r i n gt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no faf p s o ，a n dt h er e s e a r c hi sm a i n l yf o c u s e do i l t h ed c s i g no f t h em o o r i n gs y s t e m b a s e do nt h es t u d y0 nc l a s s i f i c a d o ns o c i e t yr u l e sa b o u tf p s o a n dc o m b i n e dw i t ht h e e x p e r i e n c eo fd e s i g na n df a b r i c a t i o no f a1 5 0 ，0 0 0 tf p s o ，d e t a i l e da n a l y s i sh a sb e e nm a d ea b o u t t h eo v e r a l ld e s i g n , g e n e r a la r r a n g e r n e ma n dr e l i a b i f i t ye v a l u a t i o na n do t h e ra s p e c t su s i n gt h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n df u z z ye v a l u a t i o nm e t h o d n i ep r i n c i p l e si nt h eo w r a l ld e s i g no f t h e f p s 0h a v eb e e ns u m m a r i z e d i ti su s e f u li nt h ep r e l i m i n a r yd e s i g no f n e wf p s o i no r d e rt ol e tt h es h i p y a r d sc a nl l t h ee ) 【p e f i e r i c e so f t h eb u i l d i n go f g e n e r a lo ns h i pi n t ot h e p r o c e s so ff p s 0 sf a b r i c a t i o n , t h ed i f f c r c n c e sb e t w e e nt h ef 1 p s 0a n d0 0 n l j n o no i ls h i p 批 c o m p a r o da n dl i s t e di nat a b l ef o rt h ef i r s tt i m e t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r st h a to u g h tt ob ec o n s i d e r e d i nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no f t h ef p s 0a 托c o n c l u d e db a s e d0 1 1t h er e s e a r c h u s i r 培t h eh y d r o d y n a m i ct h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，ac o m p m e rp r o g r a m a b o u tt h ec o m p u t a t i o no f e n v i r o n m e n tl o a d so i lf p s 0h a sb e e nd e v e l o p e d 1 1 1 ed e s i g na n dm o d e l e x p e r h n e n to ft h em o o r i n gs y s t e r ah a sb e e ns t u d i e d n 蛇m s e 甜c hi sm a i n l yf o c u s e d0 1 1t h e d e t e r m i n i n go fe n v i r o n m e n tl o a d s t 1 l cl i n e a rw e i b u t lf u n c t i o ni su s e dt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r o f d e s i g nw a v e u s i n gt h e3 dp a n e lm e t h o d ，t h ec o m p u m t i o nm e t h o do f t h ew a v el o a da n dm o t i o n o f f l o a t i n gb o d yh a sb e e nd e v e l o p e d n 圮c o m p u t a t i o na b o u taf p s o sm o t i o na n dh y d r o d y n 龇u l c p r c s g m eo nt h eh u l ls 1 r f a c 七h a sb e e nc a r r i e d0 峨a n dt h el o n g - t e r md i s t r i b u t i o no ft h el o a d si s a n a l y z e d n l er e s u l ti su s e di nt h ed e s i g na n dm o d e le x p e r i m e n to f af p s 0 k e yw o r d s ：f p s o ；o v e r a l ld e s i g n ；m o o r i n gs y s t e m ；w a v el o a d ；o c e a ne n g i n e e r i n g 大连理工大学博士研究生学位论文 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丝酥兰么三 浮式生产储油船口p s o ) 设计建造研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者虢旌 冬一 导师签名 量幺 毡鲤左年月上日 一1 0 2 大连理工大学博士学t | 7 = 论文 1 绪论 本章对浮式生产储油设施f p s o 的设计建造进行了介绍。论述了f p s o 在海洋石油开 发中的地位及应用前景、回顾了f p s o 从七十年代至今的发展历程，对世界造船先进国家 和我国的f p s o 关键技术研究做了详细介绍，最后提出本文在关键技术方面的研究目标及 论文的主要内容。 1 1 研究工作的意义和目的 海洋是一个有待开发的巨大的资源宝库，它不仅富有水资源与生物资源，而且在海底 蕴藏着极为丰富的油气资源。石油和天然气在能源结构中占有相当重要的地位。当陆上油 气资源经过长期、大规模开发之后，世界范围内的油气勘探与开发重点己转向了广裹的海 洋，并逐渐形成了投资高、风险大、高新技术密集的能源工业新领域。世界上已被证实的 石油储量中海洋石油占5 0 ，预计到2 0 0 5 年海洋石油产量将占世界石油总产量的3 4 以 上。我国海域辽阔，其中大陆架面积约有1 1 0 万平方公里。渤海、黄海、东海和南海都有 大面积的沉积盆地，其中具有油气勘探价值的面积在6 0 万平方公里以上，预测的石油储 量达2 5 0 亿吨，这是我国海上石油天然气开发的丰富资源基础。目前，我国己制定了能源 调整方案，决定重点开发海上石油天然气资源。中国海洋石油总公司傅成玉总经理2 0 0 4 年2 月1 1 日一1 4 日工作会议上的报告中提出我国海洋油气指标是：2 0 0 8 年国内日产油当 量在1 0 0 万桶以上，其中海外产量达3 0 ，国内产量4 0 0 0 万方油当量。争取2 0 1 0 年国内实 现5 0 0 0 - - 5 5 0 0 万方，海外实现产油2 0 0 0 万方油当量。要实现这样的指标，必需加大海洋 油气开发的力度，因此海洋石油平台的市场十分看好。 海洋平台是海洋油气资源丌发的主要工具。随着海洋资源丌发逐渐向深海领域挺进， 传统的自升式平台己不再适用，国内外的石油丌发商纷纷采用半潜式钻井平台、张力腿平 台( t l p ) 、圆柱型平台( s p a r ) 和浮式生产储油系统( f p s o ) 等新式的深海石油资源开发工具 【1 心。浮式生产储油系统与常规油船不同，f p s o 储油轮无自航能力，通过首部的系泊装置 长期泊于生产区域。首部系泊装置一般有转塔式和悬臂式两种，系泊装置下的系泊系统由 多根锚链线组成。f p s o 储油轮可绕系泊点作水平面内的3 6 0 。旋转，从而使其在风标效应 的作用下处于最小受力状态。与其它型式的石油生产平台相比，f p s o 具有储油量大、移 动灵活、适应水深范围广、安装费用低、便于维修与保养等优点，有着广阔的应用前景。 它既是集生产、储油、外输、生活、动力于一体的多功能采油设施，又是石油化工、海洋 工程和船舶工程的集成产品。它是海上油气开采与储存的主要手段，也是海洋石油开发中 浮式生产储油船( f p s o ) 设计建造研究 非常重要，最有应用前景的装备之一。目前f p s o 投资从几亿至一百亿人民币不等，它能 否被有效合理的利用，将关系到海上油气田开发的成败。因此，f p s o 既是技术密集、又 是资金密集型产品。f p s o 设计、建造、安装技术将充分反映一个国家的工业水平和海洋 石油开发的综合能力。我国当前服役f p s o 的数量已经达到世界第一，f p s o 支持着我国 海上石油百分之八十的产能，被称为我国的海上石油舰队。我国是世界上新建f p s o 数量 最多的国家。2 0 0 7 年中国海洋石油总公司又将有南海2 艘大型f p s o 服役以及2 0 0 8 年中 国海洋石油总公司与美国c o n o e o p h i l l i p s 石油公司合作一艘浅水超大型f p s o 开发渤海湾 蓬莱1 9 3 油田。中国海洋石油总公司计划今后还有五艘f p s o 用于我国渤海湾和南海油田 【3 】。 从其近年来的发展趋势来看，f p s o 已成为世界海上石油开发中非常有应用前景的重 要设施，前景极为广阔。我国f p s o 的设计与建造技术虽已走在世界的前列，然而，事物 总是在向前发展，现有的技术必将不断面临新的挑战。f p s o 设计建造技术的研究对发展 船舶工业和海洋高技术产业具有十分重要的意义。 1 2 浮式生产储油设施f p s o 系统介绍 1 2 1 浮式生产储油设施f p s o 在海洋石油开发中的地位以及应用前景 f p s o ( f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f l o a d i n g ) 由于具有海域适应性好、经济性 好、可靠性高和可重复再利用的特点，它已被石油界广泛用于海上油气田的开发。f p s 0 作业海域的水深从2 0 m 到2 0 0 0 m 不等；适应海况的能力都达到5 0 1 0 0 年一遇的环境条 件【4 】。在海况非常恶劣的北海和南中国海海域，f p s o 的应用也非常普遍。现有新建f p s o 的设计寿命都在2 0 3 0 年以上，并能做到在长期的海上作业期间，不解脱进坞维护，能 做到长期连续安全生产。f p s o 装置投资省、建造周期短、迁移方便、可重复使用，非常 适用于边际油田的开发 5 1 。f p s o 是技术成熟且安全可靠的海上采油重要设施之一。随着深 水油气田的开发利用，f p s o 将更加显现出它的优越性，它也将成为海洋石油开发的一个 新兴产业，前景极为广阔。 1 2 2 浮式生产储油设施f p s 0 的发展历程 2 大连理工大学博士学位论文 f p s o 设计建造从二十世纪七十年代末开始，1 9 7 7 年8 月，西班牙壳牌( s h e u ) 公司首次 将一艘商业油船改装成f p s o 装置，并用于距西班牙的塔拉戈拉f f a r r a g o n a ) 6 4k m 、水深 11 7 m 的地中海卡斯特伦( c a s t e u o n ) 油田。这套f p s o 装置的设计使用寿命为l o 年，建造 周期6 个多月，可独立进行海底完井。从二十世纪七十年代末到二十一世纪初，f p s o 的发 展大致经历了“三次浪潮”。 ( 1 ) 从1 9 7 7 年到1 9 8 5 年：这是f p s o 发展的早期阶段，在这一阶段f p s o 出现并成 为浮式生产系统的可行性选择之一。 ( 2 ) 从1 9 8 6 年到1 9 9 4 年：这一时期的标志是，技术迅速发展，f p s o 的使用扩大到 更广大的地理范围，其生产量更大，所在水位更深。在这一阶段，总共布置了2 0 艘 f p s o ，或者说平均每年布置2 艘左右。 ( 3 ) 从1 9 9 5 年到2 0 0 0 年：这是f p s o 数量爆炸性增长的时期。在这五年中，约有 4 4 艘f p s o 装备于世界上各个主要近海产油区。英国装备最多，其次是巴西、东南亚等 嘲。 到目前为止，全世界已有一百多条f p s o 在服役，它们主要分布在北海、巴西沿岸、 西非沿岸、东南亚和中国。据 o f f s h o r e ) ) 统计，截至2 0 0 3 年4 月全世界投入运行和在建的 f p s o 为1 1 9 艘nf p s o 的吨位已从初期的几千吨级，发展到现在的4 0 多万吨。根据不同油 田的使用要求，f p s o 可采用新建、改造和租用的方案。现阶段由于人们对f p s o 的重新认 识及油田使用要求的提高，f p s o 多采用新建方案，伴随着新的设计概念和新的规范出台， 目前f p s o 已逐步摆脱船舶概念，向海洋工程方向发展。 随着中小油田及边际油田开发的需要，出现了多种多样的f p s o ，如：小吨位且紧凑 的f p s o ；为了适应多点系泊系统的应用，船体采用非船型设计的f p s o ；新型深水系泊设 计概念，全新f p s o 设计概念的深海开发f p s o ：以及l p g 和l n g 型等海上浮式生产储 存系统。由于f p s o 作为海上油气田开发中的重要工程设施之一，工程投资和进度控制历 来都是油气田建设的重要内容和环节。因此，它的发展备受各石油公司的关注，并作为海 洋石油开发的重要研究课题。 1 3 当前f p s o 技术的发展 1 3 1 世界范围f p s o 技术的进展 3 浮式生产储油船a 卞s o ) 设计建造研究 随着海洋开发的要求提高，近年来，英国、挪威等世界先进造船国家在f p s o 关键技 术的研究方面都有很多进展。 于1 9 9 3 年3 月完工的英国“g r y p h o na l p h a ”号浮式生产储油卸油船，是北海油田第 一艘永久系泊的f p s o 。该船采用了大量新开发的技术，如转塔的新式传输系统，把海底 设备与工艺和控制设备联系起来，用来传递油气以及通用设备、电力装置和测量仪表的信 息i s l 。 “u i s g eg o r m 号是英国北海油田第一艘改装的单壳体f p s o ，该船所在水域海况差和 水浅的情况，使该船的系泊系统成为世界上最经得起考验的系统之一。在系泊缆的布局方 面，布置了9 根缆，并将其分为3 组，每组3 根，从而取代了等间距布缆的方法。这种新 方法在锚链强度相同的情况下使其支持能力提高5 0 ，此外还消除了布缆区内系泊缆过度 集中的现象。锚链和钢丝绳组合系泊缆辐射状延伸达到1 6 0 0 m 。【9 】 纽芬兰岛附近的“t e r mn o v a 号f p s o 是世界上第一艘在有大块浮冰群环境下使用的 f p s o 。从格林兰岛向南漂浮而来的冰山周期性通过f p s 0 所在水域，同时可达到1 7 3 0 c 的低气温和最大浪高2 5 m 的巨浪，都是对该船的严峻考验。这种情况下的立管和系泊系统 的设计对工程技术人员来说，是一个相当大的挑战。对此，该项目组提出以下新的设计技 术进行解决： ( 1 ) 立管着地部分的三层外套可以提供抵御极端海况所需的抗挠曲、抗弯曲的能 力； ( 2 ) 在解脱的过程中，立管上部管段的双层护套可以防止异常磨损和冲击； ( 3 ) 世界上最大的浮式夹紧装置可以承受巨大的环境载荷。 全锚链系泊系统使用5 7 5 英寸的粗锚链，9 根锚链每根长7 5 0 r n 。整个设计完全解决 了该f p s 0 抵抗恶劣环境的问翘1 0 1 。 由美国公司设计的位于北蒂汶海的“b u f f a l o ”号f p s o 的单点系泊系统，在世界上 首次解决了该船所在水域海底罕见地形构造带来的技术问题。该船恰好系于一个海底浅滩 的陡边附近，特殊的单点系泊系统设计使该船的2 只锚系于不超过3 0 m 水深处，而其余4 只锚则系于超过3 0 0 m 水深处【l i 】。 挪威l m g 海事公司是挪威历史最悠久的独立的船舶工程公司之一。近5 0 年来，有 1 0 0 0 多艘船是按该公司的图纸建造的。该公司率先提出浮式钻井平台生产储油卸油船 ( f i ) p s 0 ) 设计方案。由于大多数固定式钻井平台都有自己的钻井设备，除了完成本身的 钻井计划外。这种设备还可用于低成本的修井作业、提高采油率、完善廉价的袋状油藏的 勘探钻井、延长油田寿命等等。常规的f p s o 则完全依赖船舶以外的辅助设备来进行这类 工作，通常需要使用费用高的钻井机组。这样就有可能使油田过早地被废弃掉，结果遗弃 4 大连理工大学博士学位论文 了大量未枯竭的和有价值的油气藏。同时，常规f p s o 一直依靠相对复杂和成本高昂的转 塔和旋转接头来解决船舶随着风向改变转向的问题。复杂的系泊、立管转塔可能还会使回 接到船舶上的立管的数量受到限制。因此，l m g 海事公司在“s e at w i n ”号f d p s o 开发 项目上的主要目标是，把钻井或修井设备引入一艘单壳体的f p s o ；简化生产转塔和旋转 接头的使用，或者使其具有冗余；在保持安全性、降低复杂性和减少成本的同时，增加立 管的数量。而且该船的双船首设计使该船可用两端迎受风暴，同时每端仅需转动正负 9 0 0 ，这种转动限制也使设置系泊转塔变的没有必要了。由于没有成本高昂的转塔，可使大 量的资金用于引入钻井设备等1 1 2 j 。 当前，f p s o 的主要发展特点和趋势是： ( 1 ) 工作水深逐年增加、抗风暴能力增强。随着采油工作水深的增加，大于1 0 0 0 m - 1 - 作水深的f p s o 在逐年增加，当前f p s o 的最大工作水深已经达到2 0 0 0 m ，新设计的 f p s o 工作水深目标为3 0 0 0 m 【l 习。以上f p s o 的适应风暴大都为5 0 年或1 0 0 年一遇者，有 相当数量属于非解脱型( 即在大风暴来临时，仍然锚泊在采油原位而勿须将船用液压连接脱 卸机构快速解脱而避风浪) 。 ( 2 ) 原油储存能力增大，船的主尺度和载重吨位提高。目前世界上正在服役的最大 f p s o ，其储油能力已达3 5 万t ( 3 ) 原油，生产水的处理能力增强。 ( 4 ) 增加天然气的处理和转换成压缩天然气外输的能力。 ( 5 ) 锚泊能力和动力配置能力增大，动力定位技术等均有新的发展，适应海况能力增 强。 1 3 2f p s o 船型的新发展 随着世界各国对能源需求的持续增长及f p s o 技术的不断成熟，f p s 0 的应用领域也不 断拓展，各种新的船型相继涌现。 ( 1 ) f p d s o f p d s o ( f l o a t i n gp r o d u c t i o nd r i l l m gs t o r a g e & o m o a c u n g ) 是由瑞士s b m 公司提出的一 个设计方案，它把油气钻井设备并入f p s o 装置中，即在f p s o 的中部开口，增设张力腿 钻井甲板( l 1 d ) ，用张力筋腱将钻井甲板系于海底，采油树及防喷器均置于钻井甲板上。 这样，引系统就既可用于钻井、采油，又能进行生产处理及储运。 5 浮式生产储油船( f p s o ) 设计建造研究 ( 2 ) l n g f p s o l n gf p s o 是浮式液化天然气生产、储存、卸载装置。近年来，随着油价的不断上涨 和人们环境保护意识的增强，世界能源结构在逐渐发生变化，天然气正在成为最受欢迎的 能源之一。 l n gf p s o 集液化天然气的生产、储存与卸载于一身，简化了海洋天然气的开发过 程，投资省、建造周期短、现金回收快。而且f p s o 远离人口密集区，对生活环境影响较 小，可避免陆上l n g 工厂建设可能对环境造成的污染问题。此外，该装置便于迁移，可重 复使用，当开采的气田衰竭后，可迁移到新的气田投入生产，尤其适合于边际气田的开发 利用。 l n g f p s o 船壳结构与l n g 运输船类似，由单点系泊系统长期系泊于作业海域，海 底管道通过柔性立管连至系泊系统，开采的天然气由井口平台经单点输送至海上的l n g f p s o ，经过上部模块液化处理后，储存进l n g 液舱内。美国康菲公司在印尼开发的 b e l m 峪k 油田就设置了一艘l n gf p s o 。 1 3 3 我国f p s o 技术的新突破 f p s o 作为当今世界的高技术、高附加值的新型海上石油开采的关键设施，越来越受 到海洋石油界和造船界的重视。过去，大型f p s o 的设计制造主要由国外公司垄断。许多专 用设备( 如单点) 更是如此。令人欣慰的是，自从上个世纪八十年代改革开放以来，国内 同行经过多年的努力探索，从小型f p s o 开始，跟踪国际最新设计技术，逐渐发展出了大型 f p s o 的设计建造能力。 我国海洋石油公司于1 9 8 7 年为渤海b z 2 8 1 油田建造了5 万吨级的“渤海友谊”号 f p s o ：九十年代中期投产的“渤海明珠”f p s 0 是国内第一次依靠自己的技术力量，按国 际标准设计建造的6 万吨级的f p s o ，用于自营油田开发，它具有冰区作业功能，设计寿命 达2 0 年。由我国自行设计、建造的第一艘f p s o 是在1 9 8 9 年，由中国船舶工业第7 0 8 研究所 设计、上海沪东造船厂建造的“渤海友谊”号。它采用软刚臂系泊方式，工作水深2 3 m 。 2 0 世纪9 0 年代，中国海洋石油总公司又相继建造了“南海发现”号、“南海开拓”号和 “南海胜利”号，分别在南海惠州油田、西江油田、流花油田和陆丰油田作业。进x , 2 1 世 纪，又有“渤海世纪”号、“南海胜利”号、“海洋石油1 1 3 ”号等一批新l - 童f p s o 投入运 行i l “。由上海7 0 8 研究所和大连造船新厂设计、建造的1 5 万吨级f p s o “渤海世纪”号和 6 大连理工大学博士学位论文 “南海奋进”号是我国自行设计与建造的第二代f p s o 。“渤海世纪”号于2 0 0 1 年7 月2 8 日 交付使用。“南海奋进”号f p s o 于2 0 0 2 年7 月2 4 日交付使用。装备于南海的文昌1 3 2 1 - 1 3 2 2 油田。该船f p s o 所在水域是世界公认的三大恶劣海域之一，该f p s o 所采用的非解脱式内 转塔式单点系泊系统，是当今国际上f p s o 系泊系统的最先进形式。设计要求该船必须保证 能在百年一遇的海况下保持原位，目前世界上只有少数国家能够掌握这种技术。 在二十多年时间内，我国在f p s o 规划、设计、建造、操作方面，已经积累了相当的 实践经验。以下是我国关于f p s o 的部分研究成果介绍： ( 1 ) 冰区作业的f p s o 在冰区海域开采石油，使用永久的浮式储油装置是一个世界性课题，到目前为止技术 水平还不能达到，但我国已经可以使用软刚臂单点系泊系统( 可解脱式永久系泊系统) 在 渤海海域做到常冰年和轻冰年下坚持生产，重冰年时系泊系统解脱，保证f p s o 的安全。 ( 2 ) 浅水条件下的f p s 0 我国率先提出具有国际先进水平的f p s o “浅水效应”的研究方法。相对于海洋工程 而言，f p s o 的“浅水”是一个相对概念，当水深与浮体吃水的数量级相当且接近( 水涮 吃水小于等于1 3 ) 时，称该水深为“浅水”。研究发现；大型浮体在浅水状态下，随着 水深与吃水之比进一步减小，其运动特性发生较大变化，主要表现为：平面漂移运动加 大，垂向及摇摆运动减缓；当浮体吃水越接近水深时，垂向及摇摆运动减缓越明显，这种 物理现象称为“浅水效应”。 利用“浅水效应”进行优化设计，已经可以使载重型船舶载重量提高6 9 ，船体钢 采用量减少，总纵强度改善。在开发b z 2 5 1 油田中，使f p s o 在“百年一遇”的海况下不 碰海底且提高装载能力3 万吨，缩短设计工期4 个月。 ( 3 ) 多单元多燃料特大型电热站的一体化设计理念 我国在f p s o 中采用特大型多燃料电站与热战系统及3 5 k v 高压输配电系统，规模已达 3 7 m w 电站和4 0 m w 热站，容量已名列世界前矛。 ( 4 ) 台风高发海域的不解脱式f p s o 国内首次解决并突破f p s o 在台风环境条件下的永不解脱的波浪诱导载荷预报，及 f p s o 作业与检修状态下的总强度分析的概念，成功地控制f p s o 在台风高发海况下中垂弯 矩荷载，优化载体线型及改善运动特性，提出了甲板上浪与模块安全的有效措施，解决了 恶劣海况下f p s o 的关键技术。提出并修正了外国公司的单点系泊与f p s o 载体及环境荷载 不匹配的原则性技术，确保了文昌油田的正常实施，降低了单点设施投资，且安全系数提 高了1 6 。 7 浮式生产储油船0 f p s o ) 设计建造研究 ( 5 ) 在国内首次研究将“y ”型防撞舷侧结构用于f p s o f p s o 通常是无自航能力的驳船船型，它通过特殊的单点系泊系统长期固定在工作海 域而不进坞检修，在整个服役期内承受着各种工作与环境载荷作用。所以f p s o 的结构要 求远远高于常规油船，以确保其功能。其中f p s o 所承受的波浪载荷视其工作海域的海况 而异。众所周知，船舶在海上航行的运动、载荷及振动响应都与海浪密切相关。海浪是瞬 息万变的、十分复杂的随机现象，船舶与波浪的相对位置也时刻发生变化，因此船舶运动 和波浪载荷也是随机变化的。船体所受的波浪弯矩和剪力，涉及到航速、航向、波长、波 高以及船舶运动等因素，计算非常复杂。因此，对f p s o 而言，波浪载荷的理论计算日益 被人们重视。随着波浪载荷理论的不断完善，特别是计算机技术的发展，以及数值计算、 有限元分析和谱分析法的进展，使得复杂的理论分析用于工程设计已成为现实。 ( 6 ) 世界一流的项目管理水平 随着世界海洋开发节奏的加快和海洋工程制造商能力的提高，海洋工程项目普遍存在 项目工程周期要求越来越短的特点，同时海洋工程本身存在项目投资较大，项目相对复 杂、子项目之间干涉协调很多的特点，项目的延误会对业主的投资回收产生很大的影响。 因此，海洋工程总承包商和业主在项目实施中一般都采用“项目管理”的基本原理、组织 形式与专门手段，同时对具体的承包商也要求采用相应的管理方法和手段。海洋工程项目 管理组织的基本特点不同于船舶行业在生产组织上多采用“职能型”的管理方式，及局部 应用的项目管理理念。相对而言，项目管理是个信息交换更及时、准确、广泛的组织形 式，同时也是一个决策及时的组织形式。 船厂作为海洋工程的承包商，一方面要适应于业主( 或总承包商) 的管理需要，同时 也要适应工厂内部的资源使用、固有的组织等内部动作体系的特点。但必须采用项目管理 方式满足业主沟通的要求以及实现对项目的协调，这是适应市场的必要条件，同时也是丰 富和提高船厂产品管理水平的很好途径。 ( 7 ) 两大段船体的对接新施工工艺 大连新船重工在建造c f d - 11 的1 5 万吨f p s o 中，由于当时大坞造船计划已经排 满，长2 7 4 0 9 m 的f p s o 只能在长2 5 0 m 的船台建造。为了保证f p s o 的按期交船，大连 新船重工大胆采用了半船建造、船台下水、船体首尾两大段进行船坞中水上合拢的新技 术。在国际上，创新了大型船体建造的方法。 ( 8 ) 内转塔式单点系泊结构的焊接新工艺 南海奋进号与海洋石油1 1 1 号f p s o 均采用挪威a p l 公司设计的内转塔式单点系泊系 统，该系统的主要结构单点浮子穴是在f p s o 船体艏部分分段内。这种形式的单点系 统中，系泊浮子与浮子穴是关键部件，各个方向的系泊力都是通过系泊浮子浮子穴将 8 人连理工大学博士学位论文 作用在f p s o 上的环境力传到9 根锚缆与抓持在海底的锚上。因此，浮子穴结构是强力结 构，要传递成千吨的系泊力，而且要求建造与安装精度很高，结构装配与焊接要严格控制 公差。在常规的造船技术中，钢质部件的建造都是按下料、装配、焊接，然后进行机加工 等顺序完成，若用常规的建造方法建造浮子穴，可能出现问题。上海外高桥船厂采用新的 焊接工艺，成功的解决了大型铸钢件与钢板的焊接，高质量的建造了海洋石油1 1 1 号 f p s o 上的浮子穴结构。 1 4 目前f p s o 部分技术问题的研究概况 随着海洋石油开发发成为世界各国关注的热点，对海洋开发需要的采油平台的研究也 得到了广泛的关注。由于f p s o 的独特性，各国的研究和设计单位都对f p s o 的设计建造 中的各种问题开展了大量的研究工作。世界主要船级社如d n v , a b s ，b v , l r 等也积极推 出f p s o 的专用规范及相关的指导性文件和规范设计软件【1 s l 1 q 【1 t i t l 8 1 。当前研究的热点主 要有，f p s o 的船体结构强度和抗疲劳性的问题，准确预测f p s o 系泊和立管系统的响应 和载荷问题；同时，在系泊系统的设计中，如何准确计算或通过实验模型得到f p s o 的环 境外载荷也是近年来的一个研究热点。 1 4 1f p s o 结构设计技术的研究 老式的f p s o 多采用油轮改装，为提高安全性和操作性，近年来f p s o 大多根据规范 制造，这些新的f p s o 船体呈长方形状以增加可用体积。因此f p s o 的设计建造和普通油 船的设计建造有很大的区别，而更接近于海洋平台的设计建造，所以其设计技术难度大、 管理工作要求高。设计中遇到的常见问题有：f p s o 浮体布置；模块支架的结构型式设 计；首部甲板上浪的预防等。 赵耕贤f 3 1 【1 9 2 0 1 ，徐桂龙，李文英阱对f p s o 的设计中的问题进行了大量的分析。张武 奎等圈简要回顾了国内外f p s o 的市场空间及技术发展，介绍了中浅水、深水f p s o 方案 的适用性并讨论不同海域的设计要点，其中主要包括一些关键技术，如f p s o 船体系统， f p s o 系泊系统，f p s o 立管系统等，以及f p s o 关键技术在中国的应用选择。范模 2 3 1 ，桑 松等伽对f p s o 的技术经济评价指标分析和设计方案论证进行了研究，景宝金 2 5 1 根据“渤 海世纪”号设计建造的经验，总结了f p s o 的设计技术难点，并在加强管理工作方面提出 了对策。孙波1 2 6 1 通过大连新船重工在建造b e l a n a kf p s o 项目中的设计建造实践，对浮式 9 浮式生产储油船f f r s o ) 设计建造研究 生产储油船的设计和建造过程项目管理工作进行了总结，提出了一些海洋工程项目管理的 有效经验和办法，为今后承接大型海洋工程项目提供了参考和借鉴。肖启粱【2 7 】对秦皇岛 3 2 - 6 油田开发工程中渤海世纪号浮式生产储油装置的选型、主要性能、主要特点与需要改 进之处进行了分析。吴伦楷田】根据我国南海陆丰2 2 1 油田浮式生产系统的某些特点，对当 今浮式生产系统的一些特点和其发展动向进行了分析。于逢平，潘永泉网对大连新船重工 首次通过国际竞标中标的2 3 万吨f p s o 项目建造过程中的过程管理及控制系统进行了介 绍。金强 3 0 1 结合渤海世纪号f p s o 的总体设计，总结了在f p s o 设计中牵涉的主尺度选 择、型线设计、总体性能、总布置等带有共性的问题。蔡乾亚】对江南造船集团为挪威建 造的6 0 万桶f p s o 的技术特点进行了介绍，对f p s o 设计中的型线设计，稳性计算，总 布置，结构设计和强度分析，系泊系统设计等问题进行了详细分析。魏海等【3 2 】对蓬莱1 9 - 3 f p s o 和渤中2 5 1 f p s o 的设计进行了对比分析。付为民，刘金兆p 3 】介绍了f p s o 的防污 染检验所要注意的问题。 在f p s o 结构设计和强度分析方面，周永青，陈德林聊j 对秦皇岛渤海世纪号1 5 万 d w t 级f p s o 船体中剖面设计进行了分析。樊宏波d 5 l 对f p s o 设计建造中单点与船体的连 接、上部工艺模块与船体的连接、甲板吊机与船体的连接、动力模块与船体的连接等问题 进行了讨论。范模【3 6 】利用浅水效应对浅水中f p s o 的设计进行了优化，并讨论了y 型舷侧 结构在f p s o 上的应用。曾恒一等 3 7 1 针对p l1 9 2 3 油田浅水中的超大型f p s o ，研究了浅 水超大型f p s o 波浪诱导运动和载荷的预报，并与常规型v l c c 比较，重点阐述了模块支 墩特殊结构载荷的“等效力偶法”的设计技术。m a r e o sj o s e 等【3 8 】对f p s o 的生产甲板的结 构设计和强度分析进行了讨论。h u a n g 和m o 锄网对f p s o 结构强度校核中使用的静水和 波浪弯矩计算方法进行了分析。江建协，何炎平，谭家华等对一条3 0 万吨级的f p s o 的结构强度分析研究，分别用按规范校核总纵强度和结构强度有限元直接计算来进行结构 强度分析，并对结果进行比较，分析了它们的差别和原因，给出了应用范围。骆伟等【4 1 1 应 用自适应步长随机搜索法，对p l l 9 3 油田的3 4 万吨级f p s o 中横剖面进行了优化设计。徐 田甜 4 2 1 应用结构强度有限元对渤中3 4 油田f p s o 工艺模块改造工程的结构设计进行了分 析和校核。徐亦斌等【4 3 】运用m s cp a w a n 、m s cn a s t r a n 程序对“南海奋进”号f p s o 的内 转塔式单点系统进行了局部强度分析研究。赵耕贤，刘晓明删应用有限元分析方法，对 “海洋石油11 1 ”号的船体梁的变形对模块支撑结构的强度的影响进行了分析，提出了合 适的模块支墩形式。谢永和，李润培【4 5 j 对超大型f p s o 的水弹性响应进行了研究。胡志强 等 4 6 1 应用非线性有限元数值仿真技术对y 型f p s o 舷侧结构的耐撞性进行了分析。h a i b o c h e n l 4 7 应用随机模型对f p s o 与穿梭油轮之间发生的碰撞进行了分析。 1 0 大连理工大学博士学位论文 f p s o 结构强度分析的一