浮式生产储油船_FPSO_设计

1、船舶设计与研究浮式生产储油船(FPSO)设计中船舶及海洋工程设计研究院 赵耕贤提 要海洋石汕开发中，浮式生产储油船相对海洋平台而言，u有初投资小、能转移地点巫父使用等优点，己成为u 前1比界海上油出开发的流行设施。本文以“南海奋进”号为对象，旨在着重描述FPSO船体设计中应考虑的垄本问 题其中对船体形状、强度、工艺流程模块支墩型式等作了一定介绍。关键词:FPSO模块支墩上海造船2002年第2网nic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wwv:nla?net上海造船2002年第2网nic Journal

2、 Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wwv:nla?net1概述辽阔的海洋约片地球表而积的71%。据估计, 海底石汕储址约为1350亿吨，占世界总储呈的2/ 3； 天然气储量约14()万亿立方米。在能源消耗与L1俱 增的今天,对海洋石油的钻探、开发及生产有着巫要 的意义。人们在海上油出开发中，除了用多点系泊 的海洋平台外2()世纪70年代在欧洲出现了单点 系泊的浮式生产储油船(FPSO)。它是以浮式生产 储油船为基式对开采的石油进行油水气分离、处理 含油污水、发电、供热、原油产品的储存和外输集人 员居住和生产指挥系统

3、为一体的海洋大型石油生产 基地。它相对海洋平台，具有初投资小，而且能转 移地点雨复使用等优点。该船型20世纪X0年代 有了进一步发展，并开始用新设计与建造的FPSO 投入海洋石油开发，近10多年來，己成为世界海上 油出开发的流行设施。中国近海石油勘探是从20世纪50年代末开始 的物探普査发现了渤海、南黄海、东海、珠江口、莺 歌海、北部湾6个大熨含油、气的地质盆地.我国沿 海储藏着呈带状分布的油气Hlo 20世纪80年代 中期我国IH行研制的第一艘用于渤海湾24 1油山 附渤海友谊”号FPSO T 1989年4刀交付使用至 今(见图1),并有渤海长青”号、“渤海明珠”号、“渤 海世纟己号在渤海油

4、IH投产;“南海奋进”号正在南中 国海文昌油HJ安装;番禺4-2/5-1 FPSO也正在上海 外髙桥造船责任有限公司建造。其中“南海奋进”号 和番禺4-2/5-1 FPSO是在强台风海域服务的永不作者简介：赵耕贤，男，研究员。1941年生,1964年毕业F上 海交通大学船舶制造系，长期从事船舶结构设计 与研究。图1 “渤海友谊号FPSO 解脱、内转塔式15万吨级的FPSO。2001年綢民晚报披露，渤海湾发现7亿吨油 田,其中渤海中部蓬莱3油田是目前中国最大的 海上油山，储量仅次丁大庆汕111。我国海洋石汕开 发耍在21世纪初实现4个“ 1000万吨”的目标(南 海、渤每和南海西部各1000万吨

5、，国外回报1000万 吨)o其中，FPSO将为海洋石汕开发起到重耍作 用。国外SBM公司、KVAERNER公司曾多次在国 内咨询15万吨级和30万吨级FPSO的设计,寻求 合作伙伴。据专家预测，FPSO任21世纪初将成为 我国海洋工程一个新的高附加值产品。本文以内转塔式FPSO为对象，着重描述FF SO船体设计屮应考虑的基本问题.其中对船体形 状、强度、匸艺流程模块支墩型式等方而作了 一定的 介绍。2船型特点FPSO 一般处在多个无人驻守的井口平台之 间，作为整个油出的中心。在船首往往设有一个可 解脱式的单点系泊系统。在油田lE常生产中，FPSO 接收并处理由海底管线输送來的井口平台的原油.

6、处理合格的原油储存在FPSO的货油舱内。穿梭油 船定期串靠或旁靠EPSO,并通过特殊的卸油系统 将合格的原油输出.以确保梢个油出的连续生产。 F PS 0还能提供油出生产人员、修井人员及临时作 业人员的居住.并迪过海底电缆向多个井口平台供 电。FPSO通常是无白航能力的驳船教、方尾和一 层连续甲板。上甲板尾部布置用丁穿梭汕船串靠的 系泊设备及卸汕系统。生活区布置在上甲板首部或 尾部。在其生活区的顶部设有一个信号雷达桅及由 空间钢架结构组成的任升机平台。在上甲板上布置 生产工艺、热介质、计最、发电、变压器室和控制室的 模块。在上甲板或首楼甲板上设置一定高度的火炬 塔。所以，FPSO的基本特点是：

7、无推进动力特殊海况单点系泊不进坞检修受载复杂系统和电站复杂安全要求I岛3设计准则FPSO不同丁普通船舶，除了耍遵循船级社的 规范(“船1建造入级规范”，“移动式海上平台规 泄,“浮式生产储油船建造与入级规范”)，国际海事 组织(1M0)的MAPOL和SOLAS公约以及国际海 上石油合作论坛(OC1MF)的要求外,一般还要涉及 下列协会的许多特殊的技术标准(见图2):美国石油工业标准(API)美国机械匸程师协会(ASME)美国国家匸业标准(ANSI)美国材料试验协会(ASTM)美国焊接协会(AWS)国际电气匸程师协会(IEEE)国际电工委员会(IEC)美国测试设备协会(ISA)国际I：程师防腐协

8、会(N A CE)国际电气制造协会(NEMA)国际防火协会(NA)国际标准化组织(ISO)其中涉及API的标准就有3X份之多。如果FPSO在某个国家所属的海域中进行作 业，则必须满足该国行政部门的强制性规定。如用 在没有相应规定的国际海域，则船级社可以提供一 个能被政府部门、保险公司或其他团体所接受的独 立标准。其中,MARPOL和SOLAS的规范适用范 I也可由国家行政部门和船旗国决定。此时,业主与 其他团体在早期阶段讨论他们的建议是币:耍的小。图2与FPSO关联的技术因索4船体形状与尺度目前,FPSO基本上有新建与改装两种选择。 对旧船改装,船型与尺度一般很少改变。改装现有 船舶的唯一因素

9、是成木低而且花费的时间亦短。如 果改装匸程计划在一年内能完工，那么新建船舶通 常需耍两年。业主进行新建与改装决策时，应着重考虑下述 的因素：现有船舶适用性新船的市场形势地理环境和汕山开采时间将來移位的适应性外输的方便件适用的政府法规在旧船选择时应该明了, FPSO必须符合油田 开采期内永久系泊在露天海况，并需承受长期的疲 劳应力和总强度耍求。因此,应特别注意对被选用 的改装船舶进行结构评估，而不能认为它原先的设 计仍适用丁新用途。除了针对新的使命修改外，还 耍对-般结构进行一定程度的翻新和修理。翻新和 修理范围取决丁以下因素：以前的营运情况油舱涂 层的质Q和维护悄况，原有构件是否超过规范最小

10、值,主船体在近儿年内是否进行修复。值得注意的 是,尽管许多旧汕船在建造时增加了构件尺寸.近儿 年内新汕船的结构也是非常优也但仍然需耍进行 仔细的维护。根据11()的海洋环境保护委员会决泄，那些仅 用丁储存和生产石汕、系泊在固定海域的FPSO,除 上海造船2002年第2网nic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/wwv:nla?net在极端或危险坏境外，一般不需要遵守M/XBPOL 现范中13到13（；的规定，除非其作海域的沿岸 国家有特别要求。亦就是不强制需耍双壳结构，新 设计的FPSO可以采用单底结

11、构。有关汕舱和斥载 舱的布宽.业土最好在设计早期就与沿岸国家的行 政机关讨论淸楚川。表1给出了 FPSO与大型油船的大致尺度范 围,2-3,o表中两者的差异在于FPSO是个复杂的海 洋匸程结构物.它的尺度选择除了考虑船舶木身的 特征以外，更雨耍的是兼顾工艺流程、单点形式后的 综合考虑。表1FPSOLCCL/H4. 5 6.56L/D13.010- 10.5B/D1. 7 2.31.9d/D0.65- 0.690.69Cb0.94 0.960. 85 0.935工艺模块支架形式FPSO的生产工艺、热介质、计最、发电等模块 一般克接安置在工艺模块平台上。如上节所述，本 船为了管线和维护、消防耍求及

12、考虑上浪对模块设 施的影响，并综合考虑对稳性的影响，该平台平而最 后改为4m高。每个模块平台都有一支撑结构，通 常采用工字梁剖而的普通刚架形式，如图3所示。事实上，这种结构用丁海洋平台比较合适，因为 其H身刚度很大，平台平而内的变形很小。但船体 犹如一根梁,受载后会发生纵向弯曲变形。图3所 示的刚架，除了承受上部模块设备的重力、风载和惯 性力夕、，还耍考虑A、B、C、D点的船梁变形的影响。 这种形式会使刚架在上甲板连接处不可避免地产生 裂缝，事实上这种现象己时有发生。所以这种传统 式刚架，仅用于较好海况的海上汕Hl o-般FPS（）构逍复杂，以至不能藉助数学分析 方法进行可靠性分析，大多数FP

13、SO都需要进行模 型试验或等效的动力分析，以确定立管、锚泊系统的 配置、船舶的响应、锚链尺寸。另外,系泊丁海上的 FPSO常受到波浪作用（特别是曲部）。当波浪在干 舷以上，就导致甲板上浪。甲板上浪损坏上层建筑 甲板板、舱口和上部设备的事时有发生。“南海奋进”号的适航性研究（包括数值分析和 模型试验）表明，首楼屮板应尽量向后延伸，以避免 更多海水涌入上中板这比设置挡浪板更有效。当 然，设置一个挡浪板作为首楼中板的延伸也是有益 的而H押良板设在首楼屮板比设在上甲板更有效。 在模型试验屮首楼屮板上设置r两个传感器用r 测量中板上浪的高度和海水进入屮板的水平速度。 测得甲板上浪的最大高度为4口水平速度

14、为9m/So 甲板r.浪的高度，随着离舷墙距离增加而明显地f 降。由试验结果，该船的首部干舷增加了试验中，对首部区域的砰击也予以关注。由于 横摇和纵摇运动均町形成船体与波浪间一个相对的 运动和速度，并构成较大的砰击载荷。船模试验表 明,在首部区域没有发现任何不利的情况。模块甲板离主甲板有一个足够的高度是十分重 耍的，以避免遭受舷侧上浪的损坏。原先设计时，模 块甲板中心线高3m.后來增加到4m,使上浪海水与 匸艺甲板之间保持1 2m的距离，以便加工设施位 在甲板上浪威胁范围之外。图3普通刚架图4巴西FPSO的模块支墩形式图5 “南海奋进”匕采用的模块支墩形式模块支墩形式研究tt多.其中巴西FPS

15、O曾采90图6 “南海裔进”号模块支墩结构叫77HL7V图7 + 2/ 5 1 FPS0模块支墩的新结构形式 用图4所示的形式。由丁这种支墩形式在恶劣海况 下仍未消除支墩反力过大的因素，所以“南海奋进” 号采用了如图5所示的结构。为了忽略船梁变形对刚架的影响，在FPSO设 计中，刚架与船体上卩板之间宜采用活动连接，至少 沿船梁的纵向可以移动，即单跨简支梁形式。一般 单个模块可采用2 3排支墩。“南海奋进”号模块支墩结构的有限元分析指 出，图6形式的应力水平除了肘板趾端应力偏高外. -般都不Ao这种形式较“南海胜利号的有佼大的 改进。模块支架下的支墩形式在番禺4-2/5-1 FPSO设 计中(正

16、在建适)推出另一种新的形式，如图7所示。 经有限元分析可见,这种形式在保证同样功能下，采 用的材料更为节省。6强度FPSO船体结构主要按规范设计及相应的结构 分析,它应能承受下列各种载荷：静水工况生产期间的外部环境匸况外输匸况从单点解脱之前的极限丁况维修或检査期的工况从建造厂移位到海上油IH过程中的拖航匚况在上述6种工况下，工艺模块所引起的诱导 载荷破损匸况,诸如雨物坠下的冲击载荷、碰撞我 荷刚开始设计时耍全而考虑上述载荷是不可能 的，也是不现实的因存在很多不确定因素,只能先 解决整体强度及一些主耍构件的屈曲强度0(1) 方法软件分析模型试验型船比较(2) 静水弯矩Ms-艘FPSO的总布置(包

17、括货汕舱、压载舱的划 分)确定后最大静水弯矩值是客观心在的只是设 计图纸文件还在制作阶段，一时來不及取得。应用 船级社的计算软件研究中剖面构件尺寸时,必须要 输入静水弯矩(中拱和中垂)，这就需耍求助丁经验 或参考型船。经研究，基本上获得了下述的概6,： 油船中拱状态的静水弯矩总是大丁中垂状 态的静水弯矩，而FPSO刚好与此相反。 油船的静水弯矩值(无论是中拱状态还是 中垂状态)随载巫虽的增加而增人，而EPSO并非完 全如此。FPSO甲板上部的生产工艺、计暈、发电等 模块的数量多少与其如置位置是导致这种差异的主 耍因素。国内已完成了不同系泊形式、不同载巫暈F2 SO的研制为新的设计开发积累了一泄

18、的经验。(3) 波浪弯矩AG船舶在不观则波浪中航行时，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。在船体结构设计中，主 耍有下述三类方法。国际船级社协会(1A CS)的计算公式通常，用标准波浪代替实际波浪船体静置在标 准波浪上。研究发现波高越离,浮力变化越大，波 浪弯矩也随之增加。长150m以下的船舶,波高采 用1/20波长计算波浪弯矩己足够。而对船长超过 15(hn的大世船舶波长仍取为船长时其波浪遭遇 率是不相同的。例如船长为60m的船舶遭60m波 长远较船长为300m船舶遭遇300m波长的机会多, 占吿掘占擱nic Journal Electro

19、nic Publishing House. All rights reserved. http:/wwv.nlo7net所以对大船仍将波高定为1/20波长显然过烏。冃 前备国船级社对波高已加以修采用船长的函数 表达式。各国船级社均已统一采用IACS建议的波 浪弯矩与剪力计算公式。船体波浪载荷的理论计算方法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。人们在研究过程中，对波浪假定为规则波和不 规则波，船体本身乂作为刚性体或弹性体处理。船 舶在规则波上的运动乂分为纵

20、荡、横荡、升沉、横摇、 纵摇和摇首6种刚体运动。此外，船舶在海浪上的 响应，乂可分为短期预报和长期预报,所以实际计算 船体波浪载荷显得十分复杂。欣慰的是船体波浪弯 矩长期预报方法己U臻完善,如挪威海洋工程技术 大学的M A SHIM 0和主要船级社的WADAM (DnV) JIYDROSTAR(BV)等软件，基本上有三大 部分组成:(a)求规则波的波浪弯矩响应的传递函 数;(1)根据海浪谱求波浪弯矩短期分布的特征值; (e)根据船体在寿命期内可能遭遇的海况和装载状 态对弯矩作长期预报。设计人员关心的是在FPSO 整个使用期内可能出现的最人响应值，而并非如船 舶那样可血接应用船级社规范规定的Mu

21、值。计 算表叽在迎浪情况下波浪诱导弯矩值最人，而长峰 不规则波的弯矩值乂比短峰不规则波的弯矩值人。 因此在设计屮，可将迎浪情况下长峰波的波浪诱导 弯矩预报值作为波浪弯矩的设计值。值得指出的是，在考虑FPSO维修和检査T况 总强度时允许静水弯矩可以适当放宽也就是可以 超过设计早期设圧的静水弯矩。这主要是此时的风 浪要比极端匸况的风浪小得多,波浪弯矩Mw减 小。的减小值一般可与业主或操作者商洽，设 计中可取一年一遇寒潮下的短期预报值。有的船级 社规定极端海况的减去一年海况的预报值.或 用短途/遮蔽水域航行船舶的M w o(3)特別结构分析FPSO设计中，还需耍特别明确结构的分类。 一般分为特殊、一

22、类和二类结构区域。根据规范的 定义临近载荷传递和应力集中区域为特殊结构;承 受主要载荷的整个结构为一类结构;仅由于局部影 响产生事故的次要结构为二类结构。船级社规范均 明确这些分类结构的选材、焊接和探伤耍求。另外，除了按船级社规范对FPSO船体结构进 行设计外，还应注意下列的特殊结构分析：有代表性船体部分(诸如与系泊系统关联)的 结构分析雨耍设备(诸如克令怕、工艺模块等)支掠结 构分析火炬塔及其加强结构强度与疲劳分析直升机平台结构分析外输装置下结构分析船体结构强度与疲劳分析7结语FPSO的设计与汕船既有相似之处.但心在着 本质上的差异，它归属丁海洋工程类。因lit, FPSO 的设计、制造、安

23、全评估、服务期的检测和维修、认证 和入级等内容十分广泛。就设计而言，因限于篇幅, 本文仅局限在船体部分某些方而,并未涉及到主耍 系统(诸如货油、输油、放空、发电、直升机起降、供 水、供气系统)，更耒涉及工艺流程和单点系泊系统。最后，对协助本文编写的林晔同志深致谢意O参考文献1 劳氏船级社 G. Alford, R. Pott hurst. FPSO 系统家船级社的看法.林哗译口 OTC 77252 Phillips China Inc. FPSO Parameters and Basis. April 20023 Zhao (Jengxian. (Jiaraderist its of New

24、(ientralion Iurge Sized Oil Tanker Structure Design. Ne STw Confereii(v 19984 A dvanced Product ion & Loading AS. WenCliang FPSO M (xld Tots M a 20005 B V Clz. Rules for the* C lassiGcut ion of Offshore U nits.April 19986赵耕贤.FPSO结构设计特点.船舶，2002( 1)7 B V Class. WenCliang FPSO Hydrodynamic A nalysis. A

25、ug. 20008 .Advanced Production & Loading AS. Seakeq)ing Evaluir lion of FPSO. Sep. 20,2000Fl 43011China Academic Journal Electronic Publishing House All嶽炸浮赭产鮒恤叫叫CtNo. 220 02(Semiy early)SHANGHAI SHIPBUILDINGThe Official Journal of Shanghai Society of Naval Architects and Marine EngineersCONTENTSSHIP

26、 RESEARCH AND DESKJNFPSO Design ZJiao Gengxian ( 4 )The Floating Production Storage and Offloaling( FPSO) has many advantages, such as low er early investmmt, being transferable and re usable. Compared with fixed pkt form t he FPSO has been the prevalent installs ion at present w orkl sea oilfield d

27、evelopment* 讥 ith converted ol(lshi|)b or nevr buill esels lieing used. At 1980s, Boliai f?i. lite first EPSO in Cliina for BZ 28-1 oilfield at Bohai Bay, wn Design of Meml)rance Tank LNG Ships Du Zlioiiren ( 9 )1 h b art le tloo som e special problems in hull thi st ruct ion ig n of inemln *i(v tan

28、k :ships They are 孙 fill lows; figuration of hul 1 oinstrudion calculation of temperature distributioiu steel grade choice of hull strudure in the cargo tank area斗 ar raiigeindil aiul scantling reejuirenknt of hull strudurt.Force Analysis of Rudder Stock with Spring Fulcnim 7h曲 Jiui( 13)Pile rudder

29、of a large ship is generally supported by tlx- upper iMaring and the neck l)earing, and by a shoe pieev or a horn, w hk h ison the ship sliell. The classification societies of the wor Id hold lluit ihu shoe? or I lie horn should be taken as an elibtic*fukrum of the rudder stock in the stock calculat

30、io n. The paper presents a force calcuhtion method for the rudder stock of this kind. Numerical Simulation e nunierical d namic simulatioi) of the (k-forinable striking ship lx)w colliding tli* chfonnable struck ship skit? strudure is pe广 formed by ix)ir linear pl kit Gnite element mlli(iing a 30000

31、 DWT I mi Ik cargo shi|x the key techniut*ing effi incy, accuracy and stability for collision simulations are giiuExperimental Rtscardi Methods of Venf Large Floating Structure ChenGu(jian ami Yang Jianrning(22)The Very Large F loat iiig Strud ure( V LFS) is pakl more and more at tent ion now in oce

32、an engineering field The V LES can be used as a floating air|x)rt a kise to exploil tile (xran resources as 讥 ell as a mobile ocran liase (M OB) V LES have Imcii studicul and developed by many countries such bs Japan. Norway and USA. The huge sc*ale of VLFSs brings difficult its in eK|)erimental research such as consideration of hydroelastidty. This paper presents an introduction to recent experimental researches on VLFSs in the world iiuluding test methods of