通用型FPSO船体结构设计要点

李成君，周佳

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

现有FPSO一般包含新建FPSO及油船改造两种形式。新建FPSO是根据目标作业海域环境参数、油品特性全新定制船体上部模块，以及系泊定位设施等，设计过程中针对性强，但是建造周期较长，成本较高；
油船改造形式是以旧油船为基础，按照同样流程进行适应性改造，周期较短[1-2]，不过功能受原有油船的限制较明显，且疲劳分析复杂。新一代FPSO具有通用型特征[3]，采用新建标准化船壳，然后加装上部模块及系泊设施等，其标准化船壳更适应FPSO的特点，同时批量建造可降低成本、缩短项目交付时间。

海上油田受水深、风浪、温度，以及石油品质等影响，各作业海域的FPSO在构造、系泊方式，以及生产流程上各不相同，其设计思路也存在差异。作业于各个不同海域的FPSO基本都是根据特定海域特点设计的，见表1。

表1 不同海域的常规FPSO特征

同时，油田规模、油品质量，以及油田开发模式则对FPSO上部模块有关键影响，也对FPSO船体的主尺度有一定影响。

现有FPSO设计多针对单一海域和确定的油田，采用的是定制化设计方案，而通用型FPSO船体在设计过程中需兼顾多个海域油田的特点，在尚不明确油田的情况下设计，需满足多个海域油田的使用功能，通过设计一型适用于多种海域环境条件，多种系泊方式，不同规模的上部模块，兼容不同立管系统等，可满足一定范围内设计参数组合的通用型FPSO船壳结构。

关于通用型FPSO船体的载荷特点，以某一通用型FPSO船体载荷为例进行描述。

2.1 载荷特征

作为示例的通用型FPSO适用于包括巴西、西非及墨西哥湾等多种海域，选取巴西及西非两种典型海域对FPSO设计过程中的载荷特点进行讨论。充分考虑不同海况的环境特征，并对不同环境的载荷进行包络处理。由于海况跨度大，系泊方式灵活，因此环境条件及系泊方式均不确定，系泊方式对FPSO的静水载荷具有较大影响，环境条件主要对波浪载荷具有较大影响。

2.2 静水载荷特点

基于装载手册对不同装载工况的弯矩进行统计，得到单点/多点系泊对船艏的静水弯矩的影响见图1。

图1 不同系泊工况下全船静水弯矩分布

对于一般FPSO而言，最大垂向弯矩位置出现在纵向的船舯位置，同时艏艉方向弯矩逐渐降为0，而对于目标FPSO，由于单点/多点提供定位载荷的同时在船首产生了由于定位载荷所造成的中拱，因此静水弯矩包络值与常规FPSO相比，较为独特。

考虑到静水载荷为设计载荷的主要载荷，同时针对影响静水载荷的装载资料的充分程度，在对载荷进行包络过程中对于船舯0.4L(L为船长)范围内的设计静水弯矩针对最大静水弯矩预留5%的裕度，其范围外的设计静水弯矩在线性变化的基础上充分考虑载荷裕度的控制，在合理设计的基础上降低生产成本。

2.3 波浪载荷特点

基于HydroD软件针对目标FPSO进行载荷计算，为了得到不同系泊方式对波浪载荷的影响，将不同的系泊方式选取同一个海域进行分析比较。由于巴西海况内转塔的波浪载荷更加主控，因此将巴西海况作为环境条件分析，统计不同系泊方式下得到满载工况的垂向剪力、垂向弯矩、水平弯矩以及波面升高，见图2。

图2 波浪载荷曲线

从图2整体上可以看出，外转塔的各项波浪载荷均较小，这与外转塔风标效应下始终处于环境力最小的方位有关。从最大垂向剪力图中可以看出，多点系泊最大剪力出现在船尾，且船首尾的最大垂向剪力相当，而内转塔最大垂向剪力出现在船首，且船首处的剪力比船尾明显偏大，而首部及尾部的波浪弯矩均较小，因此剪力工况的校核应当作为通用型FPSO的艏部以及尾部的主控载荷进行校核，且不同系泊方式下的剪力校核应当同时进行；
从波浪垂向弯矩以及水平弯矩中可以看出，系泊方式对该载荷的影响较小，最大载荷位置也较为接近，且船中位置的剪力较小，因此弯矩工况的校核应当作为通用型FPSO的中部的主控载荷进行校核，且不同系泊方式下的波浪弯矩校核可以简化为一个系泊方式进行校核；
从波面升高图(多点系泊未考虑风标效应)中可以看出，多点系泊的波面升高较为均匀，单点系泊的波面升高较为剧烈，在计算工况包括舷外水压力时，单点系泊工况下首部的波面升高更为明显，特别是对于内转塔，应当着重考虑垂向剪切力与舷外水压力的综合作用。

在实际设计过程中，针对波浪环境较好的海域一般采用多点系泊，波浪环境较差的海域一般采用单点系泊。图2中所示的多点系泊的波浪升高基于巴西海域进行计算，实际上不会出现。

3.1 结构特点

通用型FPSO船体采用标准化船壳的设计，在设计中无法像常规FPSO一样做确定性的考虑，在实际设计过程中，一般按照可能出现的所有严重情况进行包络设计。不确定因素如下。

1)质量分布及多海况对结构总强度的要求。

2)上部模块对货舱区甲板结构要求。

3)多种系泊定位方式对船体结构的要求。

4)多种外输配置对艏艉结构的要求。

5)大型生活楼的结构要求。

针对上述不确定性因素进行包络设计，主要从以下几方面进行分析。

1)总纵构件对总强度载荷的包络性。

2)适用多种系泊形式的艏部结构，见图3。

图3 兼顾多种系泊方式的艏部结构

3)甲板结构对标准化上部模块支撑的适用性设计，见图4。

图4 标准化上部模块结构

4)舷侧结构对立管支撑的适用性设计。

5)满足一定灵活性的克令吊加强结构。

6)适用通用型FPSO需求的生活区结构。

图3中的艏部结构兼顾了多点系泊、内转塔，以及外转塔3种系泊方式；
图4所示通用型FPSO的分布式上部模块，可适应多种不同重量的模块。艏部结构及分布式上部模块是通用型FPSO区别于常规FPSO的重要特征。

3.2 结构安全验证

由于通用型FPSO船体为新概念船型，因此许多位置、结构需要进行结构强度校核，以确保设计的可行性，总强度校核及局部结构强度校核为常规校核，能够体现出通用型FPSO主要特征的是包络不同规模上部模块的甲板支撑结构和不同系泊方式下的船舯货舱区舱段强度校核及艏部舱段校核。如2.3所述，不同系泊方式呈现出不同的波浪载荷特征，其主要控制载荷也存在差异，因此对于通用型FPSO结构设计，对货舱区舱段的结构强度校核及艏部分段在各种系泊方式下的结构强度校核是非常有必要的。

3.3 货舱区舱段强度校核分析

货舱区舱段强度在校核过程需要考虑不同系泊方式的影响。其中，单点系泊的船体梁载荷明显高于多点系泊形式；
多点系泊工况应当考虑左右舷非对称波面升高引起的舷外水压载荷差异。篇幅所限，选择目标FPSO典型的单点系泊工况。

由于需要兼顾不同重量范围的上部模块[4-5]，因此在货舱区舱段结构强度校核过程中应当首要考虑模块重量的选取，而具体的上部模块需要考虑作业油田具体的生产要素进行确定，根据目标通用型FPSO设计要求，将上限4万t作为模块重量的设计值。此时满载的中垂弯矩最大。由2.3的讨论可知，货舱区舱段的结构校核与系泊方式关系不大，因此将各个系泊工况下的货舱区舱段校核简化为1个计算模型进行分析，同时由于主控载荷为中垂弯矩，且船中0.4L范围内的中拱弯矩以及中垂弯矩都取为设计的最大包络值，由图1、2可知，舱段计算的中垂弯矩包络值Me=Ms+Mw，垂向剪力载荷作为非主控载荷，可直接将货舱区舱段校核区域的静水剪力包络值与波浪剪力包络值叠加作为设计值进行校核。

从图5看出，高应力区域主要集中在水平桁与纵舱壁交叉区域及强框自由边区域。

图5 不同区域应力UC分布

3.4 艏部分段强度校核分析

艏部波浪载荷受系泊方式的影响较大，需要对每个系泊工况单独进行计算分析，计算模型见图6。

图6 艏部计算模型

3.4.1 外转塔计算分析

目标FPSO采用悬挂式外转塔系泊系统，建立外转塔艏部模型时仅对悬臂梁部分结构进行仿真。在外转塔重心位置处施加系泊载荷及自重。为了更好地体现艏部区域船体梁载荷的包络性，对外转塔系泊形式下的FPSO所有装载工况进行统计，将船体梁艏部区域是否发生静水弯矩最值或剪力最值作为挑选艏部区域船体梁包络载荷的依据，然后根据弯矩或剪力最值发生的对应工况进行艏部包络载荷的施加。经过计算选取典型设计工况及对应的应力结果见表2。

表2 典型设计工况(最小弯矩和最大剪力)及结果

3.4.2 内转塔计算分析

垂向载荷主要由系泊载荷垂向分量及系泊系统上部结构自重组成，主轴承平面力为系泊力在风浪流运动下产生的水平分量。主轴承弯矩主要产生于船舶运动时系泊系统上部结构运动重心偏离结构重心。按照《海上浮式装置入级规范》第11章第7节“与系泊装置连接的船体结构”中对主轴承反力的规定，平面力应在120°范围内按照余弦函数分布。

满载生存工况较之其他工况，载荷更为典型，因此选取满载生存工况作为典型工况进行校核，通过对计算结果进行统计得知水平系泊载荷与弯矩为90°作用时应力最大。见图7。

图7 不同区域的应力分布

3.4.3 多点系泊计算分析

目标船采用多点系泊系统为水下出缆方式(见图8)，下端导缆器处的系泊缆张力与水平面的夹角α考虑0°～90°范围；
FPSO正常作业前会调节并保持各区域系泊缆与主船体呈某一固定方位角，该偏差角度基于减小工况计算量及其与初始方位角进行联合考虑，水平面角度β变化范围为。另据DNV与ABS的相关规范，应至少考虑单根系泊缆处于最小破断载荷、所有系泊缆处于预张力载荷和单根系泊索破断3种状态。

图8 多点系泊载荷夹角

设计工况选取百年一遇的环境荷载。通过对3种系泊缆状态，3种系泊缆张力角以及3种系泊缆与船体的夹角3种影响因素的组合工况进行计算，得到最大应力见表3。

表3 多点系泊不同工况应力峰值

针对目标船舷侧结构对立管支撑的设计以及多海况对结构强度的要求是通用型FPSO的特点，虽然结构总强度分析方面没有太大区别，但由于结构形式大不同，因此有必要兼顾不同海域特点的疲劳强度进行研究。另外，标准化的上部模块支撑结构及多点系泊(包括立管)界面结构等也需要有针对性的研究。

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