FPSO设计建造过程中的关键技术分析与研究
  
作者：张 潇 , 关幼耕 , 王志坚   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 9:46:53

摘要: ：浮式生产储油系统(FPSO)是集海上油气生产、储存、外输、生活、动力于一体的海洋工程结构物，具有适应水深范围广、抗风浪能力强、投资较省、见效快、可重复使用、风险小等特点，适用于远离海岸的中、深海及边际油田开发。本文介绍了FPSO的组成及技术特点，并分析了国内FPSO的应用现状与发展前景，并针对国内海洋开发现状提出了发展建议。鉴于对浮式生产储卸油装置的运动性能、结构强度和作业安全都有很高的要求。本文就甲板上浪、FPSO 与穿梭油轮的多单元耦合作用、系泊特性、水深对运动的影响、疲劳评估和水弹性分析等关键技术问题做了综述, 以期对浮式生产储卸油装置的设计、作业和维护有一定的参考价值。

1 引言

海洋平台是海洋油气资源开发的主要工具。随着海洋资源开发逐渐向深海领域挺进，传统的自升式平台已不再适用，国内外的石油开发商纷纷采用半潜式钻井平台（Semi-submersible）、张力腿平台（TLP）、圆柱型平台（Spar）和浮式生产储油系统（FPSO）等新式的深海石油资源开发工具[1-5]。浮式生产储油系统与常规油船不同，FPSO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。FPSO储油轮可绕系泊点作水平面内的旋转，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，FPSO储油轮具有储油量大、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。FPSO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非常重要、最有应用前景的装备之一。

目前，我国FPSO的数量已经达到世界第一[6-7]（具体情况如表1所示），FPSO支持着我国海上石油产能的80%，被称为我国的“海上石油舰队”。2008年5月，我国最大的FPSO储油轮-“海洋石油117号”在蓬莱19-3油田正式投产，标志着我国FPSO设计建造技术已走在世界前列。

表1 国内FPSO的应用概况

2 关键技术分析

2.1 系泊定位系统

FPSO系泊系统一般可分为塔式、分布式和可解脱式三种形式。在海况恶劣的海域使用塔式系泊系统，可使FPSO随环境条件调整船体方向，以保证船艏转向有利于减小系泊荷载和减缓船舶运动的方向。分布式锚泊系统通常用于海况比较温和的海域，该系统一般不能改变船艏的方向，需详尽布置锚泊系统，保证船舶有更多机会处于有利方向，以减小环境荷载和减缓船舶运动。在台风经过海域，可解脱式锚泊系统是可供选择的系泊方案。

FPSO上的转塔结构是通过系泊系统将其固定于海底。锚链与转塔结构的转盘相连以满足船体的转动。转塔可以固定在从船艏至船舯的任意位置。转塔的位置主要是由船体在环境外力作用下的转动灵活性决定的。转塔离船舯越远，船体就越容易转动。对于那些定位于船艏或其附近的转塔，船体不需要推进器就可以随着外力的作用而自由转动。但是，转塔越靠近船艏，船艏引起的锚链顶端垂向运动就越明显，过大的垂向运动会增加锚链的动张力。转塔置于船艏时，锚链的张动力比转塔置于距船艏1/3处时要大20%。

如果FPSO上装有推进器对船艏进行控制，那么转塔通常应置于距离船艏1/3位置处，以求一定的推进效率。考虑到船员的安全因素，船员的生活区应选在加工区的上风口出，远离烟囱。在热带暴风易发区域，风暴来临之前，所有船员应撤离工作地点。因此，转塔应固定在船艏或其附近处，此时不需要推进器的协助，船体就可随着外力自由转动，大大增强了系泊系统可靠性。在转塔附件，沿着锚链引入潜水式浮筒，可以有效减小因摇艏而引起的锚链动张力。

2.2甲板上浪

FPSO 服役时常受到波浪作用，当波浪作用在干舷以上时就导致甲板上浪。严重的甲板上浪不仅影响FPSO 的作业效率, 而且会导致船艏上层建筑和沿船长方向甲板上部结构破坏。在进行结构设计时, 有必要确定甲板设备所受到的上浪冲击载荷, 并尽量降低甲板上浪的可能性。

目前研究表明[8-11]，FPSO 甲板上浪主要是海上巨浪和船首俯仰(主要是首下沉) 运动两种机制组合的结果。其过程可以分为水体沿船首升高、水体越过船首进入甲板、水体沿甲板流动、水流冲击甲板上的设备或甲板室等阶段，并且这些阶段是在很短时间内连续完成的。一般来说，FPSO 的上浪有两种情形：一种是聚集在一起的水体冲上甲板，沿着甲板产生一股速度不断增加的水流，冲向甲板上的设备和甲板室，形成对甲板的冲击载荷；另一类是翻卷状的碎波，直接冲击甲板室，产生巨大的冲击载荷。波浪在冲上甲板后，会形成两股射流，一股流向船首，一股则离开船首向后流去，在分离的地方会有空气泡(air cavity) 形成。随着空气容积的减小，空气泡中的压力将会对甲板结构造成威胁。这与该压力存在时间的长短和空间范围的大小有关。当空气泡破灭成许多小泡后，这些小泡则会随流迁移，逐渐在自由表面上消失。当水流到达甲板室后，则会对甲板室造成冲击压力和结构应力，但这个过程持续的时间比较长，因

此该应力还不是非常重要。在冲击开始后，一层薄的射流会沿着甲板壁攀缘而上，伴随有飞溅和破碎的水粒。接着，重力开始起作用，水体上升速度变缓，直到零为止。此后，水体从高处开始下降，出现自由表面向外的翻转，冲击下面的水体和甲板。试验表明：这时甲板上所受到的冲击力的大小和初始时对甲板壁的冲击力具有同样的数量级，在设计时须特别注意。

2.3波浪载荷分析[12-14]

FPSO服役期间，波浪作用会引起船舶的运动，波浪荷载是船体遭遇环境载荷的主要部分，影响到船体的结构强度和安全性。因此，设计FPSO时，首先必须根据油田的海洋环境对其运动响应及波浪荷载进行预报，得出科学的参数，为结构优化设计及上部工艺流程模块、设备提供了参考依据。世界各大油田海况大不相同，设计中应考虑FPSO服役区域的气象情况，按照百年一遇台风条件对FPSO船型运动响应及波浪荷载进行了计算。根据环境资料，考虑到环境诸因素对于结构物的作用以波浪最为显

著，因此在选取环境计算条件时以波浪条件达到最大值为依据。计算工况由装载状态、入射波方向、风向、流向、锚泊方式组成。每种工况包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇6个运动状态。

与设计服役期相比，FPSO 的拖曳航行过程持续时间较短，拖航期间所承受的短期载荷与系泊作业阶段所承受的载荷在分布形式及取值上有所不同，而且不同海况及拖曳航速下船体梁所承受的载荷存在一定的差异，需要根据不同的具体情况加以区分。此外，考虑到短期载荷叠加效应不同于长期分布的处理方式，所构造的极限状态方程也有所不同。因此，可以认为尽量选择温和海况进行拖航作业，避免遭遇较大波高能够有效降低 FPSO 船体梁面临的风险水平。该措施不仅有利于降低完整老龄结构 FPSO 退役拖航时的失效可能，对于发生碰撞破损后的 FPSO 拖航安全更是至关重要。

2.4 疲劳分析

FPSO作业期间，船体波浪载荷引起纵骨的交变应力。在船体中部区域，船体总纵弯曲和水平弯曲的力矩最大，引起纵向构件较高的总纵弯曲应力。再加上横向载荷引起的局部弯曲应力，导致船体中部纵骨结构与横舱壁两端的连接点，以及与肋板、强肋框架的连接点都可能出现较高的合成应力。

FPSO船体的横向构件承受侧向水压力作用，同时还承受舱内液货和压载水的惯性力作用。在这些载荷综合作用下，肋框桁板肘板趾端、横舱壁水平桁肘板趾端、斜底边舱顶板与内底板折角处都是高应力集中地部位，因此应作为疲劳校核区域。

FPSO单点系泊于固定海域时，锚泊系统结构和与之相连接的船体结构承受着交变锚泊力，必须具有足够的疲劳寿命。对于YOKE锚泊方式，由锚泊系统传递的交变系泊力通过船艏支架的支柱作业在船体艏楼甲板、主甲板及支柱下方的纵舱壁、强横梁和附近支撑肘板上，这些船体结构均需要进行疲劳校核。此外，支架结构和摇臂将系泊力传递至船体结构，亦承受疲劳载荷的作用，也应进行疲劳校核。

火炬塔是安装在FPSO甲板上用于支持燃气头的导管架架构，参与FPSO船体的波浪诱导运动，惯性力引起的结构应力是交变应力，使得该结构易产生疲劳损伤，故其导管架节点也需进行疲劳校核。

2.5 穿梭油轮和装卸系统

FPSO上经过加工的油气需要运往岸上，这就需要一些输出设备来完成，现在大多数都是利用穿梭油轮进行输送。大多数穿梭油轮都在船艏配有装卸系统，并且通过液压进行操作。也有艉部卸油系统，用于原油从FPSO输送到穿梭油轮，是连接与穿梭油轮的纽带。经过多年发展，装卸系统由最初的“CHUTE”型式发展为流行的“REEL”

型式。该系统采用液压驱动，包括输油软管收放系统和卷索系泊系统及CCTV监控系

统。出于安全和防污染考虑，对于可浮软管和整个系统采用了世界先进的技术，使整个系统安全、可靠。

3 结论

中国石油天然气集团公司作为国内最大的油气生产商，已经将海上油气开发作为一项战略任务列入了集团公司中远期规划，从滩海油气开发走向中深海油气开发，FPSO将是实现开发的关键技术。本文针对FPSO设计建造过程中的几个关键技术问题做了综述，实际上FPSO 的设计、作业和维护时需要考虑的其它因素还很多, 包括许多不确定因素, 还需要该领域的科研工作者对其进行不断探索研究。建议集团公司有关科研院所和新成立的海洋工程公司将FPSO纳入科研计划，做到跟踪、借鉴、应用、创新，使FPSO技术尽快在中国石油的海洋勘探开发中获得应用。

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