浮式生产储油船_FPSO_设计

关键词: FP SO 模块 支墩
1概述
辽阔的海洋约占地球表面积的 71% 。据估计, 海底石油储量约为 1350 亿吨, 占世界总储量的源自文库/ 3; 天然气储量约 140 万亿立方米。在能源消耗与日俱 增的今天, 对海洋石油的钻探、开发及生产有着重要 的意义。人们在海上油田开发中, 除了用多点系泊 的海洋平台外, 20 世纪 70 年代, 在欧洲出现了单点 系泊的浮式生产储油船( F PSO) 。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为一体的海洋大型石油生产 基地。它相对于海洋平台, 具有初投资小, 而且能转 移地点重复使用等优点。该船型在 20 世纪 80 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 多年来, 已成为世界海上 油田开发的流行设施。
LCC
6 10~ 10. 5
1. 9 0. 69 0. 85~ 0. 93
一般 FPSO 构造复杂, 以至不能藉助数学分析 方法进行可靠性分析, 大多数 FP 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, 系泊于海上的 F PSO 常受到波浪作用( 特别是首部) 。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。
为了忽略船梁变形对刚架的影响, 在 FPSO 设 计中, 刚架与船体上甲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, 一般都不高。这种形式较 南海胜利 号的有较大的 改进。
∃ 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 ∃ 安全要求高
3 设计准则
F PSO 不同 于普通船舶, 除了要遵循船 级社的 规范 ( 船舶 建造 入级规 范 , 移动 式海上 平台 规 范 , 浮式生产储油船建造与入级规范 ) , 国际海事 组织( IMO) 的 MAPOL 和 SOLAS 公约以及国际海 上石油合作论坛( OCIMF ) 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) :
南海奋进 号的适航性研究( 包括数值分析和 模型试验) 表明, 首楼甲板应尽量向后延伸, 以避免 更多海水涌入上甲板, 这比设置挡浪板更有效。当 然, 设置一个挡浪板作为首楼甲板的延伸也是有益 的, 而且挡浪板设在首楼甲板比设在上甲板更有效。 在模型试验中, 首楼甲板上设置了两个传感器, 用于 测量甲板上浪的高度和海水进入甲板的水平速度。
∃ 美国石油工业标准( AP I) ∃ 美国机械工程师协会( A SM E) ∃ 美国国家工业标准( AN SI) ∃ 美国材料试验协会( AST M ) ∃ 美国焊接协会( AWS) ∃ 国际电气工程师协会( IEEE) ∃ 国际电工委员会( IEC) ∃ 美国测试设备协会( ISA ) ∃ 国际工程师防腐协会( N A CE) ∃ 国际电气制造协会( N EMA) ∃ 国际防火协会( N A) ∃ 国际标准化组织( ISO ) 其中涉及 AP I 的标准就有 38 份之多。 如果 F PSO 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
事实上, 这种结构用于海洋平台比较合适, 因为 其自身刚度很大, 平台平面内的变形很小。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 性力外, 还要考虑 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, 事实上这种现象已时有发生。所以这种传统 式刚架, 仅用于较好海况的海上油田。
中国近海石油勘探是从 20 世纪 50 年代末开始 的, 物探普查发现了渤海、南黄海、东海、珠江口、莺 歌海、北部湾 6 个大型含油、气的地质盆地, 我国沿 海储藏着呈带状分布的油气田群。20 世纪 80 年代 中期我国自行研制的第一艘用于渤海湾 28- 1 油田 的 渤海友谊 号 F PSO 于 1989 年 4 月交付使用至 今( 见图 1) , 并有 渤海长青 号、渤海明珠 号、渤 海世纪 号在渤海油田投产; 南海奋进 号正在南中 国海文昌油田安装; 番禺 4 2/ 5 1 FPSO 也正在上海 外高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 F PSO 是在强台风海域服务的永不
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赵耕贤: 浮式生产储油 船( FPSO) 设计
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 F PSO, 并通过特殊的卸 油系统 将合格的原油输出, 以确保整个油 田的连续生产。 F PSO 还能提供油田 生产人员、修井人员及 临时作 业人员的居住, 并通过海底电缆向多个井口平台供 电。
测得甲板上浪的最大高度为 4m, 水平速度为 9m/ s。 甲板上浪的高度, 随着离舷墙距离增加而明显地下 降。由试验结果, 该船的首部干舷增加了 1m[ 4] 。
试验中, 对首部区域的砰击也予以关注。由于 横摇和纵摇运动均可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。
作者 简介: 赵耕 贤, 男, 研 究员。1941年 生, 1964年毕业 于上 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 F PSO
解脱、内转塔式 15 万吨级的 F PSO。 2001 年!新民晚报∀披露, 渤海湾发现 7 亿吨油
田, 其中渤海中部蓬莱 19 3 油田是目前中国最大的 海上油田, 储量仅次于大庆油田。我国海洋石油开 发要在 21 世纪初实现 4 个 1000 万吨 的目标( 南 海、渤海和南海西部各 1000 万吨, 国外回报 1000 万 吨) 。其中, FP SO 将 为海洋 石油开 发起 到重 要作 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 F PSO 的设计, 寻求 合作伙伴。据专家预测, FPSO 在 21 世纪初将成为 我国海洋工程一个新的高附加值产品。
F PSO 通常是无自航能力的驳 船型、方尾 和一 层连续甲板。上甲板尾部布置用于穿梭油船串靠的 系泊设备及卸油系统。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直升机平台。在上甲板上布置 生产工艺、热介质、计量、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:
∃ 从单点解脱之前的极限工况 ∃ 维修或检查期的工况 ∃ 从建造厂移位到海上油田过程中的拖航工况 ∃ 在上述 6 种工况下, 工艺模块所引起的诱导 载荷 ∃ 破损工况, 诸如重物坠下的冲击载荷、碰撞载 荷 刚开始设计时, 要全面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要构件的屈曲强度。 ( 1) 方法 ∃ 软件分析 ∃ 模型试验 ∃ 型船比较 ( 2) 静水弯矩 MS 一艘 F PSO 的总布置( 包括货油舱、压载舱的划 分) 确定后, 最大静水弯矩值是客观存在的, 只是设 计图纸文件还在制作阶段, 一时来不及取得。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) , 这就需要求助于经验 或参考型船。 经研究, 基本上获得了下述的概念[ 6] : % 油船中拱状态的静水弯矩总是大于中垂状 态的静水弯矩, 而 F PSO 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) 随载重量的增加而增大, 而 F PSO 并非完 全如此。F PSO 甲板上部的生产工艺、计量、发电等 模块的数量多少与其布置位置是导致这种差异的主 要因素。 国内已完成了不同系泊形式、不同载重量 FP SO 的研制, 为新的设计开发积累了一定的经验。 ( 3) 波浪弯矩 M W 船舶在不规则波浪中航行时, 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 要有下述三类方法。 % 国际船级社协会( IACS) 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, 波高越高, 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 波长计算波浪弯矩已足够。而对船长超过 150m 的大型船舶, 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,
模块支架下的支墩形式在番禺4 2/ 5 1 FPSO设 计中( 正在建造) 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
F PSO 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[ 5] :
∃ 静水工况 ∃ 生产期间的外部环境工况 ∃ 外输工况
模块甲板离主甲板有一个足够的高度是十分重
要的, 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, 后来增加到 4m, 使上浪海水与 工艺甲板之间保持 1~ 2m 的距离, 以便加工设施位 在甲板上浪威胁范围之外[ 4] 。
5 工艺模块支架形式
F PSO 的生产工艺、热介质、计量、发电等模块 一般直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、消防要求及考虑上浪对模块设 施的影响, 并综合考虑对稳性的影响, 该平台平面最 后改为 4m 高。每个模块平台都有 一支撑结构, 通 常采用工字梁剖面的普通刚架形式, 如图 3 所示。
船舶设计与研究
浮式生产储油船( FPSO) 设计
中国船舶及海洋工程设计研究院 赵耕贤
提要
海洋石油开发中, 浮式生产储油船相对海洋平 台而言, 具有 初投资 小、能 转移地 点重复 使用等 优点, 已成为 目 前世 界海上油田开发的流行设施。本文以 南海奋进 号为对象, 旨在着重 描述 F PSO 船体 设计中应 考虑的基本 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。
模块支墩形式研究甚多, 其中巴西 FPSO 曾采
图 3 普通刚架
图 4 巴西 FPSO 的 模块支墩形式
图 5 南海奋进 号 采用的模块支墩形式
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赵耕贤: 浮式生产储油 船( FPSO) 设计
图 6 南海奋进 号模块支墩结构
图 7 4 2/ 5 1FPSO 模块 支墩的新结构形式
用图 4 所示的形式。由于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。
上海造船 2002 年第 2 期
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在极 端或危险环境外, 一般不 需要遵守 MARPOL 规范中 13 到 13G 的规定, 除非其工作海域 的沿岸 国家有特别要求。亦就是不强制需要双壳结构, 新 设计的 F PSO 可以采用单底结构。有关油舱和压载 舱的布置, 业主最好在设计早期就与沿岸国家的行 政机关讨论清楚[ 1] 。
表 1 给 出了 FPSO 与大型油船 的大致尺度 范 围[ 2, 3] 。表中两者的差异在于 FPSO 是个复杂的海 洋工程结构物, 它的尺度选择除了考虑船舶本身的 特征以外, 更重要的是兼顾工艺流程、单点形式后的 综合考虑。
表1
L/ B L/D B/ D d/ D
Cb
FP SO
4. 5~ 6. 5 8. 0~ 13. 0 1. 7~ 2. 3 0. 65~ 0. 69 0. 94~ 0. 96
本文以内转塔式 FPSO 为对象, 着重描述 FP SO 船体设计 中应考虑的基本 问题, 其 中对船体形 状、强度、工艺流程模块支墩型式等方面作了一定的 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, 作为整个油田的中心。在船首往往设有一个可 解脱式的单点系泊系统。在油田正常生产中, FP SO 接收并处理由海底管线输送来的井口平台的原油,
目前, FP SO 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 船舶的唯一因素是成本低而且花费的时间亦短。如 果改装工程计划在一年内能完工, 那么新建船舶通 常需要两年。
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 ∃ 地理环境和油田开采时间 ∃ 将来移位的适应性 ∃ 外输的方便性 ∃ 适用的政府法规 在旧船选择时应该明了, F PSO 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 劳应力和总强度要求。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 计仍适用于新用途。除了针对新的使命修改外, 还 要对一般结构进行一定程度的翻新和修理。翻新和 修理范围取决于以下因素: 以前的营运情况, 油舱涂 层的质量和维护情况, 原有构件是否超过规范最小 值, 主船体在近几年内是否进行修复。值得注意的 是, 尽管许多旧油船在建造时增加了构件尺寸, 近几 年内新油船的结构也是非常优良, 但仍然需要进行 仔细的维护。 根据 IMO 的海洋环境保护委员会决定, 那些仅 用于储存和生产石油、系泊在固定海域的 FP SO, 除
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 围, 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重要的[ 1] 。
图 2 与 F PSO 关联的技术因素
4 船体形状与尺度