陈曙梅 王 醍 王 璞（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

FDPSO总强度分析技术

陈曙梅 王 醍 王 璞
（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

针对浮式生产储卸油装置（FPSO）的扩展船型——配有钻井模块以及月池结构的浮式钻井生产储卸油装置（FDPSO）的总强度设计问题，讨论全船有限元分析方法的实现。探讨月池区域结构应如何在全船分析中进行考虑，并结合舱段有限元手段，进一步研究月池区域结构的强度分析方法。研究工程项目如何结合全船有限元分析方法进行合理化设计。［关键词］浮式钻井生产储卸油装置；全船总强度；有限元分析；月池

引　言

随着海上石油产业的蓬勃发展及新型船舶的开发和利用，在传统优势船型——浮式生产储卸油装置（FPSO）的基础上衍生出集钻井、生产、储卸油一体的浮式装置（FDPSO）。FDPSO的应用模式大致可分为早期试生产系统、油田分阶段开发模式、Azurite油田模式和可转换模式等。目前FDPSO的应用模式还在不断探索中，如何设计适合我国南海开发的模式是当前FDPSO研究的重点。

FDPSO比传统的FPSO增加了钻井模块以及为钻井模块提供的月池。此类海洋结构物不仅要满足FPSO的要求，月池区域和钻井区域同时也要满足钻井船的要求。设置月池及钻井模块将使FPSO部分船体纵向连续构件中断，且不连续区域位于船中。对于FPSO，船中区域为静水弯矩和波浪弯矩最大处。船体结构在船中月池区域发生突变，此处舱口角隅为典型的硬点结构。整个月池区域所受载荷除船体梁载荷外，还会受到周围货油舱装载产生的局部载荷以及钻井作业工况下的钻井载荷。因此，月池区域的设计与分析是本课题研究的重点。

新型海洋结构物及超规范船舶大多会采用三维直接计算技术实现［1-2］，而对于带月池的浮式生产储卸油装置而言，全船有限元分析遇到以下主要问题：

（1）月池区域结构所用的评价体系需满足钻井船要求，但除此局部区域外其他结构均需满足FPSO要求。

（2）月池效应如何在全船有限元分析中合理考虑。

实际工程项目在初期阶段，影响结构设计的因素很多：如大型设备资料的不确定性、环境条件模糊、模型试验支持不到位，这些都是会产生颠覆性设计的重要因素［3-4］。对于新型的FDPSO来说，研发初期也存在同样问题。在进行全船有限元分析之前，需要对分析方法进行优化、统筹安排，采用最合理有效的分析方法。首先在前期比对设计方案，分析月池区域对全船结构产生影响的范围，以及在钻井设备未确定前，需周全考虑月池变化情况下，全船有限元分析的有效部分为哪些。其次要确定生产模块的布置和质量重心分布，上部模块的影响对船型FDPSO垂向弯矩和剪力的贡献占比较大，在通过前期设计，也可以给出相对准确的数值。最后确定总强度分析流程，将不确定性因素考虑在内，并要顾及多个规范体系的影响，以全船有限元分析为主，适当结合舱段有限元分析手段，研究出合理的总强度分析方法。

1　船型简介

本文FDPSO的主要尺度及参数如下：

总长Loa263.61 m

水 线 长 LWL252.30 m

型 宽B 48.90 m

型 深D 26.70 m

设计吃水 17.80 m

粱拱 0.90 m

定员 100人

本文依托项目目标作业海域为西非海域，同时兼顾南海南部海况平稳海域，使用的系泊方法为多点系泊。中部“0.4L”范围内，主甲板以下为货油舱，主甲板以上布置油处理模块（生产模块）。首部设置压载舱和火炬塔，尾部设置外输油系统、机舱和生活楼。钻井模块设置于船体中部，并相应设置月池。

FDPSO初步的总布置方案见图1。

图1　FDPSO侧视图及俯视图

由于钻井模块仅为FDPSO的功能之一，其钻井部分及月池区域和船长、船宽相比较小（比例仅为3/100和4/25），而传统意义的钻井船该比例约为1/4和1/3。

2　总强度计算

本船中剖面设计参考母型船技术成果。为了使全船有限元计算更高效，本文在进行全船总强度计算之前首先针对月池所在舱段的三舱段有限元模型进行计算，通过舱段有限元计算暴露出的船体结构弱点对结构图纸进行修改，再在修改后的图纸基础上建立全船有限元模型进行计算校核。

本船的总强度分析必须考虑月池区域的影响。由于所适用的规范体系不同，为了对结构进行更合理评估，经研究将总强度分析分为两部分：一部分仅考虑月池区域结构的强度分析；一部分为不考虑月池区域，将月池部分当作空舱，依据FPSO结构分析要求，进行全船有限元分析。按此思路，可将结构物的每个部分都进行合理设计。但全船有限元是否考虑月池影响，仍是总强度分析的一大顾虑。在分析方法确定之前，需要对月池区域对总强度的影响进行评估，最终确定总强度分析方法。

常规的全船有限元计算所采用的方法是：通过模拟船舶在实际运行过程中的装载情况，将船体梁所受的波浪载荷、静态载荷以及惯性载荷作用于船体，使全船有限元模型受力与船体受力相一致，并使模型处于平衡状态［5］。

本文全船有限元计算主要参考BV船级社规范，计算流程如图2所示。

图2　FDPSO全船总强度计算流程

评估月池效应对总强度的影响，最有效的方法为水池模型试验。模型试验成本较大，且试验前期准备，后期结果分析的周期较长，在设计初期拿不到试验结果，无法对总强度计算方法提供参考数据。但在模型试验之前，为指导模型试验工况的选取等，会采用数值分析方法，将月池和船体模型化，应用软件手段，得到月池内水动力分析结果和船体水动力分析结果［6］。为满足研究需要，建立以下两个数值模型：一个按照设计方案，将月池考虑在其中；另一个则完全不考虑月池影响，将月池当作船体内空舱处理。

在数值分析结果中，总强度影响最大的垂向波浪弯矩被确定为评判依据。图3为两种模型计算得到最大垂向弯矩延船长的分布结果，图中分别为有无月池结构的两个模型各剖面的垂向弯矩值。为了使月池区域结果更加清晰，本文只截取月池一定范围内的计算结果。由于本文FDPSO月池尺寸相对较小，通过对两种模型垂向弯矩值的计算，发现最大弯矩值在月池区域差别约为1.9%，在非月池区域差别也为0.5%，是否考虑月池对总强度研究的影响不大，而采用全船有限元计算部分不考虑月池的方案。

经评估后，本项目的总强度分析分为两个部分，且两部分相互之间并不独立且相互影响。最终得到的分析流程如图4所示。

图4　FDPSO全船总强度分析流程

由研究得到的分析流程可发现，全船有限元分析贯穿于项目始终，从而对特殊形式的结构物可以做到全面有效的评估。而月池区域采用局部结构分析的思路，考虑极端载荷的影响，结合舱段有限元手段，使用钻井船评价体系，研究月池结构的关键节点问题。随着项目的进展，从模型试验结果中得到了较准确的月池耗散系数，可对月池区域的载荷特征进行很好的模拟，从而采用更符合实际使用情况的全船有限元方法进行后续的结构分析（比如关键节点的疲劳计算，可在全船有限元计算的基础上，开展全概率疲劳方法的疲劳研究等）。

3　全船有限元分析方法及流程

3.1 工况选取

参考规范要求，根据初步装载手册，确定本研究阶段全船有限元分析的研究工况：

（1）FULL LOAD-PRODUCING， 100% BUNKER（满载工况）；

（2）BALLAST LOAD-PRODUCING， 10% BUNKER（压载工况）。

3.2 输入条件

全船有限元计算需要以下输入条件［6］：

（1）水动力模型。水动力计算需满足频域内势流理论假设。本文研究初期，采用的水动力湿表面模型不考虑月池开口，模型试验后的湿表面模型需包含月池开口。

（2）结构模型。根据前期设计图纸，及规范对全船有限元模型的建模要求，建立FDPSO的全船有限元结构模型。为更好地评估结构强度，方便后续计算，及比对结果，本项目全船有限元模型的网格尺度为纵骨间距。

（3）质量模型。质量模型使用结构模型，即根据装载手册，将结构模型质量调整至与空船质量重心一致后，按照实际装载在结构模型上配载。配载完成的结构模型即可作为质量模型应用于计算中。

3.3 船体载荷及边界

本船系泊方式为多点系泊，海况条件相对较好，无需考虑单点系泊的风标效应。可参考规范对常规船型的相关要求，约束船首一点及船尾两侧两点作为边界条件。

采用全船有限元方法进行总强度分析的目的是该方法所模拟的载荷更加接近实际情况。船体内部载荷由结构模型上定义的各类装载提供；船体外部载荷由环境条件得到。根据作业海域的海况条件，参考水动力分析结果，外部载荷选取7个浪向、30频率，进行各装载工况下的设计波筛选。

考虑到FDPSO除进坞检修和拖航外，作业、常规检修及风暴自存状态下均为不解脱状态，加之采用多点系泊方式，本船的遭遇浪向按照平均分布，航速为0。经水动力计算可得到各个浪向、频率规则波下的传递函数。根据船型特点，本船选取垂向弯矩，垂向剪力作为筛选目标值，最终确定全船有限元计算各装载下的设计波参数。

FDPSO在规则波中的运动参见图5。

图5　FDPSO在规则波中的运动

4　计算结果评估

月池区域若在全船有限元分析中不作考虑，则需要在局部强度中评估。由全船有限元计算确定局部模型的模型边界，再对模型进行细化处理，以得到局部模型合理的载荷及边界条件。

表1为满载工况下两种计算方法的屈服结果。

表1　满载工况下两种计算方法的屈服结果

从上述计算结果可以看出，总体而言，月池大开口角隅处存在应力集中现象，突出表现在甲板和外底的月池角隅处，结构设计时应重点考虑此处的结构加强及角隅软化处理。此外，确定U.C值最高的主甲板月池角隅点为后续疲劳计算点之一，以深入研究此热点的疲劳强度。

由于本船在进行全船总强度计算前先利用舱段有限元手段对船中部区域结构强度进行筛查，因此，本船全船有限元计算结果相对良好，暴露的结构强度问题主要集中在首尾区域。全船有限元计算得到的各舱壁及强框的计算结果见图6和图7。

图6　横舱壁计算结果

从图中可以看出船体距首尾1/4船长处横向构件的计算结果相对偏高，此处垂向剪力最大，横向构件偏危险，需特殊考虑结构加强。船体强框架首尾部屈曲强度存在一定缺陷，对计算模型观察可知，该区域靠近船中区域，设计时对首尾处强框需适当加强屈曲强度，可通过增加板厚或增加加强筋实现。

5　结　论

本文基于新型的带钻井模块浮式生产储油装置（FDPSO），旨在研究开发出适合新型海洋结构物的设计分析方法，充分考虑设计分析中的各类影响因素，并考虑到各类关键节点的强度分析方法，将贯穿于整个设计阶段的各类分析如总强度、局部强度及疲劳分析相结合，综合考虑全船有限元分析方法在总强度计算中的应用问题。为将来新型结构物的开发提供了有益的思路。FDPSO的全船有限元分析结果对将来的设计具有实际参考意义。

［1］ BV. Rule Note NR 551： Structural Analysis of Offshore Surface Unit through Full Length Finite Element Models ［S］. 2010.

［2］ Rules for the Classification of Offshore Units Part D-Service Notations NR 445.

［3］ 杨玥，王璞.西非海域环境条件下FPSO运动及载荷响应特征研究［J］. 船舶，2015（3）：21-27.

［4］ 王从晶，夏利娟. 全船有限元结构分析的若干关键技术［J］. 上海交通大学学报，2010（6）：768-773.

［5］ 袁俊，陆红干. 400 000 DWT矿砂船直接波浪载荷与全船有限元强度分析［J］. 船舶设计通讯，2010（9）：30-37.

［6］ BV. Hydro-Structure Interactions Theory & Methodology ［S］. 2012.

［7］ 王峰，陈毓珍，张青敏. 全船有限元简化方法在总纵强度计算中的应用［J］. 船舶与海洋工程，2014（1）：24-27.

Global strength analysis method for fl oating drilling production storage and offl oading vessels

CHEN Shu-mei WANG Ti WANG Pu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The present study analyzes the global strength of an extension type of floating production storage and offloading system （FPSO） — the floating drilling production storage and offloading system （FDPSO）， which is equipped with drilling unit and moon pool. The finite element analysis is implemented for the whole ship. It discusses the consideration of the moon pool in the global ship analysis, and studies the strength analysis method for the moon pool structure combined with the tank finite element analysis. The rational design of engineering project is also investigated with the global ship finite analysis method.

FDPSO(floating drilling production storage and offloading unit); global strength; finite element analysis; moon pool

U674.38+1；U661.4

A

1001-9855（2016）04-0047-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.047

2016-03-23；

2016-04-07

陈曙梅（1980-），女，硕士，高级工程师，研究方向：结构设计及船体载荷。

王 醍（1988-），女，硕士，助理工程师，研究方向：结构设计及船体载荷。

王 璞（1977-），男，硕士，高级工程师，研究方向：船体载荷及结构设计。