王 璞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

FPSO结构设计技术的进展

王 璞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

基于中国船舶及海洋工程设计研究院十多艘服务于中国海域的FPSO结构设计经验，结合船级社相关规范要求，介绍了FPSO结构设计技术在中国的发展进程。文中回顾了20世纪末至21世纪初的FPSO结构设计状态；针对两艘分别作业于中国南海和渤海的FPSO，分析了包括设计波浪载荷数值、总纵强度和极限强度校核、舱段强度有限元、疲劳强度校核、模块支墩与单点加强等特殊结构设计以及意外载荷等各方面的最新发展。在此过程中，水动力分析、线性与非线性有限元及谱疲劳分析等先进的设计方法和分析软件，均得到了普遍应用。

浮式储油卸油装置；结构设计；设计波浪载荷；疲劳强度校核

引 言

浮式生产储油装置（Floating Production Storage and Offloading Unit，简称FPSO）是集油气处理、发电、供热、原油产品的储存和外输等作业功能和人员居住功能于一体，具有高风险、高技术、高附加值、高投入、高回报的综合性海洋工程。FPSO包括系泊系统一般与井口平台、水下采油装置和穿梭油船等组成油田完整的浮式生产系统。因其具有抗风浪能力强、储油能力大、投资低、见效快、可以转移及重复使用等优点，浮式生产系统近年来已成为海上石油开发的主流方式，而FPSO则是浮式生产系统中的关键装备。FPSO设计建造融合了船舶技术、海洋技术和石油化工技术，是众多行业承包商的合作产物，是国家综合国力的象征。自20世纪90年代由油船改装而成的“渤海友谊”号FPSO投入使用，如今作业于中国南海和渤海海域、隶属于中国海洋石油总公司（以下简称CNOOC）的FPSO已超过10艘，其中绝大部分FPSO的船体部分均由中国船舶及海洋工程设计研究院（以下简称MARIC）设计、并由中国船厂建造。而在世界范围，挪威北海、西非、东南亚、巴西海域已成为FPSO最主要且最集中的应用海域，FPSO的设计建造取得了迅猛的发展。

作为海洋工程装备的FPSO，一般长期定位于海上油田，要求能够抵御各种复杂、恶劣的海况，保证设施的自身安全和持续作业能力，因此其设计标准往往远高于普通的民用运输船舶，挪威船级社（DNV）、美国船级社（ABS）及法国船级社（BV）等主流船级社也纷纷不断更新提高其FPSO设计建造规范的要求。与常规船舶相比，FPSO有以下基本特点：特定的作业海况、特殊的系泊系统、特殊的原油外输系统、无推进动力、设计寿命内不进坞检修、复杂的管线及控制系统、高安全性要求以及大量的工程界面协调等。因此，FPSO设计理念具有海洋工程设计鲜明的特点，其核心是大量的直接计算和分析，并参考模型试验与工程经验反馈，综合风险评估和费效分析结果，在世界范围工程设计领域也是一种非常先进的设计思想。

FPSO不仅要抵御“百年一遇”的恶劣海况，而且还要经受长期的波浪循环载荷作用。确保FPSO具备足够的强度抵御以上极端载荷与疲劳载荷，是FPSO设计寿命内不进坞检修，从而维持海上油田正常生产的保证。因此，FPSO船体结构的可靠性，是整个浮式生产系统实现功能的关键所在。

在外形上，虽然当前也出现了圆筒形FPSO等特殊案例，但“船”形FPSO仍旧因其储油量高、甲板布置空间大、安全性好而成为FPSO的主流。本文着重针对“船”形FPSO结构设计的发展进程进行介绍，旨在描绘出中国FPSO结构设计的进步轨迹和轮廓。

1 回顾与发展

20世纪末至21世纪初，FPSO刚刚成为海洋油气资源开发的亮点，经CNOOC投资新建或由油船改造，形成了作业于中国渤海及南海海域的一支近十艘FPSO组成的海上浮式生产装备船队。

当时，全球海洋工程尤其是浮式海洋工程装备仍属于起步阶段，人们对于FPSO的结构设计只能通过不断研究与实践摸索前进。各大主流船级社的相关FPSO规范也都处于初级阶段：一方面，虽然能够做出规范一般性准则要求，但缺少针对性的可操作方法；另一方面，由于当时电脑计算能力的限制，针对结构设计的大规模直接计算既无硬件支持，也缺少相关计算分析软件。

就FPSO结构设计而言，首要问题是针对其作业海域的环境参数来确定恰当的波浪载荷，以作为FPSO总纵强度和局部强度的校核基础。虽然认识到设计波浪载荷不能仍按照油船取规范值，但是由于缺少载荷直接计算手段，设计载荷只能通过估算以及同船级社协商，在确保足够保守的前提下确定设计值。考虑到设计载荷的重要性，设计载荷所取值的裕度通常也较大。总纵强度校核决定了FPSO船舯区域纵向构件的尺寸，然而校核方法基本仍沿用油船的剖面模数校核方法，通常在设计载荷已做一定保守考虑的情况下，再设计3%～5%的甲板模数裕度。

对于FPSO横向强度，由于大规模有限元计算还没有得到广泛应用，船级社规范也还没有提出针对FPSO自身特点的横向强度校核工况以及组合，FPSO主要横向支撑构件的设计仍是基于油船构件适当保守选取，或者基于简单的梁系强度计算公式设计，既无法反映FPSO外载荷以及舱内惯性载荷的特点，也不能直观判断主要支撑构件的应力水平，尤其是不能考虑各类载荷共同作用下的屈曲强度。在FPSO设计初期，由于对上部模块的结构与模块支撑结构型式的认识有限，甲板下加强结构的强度校核仍处于空白阶段，只是被动的根据模块支撑的布置保守设计一定加强，既不能在设计初期为模块支墩规划合理恰当的布置位置，也无法直接分析校核所需设置的甲板下加强结构的尺寸。与之相似的是，对于单点系泊加强结构，一般采取凭借经验设计加强依靠船级社校核评估的方式。

至于FPSO的疲劳强度，一方面由于船级社规范中具体可操作方法的欠缺，一方面也因为人们对疲劳问题认识的不足，结构设计中往往只能针对油船结构中已反映的常见疲劳问题，结合船级社的有关经验反馈，采取设置疲劳肘板的方式进行考虑。然而，对于上部模块支撑结构、单点等FPSO特有结构的疲劳问题，只有通过第三方的辅助分析计算或船级社的审查意见来进行考虑。

由上可见，在十多年前，FPSO结构设计仍基本停留在与油船相似的模式上，即依据经验公式、着重图纸设计而忽视直接计算验证；同时，由于对FPSO上部模块、火炬塔、单点等特殊结构型式的认识有限，相关的加强结构设计仍停留在后期被动局部改造设计，不能在初期就从整体和全局考虑规划。

近年来，随着海洋工程这一新兴行业的逐渐发展壮大，人们对FPSO这一浮式生产系统中的关键装备的结构特点有了越来越深入的认识，各大船级社纷纷颁布与更新其专门针对FPSO设计建造的规范要求和相应指导性文件，如DNV的OS-C102［1］、RP-C102［2］、RP-C203［3］，ABS的Guide for FPI，BV的NR445 Part D［4-5］等；同时，伴随计算机技术的飞速发展，高性能计算机已经能够支持以往无法运算的大规模计算，一大批商业水动力分析、有限元计算、疲劳计算等各类专业分析软件（如DNV-SESAM、BV-HOMER和ABS-EAGLE FPSO）也纷纷投入工程实践应用；综合上述条件，促使了FPSO结构设计技术在十年不到的时间内取得了翻天覆地的发展。

本院在新近为美国康菲国际石油公司（ConocoPhillips）和中国海洋石油总公司（CNOOC）设计的一型作业于渤海浅水的30万吨级FPSO与一型作业于南海的15万吨级FPSO上，已参照DNV和BV规范的最新要求，成功应用了水动力分析、多舱段强度有限元分析、多载荷共同作用下的屈曲强度分析、简化方法疲劳分析及谱方法疲劳分析等设计方法，并采用结构分类、纵向构件极限强度校核、上部模块及单点等特殊结构强度数值分析、意外载荷状态非线性数值分析等设计理念。

2 先进设计方法的应用

FPSO的设计波浪载荷与作业海域的环境条件（特别是波浪参数）密切相关，这是区别于常规船舶设计的一个突出特点，也是当今FPSO结构构件设计的重要基础。三维线型频域与非线性时域水动力分析软件（如DNV船级社开发的SESAM/ WADAM&WASIM和BV开发的HydroSTAR& ARIANE）为FPSO波浪载荷数值分析提供了可靠的技术手段，因此在结合模型试验获取较准确的相关设计参数（如横摇阻尼）的基础上，MARIC得以对单点系泊FPSO在指定环境条件下进行浪向角分析、波浪特征载荷RAO计算、载荷极值的敏感性分析以及长期疲劳载荷分析。下页图1、图2与表1所示为应用水动力软件在结合设计参数的基础上，对浪向角、RAOs以及载荷极值的敏感性分析示例。

FPSO总纵载荷包括静水载荷与波浪载荷两个方面，波浪载荷根据作业环境条件直接计算，而静水载荷也必须根据FPSO实际装载工况的质量分布决定。为此，FPSO静水载荷往往根据数十个乃至上百个可能出现的装载状态统计确定设计载荷包络线（参见下页图3），并将其作为FPSO设计静水载荷的依据，而FPSO总纵强度校核也已从以往基于工作应力方法的剖面模数校核，发展到更反映船体梁极限和失效模式的极限强度校核［6］，下页图4为极限强度校核实例。基于各主流船级社的专用软件（如DNV的NAUTICUS-FPSO或BV的MARSFPSO），都能够方便的针对船体梁的弯曲甚至剪切极限承载能力进行计算，并参照规范极限强度的对应要求进行校核。

图1 浪向角分析结果示例

图2 载荷响应RAO示例

表1 敏感性分析波浪参数示例

图3 静水弯矩设计包络线示例

图4 极限强度计算示例

随着规范体系和计算机技术的进步，FPSO结构强度有限元分析的发展体现出更精细、更有针对性的特点，具体表现在以下方面：

（1）载荷工况更加细分，分别针对迎浪时垂向弯矩、剪力以及纵摇运动主导和斜浪时水平弯矩、湿表面压力以及横摇运动主导的不同工况（见下页图5），对船体结构内部与外部、静载荷与动载荷分别作出规定，从而对有限元计算的加载提出了更高要求。通常，通过船级社软件（如DNV-NAUTICUS和BVVeriSTAR）能够对照规范要求迅速便捷地完成自动加载工作。

（2）基于FPSO的货油舱布置特点，FPSO结构强度舱段校核也往往不仅要求货舱中段的有限元分析，还必须针对最大剪切载荷出现的货油舱前后端壁、转塔舱与货油舱相邻区域、首部波面压力增大等特点，另外增加三舱段模型校核的工作。下页图6为某FPSO考虑到以上要求所增加的首部第1货油舱舱段的有限元模型。

（3）针对FPSO船体结构受力复杂的特点，屈曲强度校核规范已基本要求按双向受压并考虑剪切、横向外载联合作用校核加筋板格的屈曲强度，手动提取应力的校核往往只能根据经验截取典型部位校核，不能直观反映模型范围内所有结构的屈曲状态。然而，随着专业有限元分析软件的发展，已有船级社软件（如BV-VeriSTAR）能够根据规范要求自动完成所有板格的屈曲强度校核并输出。下页图7为横舱壁所有板格屈曲强度的校核。

（4）疲劳强度校核发展为根据结构的重要性分别采用简化方法或谱疲劳方法计算。对于FPSO谱疲劳分析而言，作业海域波浪散布图是疲劳计算的基础，但是浪向角长期概率分布也是FPSO（特别是单点系泊FPSO）疲劳计算的重要参数，必须综合模型试验结果、浪向角分析结果和相关海域设计实践确定；而有限元分析子模型技术则是疲劳热点应力计算的重要保证，可在此基础上根据规范要求进行应力插值计算、热点应力板厚修正、平均应力修正等，船级社软件（如DNV-SESAM/ STOFAT和BV-HOMER）能够较好地完成谱疲劳计算工作，但由此也对计算机硬件配置提出了较高要求。下页图8为应用BV-HOMER软件完成的谱疲劳分析。

图5 FPSO载荷工况示例

图6 首部第1货油舱舱段有限元分析模型示例

图7 横舱壁板格屈曲校核示例

FPSO的作业功能很大程度上取决于如上部模块支撑结构（即模块支墩及加强结构）、内转塔加强结构、软钢臂支撑结构、火炬塔支撑结构、克令吊加强结构和外输加强结构等特殊结构的设计上，而这又依赖于经验累积、设计理念与复杂的直接强度计算完美结合。以FPSO上部模块支撑结构为例，首先从设计理念上，为了消除船体梁变形的不利影响，模块支墩采用固定支墩与滑动支墩组合型式；其次，在支墩及加强结构强度分析上，为了避免因设计界面截断和各方分析模型在边界、加载、工况等方面的不匹配，因此采用模块结构与支墩和加强结构一体化设计，以更好体现此类加强结构设计的最高境界。图9为应用一体化设计对组合形式的模块支墩进行强度分析的模型，图10 为软钢臂式单点系泊加强结构模型。

图8 谱疲劳分析校核示例

图9 模块支墩强度分析模型示例

（5）意外载荷分析是海洋工程结构物设计区别于常规船舶结构设计的又一大特点。由于考虑了碰撞、坠物、爆炸、热辐射等问题，其设计分析大量引入了非线性有限元分析方法。根据风险分析的结果，某些意外载荷分析是FPSO结构设计不可缺少的工作内容。随着船级社规范的发展，有关意外载荷的设计要求也逐步得到规范明确，如碰撞能量的规定（包括附连水质量）、爆炸当量的规定、坠物能量的规定等。借助非线性有限元分析软件（如MSC/DYTRAN、ABAQUS等），FPSO设计中也对供应船或穿梭油船与FPSO的碰撞、典型坠物对结构的冲击等问题进行了分析。下页图11所示为借助软件对某供应船遭受意外载荷即侧碰时的碰撞力与能量吸收的分析结果。热辐射分析通常是评估火炬塔燃烧热量对生产处理模块或人员避难逃生集中处所安全的影响，也是FPSO火炬塔位置和高度确定的重要依据。此外，为了保证人员或原油管线的安全，设计防辐射墙结构（Radiation and Heat Shield，简称RHS）作为热辐射源的遮挡结构也是常见的设计思路，防辐射墙设计实例参见图12。

图10 软钢臂式单点系泊加强结构模型示例

图11 供应船侧碰示例

图12 FPSO尾部登艇平台防辐射墙

3 总结和展望

随着全球海洋油气资源开发进一步发展并走向深水，中国FPSO设计还将迎接新的挑战，配合CNOOC逐步加快海洋油气开发的脚步，努力拓展承接国际一流石油公司FPSO设计订单，力争在国际FPSO设计领域获得自己的一席之地。

［1］ DNV-OS-C102, Structural Design of Offshore Ships［S］. April 2011.

［2］ DNV-RP-C102, Structural Design of Offshore Ships［S］. February 2002.

［3］ DNV-RP-C203, Fatigue Design of Offshore Steel Structures［S］. April 2010.

［4］ BV NR 445, Rules for the Classification of Offshore Units, Part D［S］. April 2010.

［5］ BV NI 539, Spectral Fatigue Analysis Methodology of Ships of Offshore Units［S］. July 2008.

［6］ 王璞.极限强度在FPSO总纵强度规范校核中的应用［J］.上海造船，2006（3）：12-15.

［7］ 王璞，程维杰，赵耕贤.防辐射技术在海洋油气工程中的应用［J］.上海造船，2009（3）：31-33.

Development of FPSO structural design

WANG Pu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Based on the MARICÊs structural design experience of more than ten FPSO units in China Sea and combined with the relevant requirements and rules of Classification Society, this paper introduces the development process of the FPSO structural design in China. It reviews the FPSO structural design during the period from the late 20th century to the early 21st century. For the two FPSO units which separately operate in South China Sea and Bohai Bay, it analyzes their updated development of the design wave load, assessment of longitudinal strength and ultimate strength, FE analysis of section strength, check of fatigue strength, structural design of special structures as module stools and SPM reinforcement, and accidental loading, etc. The advanced design methods and analysis software, including Hydrodynamic Analysis, Linear and Non-Linear Finite Element Analysis, and Spectrum Fatigue Analysis, have been generally applied.

FPSO unit; structural design; designed wave load; fatigue strength check

U663

A

1001-9855（2014）02-0001-08

2014-02-19

王 璞（1977-），男，硕士，高级工程师，主要从事船体结构设计工作。