面向全球海域环境条件的通用型FPSO船体结构设计与评估

《Frontiers in Marine Science》：Hull structural design and assessment of general-purpose FPSO based on global sea area environmental conditions

　　

摘要 针对传统定制型浮式生产储卸油装置（FPSO）设计周期长、对不同海域适应性有限等挑战，本研究提出一种面向全球主要产油区域的通用型FPSO结构设计方案。通过分析全球关键油气产区 prevalent 的环境条件及在役FPSO的关键参数，研究确定了大型和中型通用型FPSO的主要尺度范围。此外，研究完成了与多点系泊（multi-point mooring）、船内转塔单点系泊（inboard-turret single-point mooring）及船外转塔单点系泊（outboard-turret single-point mooring）系统兼容的总体布置设计。同时，研究针对南海提出了一种变货舱长度（variable cargo hold lengths）的设计理念。通过推导涵盖全球大部分极端海域的百年一遇环境载荷设计值，并结合典型系泊配置，建立了货舱区域以及艏艉系泊区域的三维有限元模型和水动力模型。依据相关规范进行了结构强度和屈曲评估。本研究重点针对不同系泊系统开展了船体结构加强的设计与分析。基于通用主船体，对关键结构和关键节点实施了结构加强，以满足不同系泊配置下的结构强度要求。主船体结构和系泊加强均符合规范标准。研究成果为通用型FPSO的结构设计和配置优化提供了技术可行性支持。

面向全球海域环境条件的通用型FPSO船体结构设计与评估——论文解读

一、研究背景与意义

海洋油气是保障国家能源安全的关键战略资源，深海油气开发已成为海洋工程领域的核心方向。随着全球深水油气勘探开发重心向巴西桑托斯盆地和坎波斯盆地、圭亚那区块、西非几内亚湾以及中国南海深水区等多极方向扩展，FPSO装置的部署规模持续增大。FPSO系泊定位系统大致可分为多点系泊和单点系泊两类，多点系泊主要用于海况温和区域，而单点系泊更适用于复杂海洋环境。现有研究大多集中于通用型FPSO特定系统或特定海域的专项分析，对于在极端海况下兼容多种系泊配置的船体结构设计系统性研究仍相对有限。国际公司如SBM和MODEC已开发出Fast4ward和M350等通用型FPSO方案，但主要针对中等海况设计。不同系泊方式对船体结构开孔、载荷分布和疲劳特性影响各异，使得通用型结构设计比定制型更为复杂。如何在兼容多种系泊配置的同时保证结构强度裕度和结构冗余度，以利于标准化批量建造，是亟需解决的关键技术难题。现有研究缺乏成熟、可适配的通用设计方案，难以在保证结构安全的同时平衡开发成本与建造效率。因此，开展面向极端海况、能满足不同规模油田需求的通用型FPSO船体结构设计研究，探索安全与经济兼顾的设计方法，对推动FPSO批量建造、缩短油气开发周期、降低开发成本具有重要工程意义。

二、研究内容与结论

本研究针对全球主要油气产区在极端工况下的通用型FPSO结构设计关键技术展开研究。通过分析关键区域的环境参数，确定了大、中型两类通用型FPSO的主尺度和布置方案，并提出变货舱长度的创新设计概念。研究提取了环境包络设计载荷，建立了货舱区域和系泊区域的三维模型，依据行业标准进行了结构屈服和屈曲评估，并对局部系泊加强方案进行了定量对比分析。研究结果表明，规范弯矩为停泊和拖航工况提供了保守上限，但规范剪力在艏艉区域未能包络停泊工况，需以直接水动力分析结果补充。通过包络设计方法，最终设计弯矩和剪力涵盖了FPSO所有潜在作业工况。货舱段有限元分析显示，部分构件如横向舱壁肘板、纵桁和强框架的屈服利用率超过1，需进行细网格分析验证；细网格分析后，最大应力和屈曲利用率均满足规范要求。系泊区域结构加强设计满足不同系泊配置下的结构强度要求。主船体结构和系泊加强均符合规范标准，研究成果为通用型FPSO的结构设计和配置优化提供了技术可行性支持。

三、主要关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于线性三维势流理论的水动力分析方法，将流体理想化为无粘、不可压、无旋，通过速度势表征流场，结合边界元法求解附加质量和辐射阻尼，建立浮体六自由度运动方程；谱分析方法用于评估浮体在不规则海浪下的随机运动响应，基于线性叠加原理由波浪能量谱和响应幅值算子（RAO）推导结构响应谱；有限元分析方法，依据船级社规范进行整船强度计算和舱段有限元分析，整船方法建立全船模型直接计算波浪载荷，舱段分析一般建立三舱室模型，在舱段端部施加边界约束和波浪弯矩；环境包络设计方法，以最不利系泊配置的载荷条件作为主要准则，确保船体在不同系泊配置下满足强度和疲劳要求；模块化和标准化设计原则，船中区域采用标准化舱段，通过增减中间货油舱段灵活调整船体总长。

四、研究结果

4.1 主尺度与环境参数统计分析

研究人员统计了2012年至2027年间34艘FPSO的订单数据，巴西占15艘、圭亚那2艘，南美洲约占订单总量的50%，其次为西非、东南亚和北海。船长范围230至340米，船宽50至70米，吃水22至35米。存储容量超过100万桶的大型FPSO有19艘，其中16艘部署在南美洲。基于全球油气区块分布和FPSO市场趋势，通用型FPSO可分为大型和中型两种配置：大型FPSO针对南美和西非大型油田设计，尺度为340m×60m×33m，存储容量200万桶，主要采用多点系泊；中型FPSO适用于南海和东南亚油田，尺度为250m×60m×33m，存储容量120万桶，主要采用单点系泊。两类FPSO可共享货舱区域，通过调整货油舱数量适应不同产量的油田。环境参数统计显示，北海百年一遇有义波高13.0-16.0米，巴西8.0-9.0米，墨西哥湾12.0-15.0米，西非7.0-8.5米，亚洲海域10.0-13.0米，澳大利亚10.0-13.0米。

4.2 通用型FPSO结构设计

大型通用型FPSO总体布置遵循标准模块化概念，单点系泊FPSO在艏部配备内外转塔系泊系统，多点系泊FPSO在艏艉均配备多点系泊系统。货舱区域采用纵骨架式结构，横向布置三列货油舱和两列压载舱。船体采用纵骨架式结构系统，由三个横向货舱、两道纵舱壁和带倾斜底边舱的双底双壳结构组成。关键结构参数包括双层底高度2.3米，双壳宽度2.8米，纵骨间距800毫米，横舱壁间距约24米，强框架间距4米。针对南海中型FPSO，研究人员提出"变货舱长度"设计概念，保持船宽和吃水不变，通过调整货舱区域纵向货油舱数量改变船长，以满足不同油田的储油容量需求。与Fast4ward和M350设计相比，甲板面积减少约30%，但仍满足日产15万桶的上部模块布置要求。两类FPSO保持60米船宽和33米吃水一致，具有相同的船体中剖面模数，通过改变平行中体货油舱数量调整船长，便于批量生产。非解脱式单点系泊系统位于1号货油舱，直径18米，从货舱底部至甲板开设圆形开口。多点系泊系统由艏艉左右舷四组系泊缆组成，包括导缆器和系泊平台。外转塔单点系泊系统位于艏艉壁前方悬臂结构上。

4.3 波浪载荷与有限元模型

研究人员采用包络设计方法考虑拖航、压载、在位维护和装载等多种作业工况，最大静水弯矩包络值出现在中拱和中垂处，为6.004E+05t·m，最大剪力包络值为2.304E+04t。利用Sesam HydroD软件基于三维势流理论进行波浪载荷计算，船体采用四边形和三角形面元建模，沿船长等间距设置21个站。水动力计算考虑拖航、满载和压载三种典型工况。频域计算中波浪入射角范围0°至360°，计算间隔15°；波浪周期范围3至30秒。横摇阻尼系数取临界阻尼的5%。谱分析采用JONSWAP波浪谱进行短期预报。对比分析表明，停泊工况下的弯矩和剪力略大于拖航工况，规范弯矩为停泊和拖航工况提供保守上限，但规范剪力在艏艉区域未能包络停泊工况，需以直接水动力分析结果补充。最终设计包络取规范值和直接计算值的最大值。

4.4 数值模拟与强度评估

大型FPSO整船有限元模型和货舱段有限元模型均已完成建立。载荷采用等效端部剪力和弯矩方法施加，上部模块用质量点模拟。货舱段包含低碳钢和高强度钢两种材料。系泊区域有限元模型方面，非解脱式单点系泊系统采用全宽模型，多点系泊结构采用半宽模型，外转塔结构采用全宽模型。屈服强度评估结果显示，主甲板、外板、内底板、内壳板、纵舱壁、船底中桁材等构件在静载和静动载组合工况下的利用率均小于1，满足规范要求。但横向舱壁肘板、各层纵桁、部分强框架的利用率超过1，需进行细网格分析。屈曲评估显示，外板屈曲利用率为1.14，内壳板为1.03，纵舱壁为1.45，部分构件需细网格验证。细网格分析后，最大应力和屈曲利用率均满足规范要求。

五、讨论与结论

研究结果表明，采用环境包络设计方法能够确保通用型FPSO在不同系泊配置下满足结构强度和疲劳要求。规范弯矩为设计提供了保守上限，但规范剪力需以直接水动力分析补充，这一发现对船体局部剪力设计具有重要指导意义。变货舱长度设计概念实现了大型和中型FPSO货舱结构模块的完全共享，有效降低了结构成本。模块化和标准化设计原则使得通过增减中间货油舱段即可灵活调整船体总长，适应不同规模油田需求。研究结论为：基于通用主船体，对关键结构和关键节点实施结构加强，可满足不同系泊配置下的结构强度要求；主船体结构和系泊加强均符合规范标准；研究成果为通用型FPSO的结构设计和配置优化提供了技术可行性支持，对推动FPSO批量建造、缩短油气开发周期、降低开发成本具有重要工程意义。