摘要
浮式生产储油卸油装置(floating production storage and offloading,FPSO)是集油气生产、存储及外输于一体的高度集成的模块化高端海洋工程装备,在南海的极端海况下其模块支墩的安全性和稳定性直接影响海上油气生产作业的安全。为此,基于水动力学分析和耐波性理论分析,研究在南海典型海域的极端海况条件下FPSO的运动响应规律,结合有限元方法对其整体模型进行动态力学分析,并进行模块支墩的强度分析和安全评价;采用相似理论设计了缩尺比为1∶10的试验模型,开展用六自由度平台模拟海况的模拟试验。结果表明:随着南海海况恶劣程度的提高,横摇运动幅值增大,模块支墩变形和受力增大,应力集中现象明显;应力主要集中在斜支撑肘板,其屈服强度符合标准要求;关键点ZD1-N3、ZD2-N4处最大应力测试值与仿真值的相对误差分别为16%,10%,验证了有限元动态力学分析结果具有较高的准确性;增加肘板筋板厚度和改善支墩结构是提高支墩结构强度的有效方式。研究为FPSO模块支墩的设计和建造提供了理论指导。
浮式生产储油卸油装置(floating production storage and offloading,FPSO)是用于海洋油气开发,集生产、储油、外输、发电等于一体的综合性海上油气生产系统,如

图 1 FPSO示意图
Fig. 1 FPSO schematic
近10年来,60%新发现的油气田位于海上,预计未来40%的全球油气储量将集中于深海区域。随着对海上油气需求的增加,海洋油气勘探和开发朝深海、超深海海域和边际油田发展。FPSO长期系泊定位于海上油田,要求其能抵御各种复杂、恶劣的海况。模块支墩是FPSO上部模块与主甲板的关键支撑连接结构,其不仅承受FPSO上部模块巨大的重力,还承受着风、浪、流和液货等载荷作用引起的巨大惯性力。一旦模块支墩结构发生失效破坏,将导致FPSO上部模块整体倾覆,严重威胁海上油气生产的安全。
国内外学者对FPSO模块支墩开展了结构设计、建造方法、安装布置等相关研究。赵耕贤
目前针对FPSO模块支墩的动态力学分析的研究较少,尤其是针对模块支墩薄弱危险点的研究。本文通过有限元分析软件建立FPSO上部模块的有限元模型,开展模块支墩的动态力学分析,评价在极端海况条件下FPSO上部模块整体的安全性,以保障模块支墩的可靠性,并通过试验进行验证,以期为FPSO模块支墩的设计和制造提供可靠的理论和试验参考依据。
本文以由最新技术建造、服役年限最低、功能模块齐全的“海洋石油118”FPSO(以下简称为“FPSO”)作为研究对

图 2 FPSO模块舱段几何模型
Fig. 2 FPSO module cabin geometry model
FPSO隶属于中国海洋石油集团有限公司恩平24-2油田。恩平24-2油田位于我国南海珠江口盆地北部,所在海域水深为86~96 m。FPSO设计参数和主要性能指标如
根据国家海洋环境预报中心发布的南海风浪流采集和统计参数,确定了南海1年一遇、10年一遇、100年一遇的风浪流环境参数,如
FPSO在海洋环境载荷作用下具有6个自由度的运动响应结果,包括纵荡、横荡和垂荡三个平动分量和横摇、纵摇和首摇三个转动分量。其中,横摇对FPSO上部模块结构件的影响最大,是导致FPSO模块支墩结构破坏、失效的关键因素,因此笔者主要分析在南海的极端海况条件下FPSO的横摇运动响应规律。在南海的极端海况条件下FPSO横摇运动响应结果如
假设FPSO船体按正横规则波作小角度横摇,则可认为其阻尼力矩与横摇加速度呈线性关系,恢复力矩与横摇角呈线性关系,而船宽远小于波长,因而可认为波浪对船体的作用相当于一个作简谐角振荡的波平面对船体的作

图 3 FPSO船体横摇简谐运动示意
Fig. 3 Schematic of FPSO rolling simple harmonic motion
根据动平衡原
式中:为船体的转动惯量;为船体的附加惯性矩;为船体的阻尼系数;为船体排水量;为船体初稳心高度;为波面角修正系数;0为最大波面角;为波浪强迫横摇圆频率。
通过式(1)可求解横摇相对波面角的幅频响应函数和横摇的相频响应函数。
式中:为横摇角幅值;,为波浪强迫横摇圆频率与FPSO固有频率之比;为FPSO的无因子衰减系数。
由于海浪运动较为复杂,将波浪简化为规则的简谐波,可以确定波浪的波面角方程。FPSO船体属于二阶线性系统,可得到FPSO船体横摇简谐运动方程为:
结合假设的波浪运动,得出在南海1年一遇、10年一遇、100年一遇的极端海况条件下FPSO船体的横摇运动响应:
1)模型简化。
将实物模型作如下简化:①将船体舱段视为刚体,简化成甲板;②考虑上部模块动、静设备的重力作用,其中在操作工况下原油处理器的重量为2 294 N,输送泵的重量为225 N;③忽略连接管线。
2)网格划分。
利用有限元分析软件建立FPSO模块整体有限元模型,如

图 4 FPSO模块整体有限元模型
Fig. 4 Finite element model of the whole FPSO module

图 5 FPSO模块整体有限元模型的网格划分
Fig. 5 Meshing of finite element model of the whole FPSO module
3)边界条件。
FPSO采用两端固定滑动式、中间固定式的箱式结构,中间的两固定支墩固定约束,四边角上滑动支墩的支撑结构与箱体摩擦接触,其摩擦系数为0.3。考虑重力加速度,根据FPSO的运动响应理论分析结果,选择船体重心处甲板的一条边线为固定约束,作为施加横摇角位移的边界条件。各模块支墩间相互独立,不计模块支墩之间的影响。
采用有限元分析方法,开展在南海1年一遇、10年一遇、100年一遇的极端海况条件下模块整体及其关键部位的位移、应力和应变分析,以掌握模块支墩结构在不同极端海况下的变形、受力规律,从而对其进行安全性评价。
在FPSO甲板两侧及其与支墩连接处以及FPSO上部模块甲板及其与动、静设备连接处模块整体的变形较大。如

图 6 FPSO模块整体变形云图
Fig. 6 Deformation nephogram of the whole FPSO module
模块整体应力主要集中在支墩结构与甲板关键连接处,如

图 7 FPSO模块整体应力云图
Fig. 7 Stress nephogram of the whole FPSO module
1)关键支墩变形分析。
通过对不同极端海况下FPSO模块关键支墩ZD1、ZD2、ZD3变形分析可知,主支墩箱体梯形面、侧支撑筋板、斜支撑肘板和斜支撑管的变形相对明显。随着海洋风浪流冲击的加剧,横摇运动频率幅值增大,则立管和斜支撑管弯曲曲率增大,变形面积扩大,但总体上纵向斜支撑的变形量大于横向斜支撑的变形量。如

图 8 南海100年一遇的极端海况条件下FPSO关键支墩变形区域及变形量
Fig. 8 Deformation area and deformation amount of FPSO key stools in extreme sea conditions of once in a hundred years in the South China Sea
2)关键支墩应力分析。
FPSO模块关键支墩的应力主要集中在支墩边角、斜支撑肘板以及侧支撑筋板。为进一步掌握支墩各部位的应力分布规律,进行关键支墩ZD1、ZD2、ZD3应力集中关键点的数值仿真,结果如

图 9 FPSO关键支墩应力分布及应力集中关键点
Fig. 9 Stress distribution and key stress concentration points of FPSO key stools
3)关键支墩屈服强度分析。
根据中国船级社发布的《海上浮式装置入级规范》的规
式中:为单元的应力强度,即Von Mises应力;为板元长度方向的面内应力,包括第一类应力和第二类应力;为板元宽度或高度方向的应力,只包括第二类应力;为单元的剪应力;为材料的屈服强度,为355 MPa;为材料屈服强度的简缩系数,为0.908。
在南海的极端海况条件下FPSO关键支墩屈服强度分析结果如
由
对FPSO模块支墩结构进行有限元强度分析,重点关注关键区域的关键点。模块支墩结构屈服衡准如下:
其中:
式中:为单元的屈服利用因子;为数单元的Von Mises等效应力;为杆单元轴向应力;为规定的材料屈服应力;为材料系数。
FPSO模块支墩关键点的屈服评估结果如
由
开展FPSO模型在不同极端海况下的模拟试验,掌握试验条件下FPSO模块支墩的应力响应规律,评价其安全性,并与有限元分析结果进行对比。
1)相似理论。
在海洋工程的模拟试验中,常采用相似原理与量纲分析方法设计试验模型。利用弗洛德数Fr作为相似基
式中:v为速度;l为长度;g为重力加速度。
为了满足重力相似准则,要求Fr模型与原型一致:
据此可推导出:
式中:、、分别为速度比尺、几何比尺、重力加速度比尺;、、、分别为加速度比尺、弹性模量比尺、密度比尺、应力比尺。
在满足重力相似准则条件的弗洛德常数Fr情况下,应力比值和材料弹性模量比值接近于1。当试验模型与试验对象采用相同材料制作,且支墩模型与原型同时满足边界相似、几何相似和物理量参数相似,即遵守相似三定
2)模型试验缩尺比。
模型试验缩尺比一般为1/40~1/100。FPSO上部模块属于FPSO子结构模型,可增大缩尺比以减小误
3)试验设备。
试验采用电动六自由度平台系统模拟南海极端海况下FPSO的运动。平台有效载荷为5 t,最大角速度为10°/s,角加速度20°/

图 10 FPSO模拟试验现场
Fig. 10 FPSO simulation test site
4)试验加载与测试。
在电动六自由度平台控制系统界面输入设置的数据,在南海1年一遇、10年一遇、100年一遇的极端海况条件下FPSO横摇简谐运动的幅值和周期T为主要输入参数。通过输出系统实时反馈FPSO的运动状态参数,监测电动六自由度平台的运动稳定性,并判断FPSO的运动拟合精度,以提高测试的真实性。测试并分析FPSO模块支墩的动力学性能,主要测试模块支墩支撑筋板和焊缝区域的应力以及支墩与模块甲板连接处的应力,如

图 11 FPSO模块支墩关键点的应力测试
Fig. 11 Testing of stress on key points of FPSO module stools
测试并采集在南海1年一遇、10年一遇、100年一遇的极端海况条件下ZD1、ZD2、ZD3关键点的应力数据。由试验结果可知,在ZD1-N3、ZD2-N4处的应力较大,这与仿真结果一致。ZD1-N3、ZD2-N4处的应力变化曲线如

图 12 ZD1-N3处应力变化曲线
Fig.12 Variation curve of stress on ZD1-N3

图 13 ZD2-N4应力变化曲线
Fig. 13 Variation curve of stress on ZD2-N4
1)在南海1年一遇、10年一遇、100年一遇的极端海况条件下模块支墩动力学性能测试与仿真中,危险部位相同,危险工况相似,对应的危险时刻相同;ZD1-N3、ZD2-N4处的应力变化曲线相似,近似呈周期性变化,其波峰与波谷位置相近,当横摇角最大时应力达到最大;在100年一遇的极端海况条件下支墩应力最大,在ZD1-N3、ZD2-N4处的应力测试值分别为22.0,46.6 MPa,ZD2-N4处的应力约为ZD1-N3的2倍,均小于许用应力322.34 MPa,满足强度条件。
2)在南海1年一遇、10年一遇、100年一遇的极端海况条件下ZD1-N3、ZD2-N4受海洋载荷作用,其应力近似呈简谐正弦周期性变化,应力幅值随海况条件恶劣程度的提高呈增大趋势。ZD1-N3、ZD2-N4处的最大应力仿真值分别为26.3,51.9 MPa,均满足强度条件,且ZD1-N3、ZD2-N4处应力测试值与仿真值的相对误差分别为16%,10%,在误差允许范围内,可认为仿真结果具有一定的准确性。
1)结合水动力学和耐波性理论分析了南海FPSO的运动规律,利用有限元仿真方法对FPSO模块整体进行动态力学分析,研究在南海极端海况条件下其关键支墩结构的变形、受力规律。结果显示,FPSO的最大应力出现在支墩ZD2-N4处,为51.9 MPa,但仍符合强度规范要求。
2)采用电动六自由度平台模拟南海1年一遇、10年一遇、100年一遇的极端海况条件,设计了缩尺比为1∶10的FPSO上部模块试验模型,开展了FPSO模块整体动态力学模拟试验。试验结果表明:支墩ZD1-N3、ZD2-N4处的应力近似呈周期性变化,在100年一遇的极端海况下其最大应力分别为22,46.6 MPa,均满足结构安全条件;在试验测试与仿真计算中,模块支墩的危险点相同,危险工况相似,对应的危险时刻相同;ZD1-N3、ZD2-N4处最大应力测试值与仿真值的相对误差分别为16%,10%,可认为仿真结果具有一定的准确性。
3)通过仿真与试验可知,FPSO模块支墩的应力主要集中在斜支撑肘板处。加大肘板筋板厚度和改善支墩结构是提高其结构强度的有效方式。本研究为海洋工程设计和FPSO的建造提供了可靠的数值计算和模型试验方法。
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