摘 要

浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，简称FPSO)，是油气田生产开发的核心单元，负责油气的预处理与储存，因此它是海洋工程领域不可或缺的部分。FPSO作为一种高风险、高技术、高经济效益的海洋工程设备，与其他海上油气生产开发装置相比，它具有抗风浪能力大、储/卸油能力强、经济性和适应性好、灵活性高等优点，因此它已成为当今世界上油气田开发生产设施的主流形式。

与传统船型FPSO相比，圆筒形FPSO有更好的稳定性、经济性和运动性能，因此圆筒形FPSO成为了当前油气田开发生产设备的热点。圆筒形FPSO主船体作为整个FPSO的关键区域，其在工作中会受惯性力、静压力以及各方向上周期性动压力的作用。主船体的结构强度是影响整个FPSO安全性与使用寿命的决定性因素。

本文根据母型船以及给定的总布置图确定了圆筒形FPSO主船体的结构布置方案，然后根据DNV《Offshore Standard DNV-OS-C101》规范对主船体进行了结构规范计算，初步确定了圆筒形FPSO主船体的板材厚度以及加强筋尺寸。采用DNV.Genie软件对初步确定的圆筒形FPSO主船体的结构方案进行建模，根据规范对直接计算的要求给模型施加边界条件、载荷工况以及水动力计算结果，最后对模型进行屈服以及屈曲强度校核。通过校核，把不满足规范强度要求的构件通过增加板厚或减小骨材间距的方式进行加强，确保最终的圆筒形FPSO主船体的结构设计方案满足规范要求，其在设计工况下能安全可靠。

关键词：圆筒形FPSO；结构强度；结构规范设计；屈服校核；屈曲校核

Abstract

Floating Production Storage and Offloading (FPSO) is the core unit of oil and gas field production and development. It is responsible for the pretreatment and storage of oil and gas, so it is an indispensable part of marine engineering. As a comprehensive marine project with high risk, high technology, high added value, high investment and high return, FPSO has greater resistance to wind and waves, large storage/unloading capacity better economy, better adaptability and high flexibility compared with other offshore oil and gas production and development devices. It has become the mainstream form of oil and gas field development and production facilities in the world today.

Compared with the traditional ship type FPSO, the cylindrical FPSO has better stability, economy and sports performance, so the cylindrical FPSO has become a hot spot in the development and production equipment of the current oil and gas fields. The main hull acts as a key area of the entire FPSO, which is subject to inertial forces, static pressure and cyclical dynamic pressures in all directions during operation. The structural strength of the main hull is a decisive factor affecting the safety and service life of the entire FPSO.

In this paper, the structural arrangement plan of the main hull part of the cylindrical FPSO is determined according to the parent ship and the given general arrangement. Then the structural rules calculation of the hull is calculated according to Offshore Standard DNV-OS-C101, and the thickness of the plate and the size of stiffener is initially determined. The DNV.Genie software was used to model the preliminary determination plan of the main hull of the cylindrical FPSO. The boundary conditions, load conditions and hydrodynamic calculation results are applied to the model according to the requirements in the direct calculation of the rules, and then carry out yield assessment and the buckling assessment. Through the assessment, the components that do not meet the strength requirements of the rules are appropriately strengthened by increasing the thickness of the plate or reducing the spacing of the stiffener, ensuring that the final structural design of the main hull of the cylindrical FPSO meets the rules requirements, and under the design conditions It can be safe and reliable.

Key words：Cylindrical FPSO；Structural strength；Structural rules calculation；Yielding assessment；Buckling assessment

目录

第一章 绪论 1

1.1 FPSO简介 1

1.2 国内外FPSO的发展历程 1

1.2.1国外FPSO的发展历程 1

1.2.2 国内FPSO的发展历程 2

1.3 国内外FPSO的发展现状 3

1.3.1 国外FPSO的发展现状 3

1.3.2 国内FPSO的发展现状 3

1.4 FPSO的研究目的与意义 4

1.5 圆筒形FPSO的优势 5

1.6 本文主要工作 5

第二章 圆筒形FPSO结构设计 7

2.1 主尺度 7

2.2 主要性能参数 8

2.3 圆筒形FPSO的环境参数 8

2.4 舱室划分 9

2.4.1 舱室划分原则 9

2.4.2 圆筒形FPSO的舱室划分 9

2.5构件布置 10

2.5.1 结构布置的一般原则 10

2.5.2 圆筒形FPSO的主要构件布置 11

第三章 圆筒形FPSO的结构规范计算 12

3.1板材厚度 12

3.1.1 船底板 12

3.1.2 底边舱 13

3.1.3内底板 14

3.1.4 外板 14

4.1.5 储油舱与压载舱舱壁 15

3.1.6 储油舱间舱壁 16

3.1.7 压载舱间舱壁 16

3.1.8 径向舱壁 17

3.1.9 燃油舱舱壁 18

3.2 加强筋的尺寸 18

3.2.1船底板 18

3.2.2 底边舱 19

3.2.3 内底板 20

3.2.4燃油舱舱壁 21

3.2.5 外板 21

3.2.6 储油舱与压载舱舱壁 22

3.2.7 储油舱间舱壁 23

3.2.8 径向舱壁 23

3.2.9 压载舱间舱壁 24

3.2.10燃油舱舱壁 25

3.3本章小结 25

第四章 结构直接计算模型 26

4.1 有限元模型 26

4.2 模型坐标系 26

4.3 圆筒形FPSO主船体模型的单元划分 26

4.3.1 板单元的划分 26

4.3.2梁单元的划分 27

4.3.3 有限元网格 27

4.4 相关材料参数 28

4.5 圆筒形FPSO主船体部分模型的分组 29

4.6 舱室划分 35

4.7 舱容物 36

4.8 边界条件 37

4.9 载荷和工况 38

4.9.1 满载工况 39

4.9.2 压载工况 42

4.9.3 部分空舱工况 45

4.9.4 舱室检验工况 47

第五章 屈服校核 49

5.1 屈服强度分析方法 49

5.2 模型应力计算 49

5.3 模型计算结果分析 54

5.4 模型调整 55

5.5 本章小结 63

第六章 屈曲校核 65

6.1 屈曲强度分析方法 65

6.2屈曲强度评估方法 65

6.3 板格屈曲强度校核 66

6.4 模型的计算结果分析 68

6.5 本章小结 69

第七章 结论与展望 70

7.1 结论 70

7.2 展望 70

参考文献 72

致谢 74

第一章 绪论

1.1 FPSO简介

浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，简称FPSO)，是油气田生产开发的核心单元，负责油气的预处理与储存，因此它是海洋工程领域不可或缺的部分^[1]。FPSO作为一种高风险、高技术、高经济效益的海洋工程设备，与其他海上油气生产开发装置相比，它具有抗风浪能力大、储/卸油能力强、经济性和适应性好、灵活性高等优点^[2]，因此它已成为当今世界上油气田开发生产设施的主流形式。

FPSO具有处理、储油、原油产品外输、发电以及供热等功能，它通常与海底采油系统和穿梭油轮组成完整的海洋石油生产系统。其工作原理是：FPSO通过海底输油管线接收从海底油井采出的油、气、水混合物，然后运用船上的设备将混合物进行预处理，把分离出来的原油和天然气储存在储油舱内而杂质则储存在污油舱内。当储油舱装满一定量后，通过FPSO自带的卸载系统把原油和天然气转运到穿梭油轮上，最后将其输往陆地^[3]。

1.2 国内外FPSO的发展历程

1.2.1国外FPSO的发展历程

1947年FPSO概念被提出；1966年，世界上第一艘浮式生产储油装置在墨西哥湾投入使用；1976年，一艘长140.5m的水泥驳船被改装成浮式液化石油生产装置在印尼的瓜哇海阿朱那（Ardzuna）油田投入使用，该装置被认为是浮式油气生产装置的先驱。1977年，Shell公司首次将一艘商业油船改装成FPSO，并在地中海卡斯特伦（Castellon）油田投入生产使用。它的出现标志着世界上第一艘真正意义上的FPSO的正式诞生^[4]。

在20世纪80年代，澳大利亚的Worley公司曾提出一种适合边际油田开发的浮式生产系统——重叠驳船型浮体。两个常规的驳船船型浮体上下重叠构成了该系统的主船体部分，船体在正常作业的情况下其水线面一般在两个浮体过渡的区域，该区域采用了留有一定空隙的设计。因此该系统巧妙地利用减小水线面面积和增大船体宽度的原理来提高船舶的稳定性。同时期，英国的Foster Wheeler石油开发有限公司提出一种叫SEMI-SPAR的FPSO。该FPSO的运动性能优良，不仅适用于浅水，也可用于深水。2001年，韩国建造了世界上最大的340000吨FPSO“GIRASOLL”号。2006年，挪威Sevan Marine公司设计建造了世界上第一艘钢结构圆筒形FPSO“Sevan Piranema”，该FPSO采用多点系泊系统降低了生产成本，减小了构件承受的弯曲载荷以及疲劳强度。之后，美国的OPE公司对Sevan系列圆筒形FPSO进行改进，提出了SSP 320 FPSO概念^[5]，该FPSO的浮体采用倒圆台体形状，可抑制浮体涡激振动的产生，使FPSO的水动力性能更优良。目前SSP 320 FPSO仍未在实际得到应用。

自1977年第一艘FPSO出现到现今，全球FPSO的发展大体上经历了四个阶段^[6]：

（1）1977—1985年，早期发展阶段。70年代初中东、非洲、东南亚一些海上油气田的开发开始使用FS、FSO,70年代中欧洲出现了FPSO;

（2）1986—1994年，成长期，FPSO在多个国家的油田相继得到应用，FPSO的技术稳步发展，FPSO技术得到推广和提高；

（3）1995—1998年，扩展期，FPSO的概念和技术被广泛应用，FPSO数量大幅增加；

（4）1999年至今，FPSO技术得到较大突破，作业水深增加，从几百米向几千米迈进，FPSO已成为海上油田开发生产设施的主流形式。

1.2.2 国内FPSO的发展历程

我国FPSO产业起步较晚，1986年，我国在北部湾油田开发中首次采用了FPSO——“南海希望”号^[7]，该FPSO是由一艘旧油轮改造而成，从而开始了FPSO在我国沿海油气生产开发的应用。

与其他国家相比，我国更早致力于研究新型FPSO。1987年，我国建造了第一艘用于渤海湾28-1油田软钢臂式FPSO——“渤海友谊”号，实现了我国在FPSO方面零的突破，而且该FPSO是世界上第一艘用于冰区和浅水海域的FPSO。经过渤海多年冬季冰期考验，事实证明我国研制的抗冰型FPSO是成功的。目前，抗冰型FPSO在我国渤海得到广泛运用。

2002年，“南海奋进号”FPSO投入使用，它是国内设计建造的第一艘专门用于百年一遇台风环境不解脱的FPSO。该FPSO打破了传统船舶行业4种设计工况船体强度校核的惯例，而采用34种海洋工程设计工况船体强度校核标准，实现了FPSO在多种工况共存状态下总强度分析的理念，在恶劣的海况下抵抗各种风浪载荷，保证其安全可靠性。2009年3月12日，34万吨级的“渤海117”FPSO投入使用，它是我国历史上最大的FPSO，也是世界上最大的FPSO之一。

近年来为了适应市场需要，范模等就渤海的特殊海洋环境问题提出了八角形FPSO概念，但该设想仍未得到应用。

近几十年来，我国在引进学习的同时也开发了适合我国海域特点的FPSO，并且在其中还为推进世界FPSO技术和市场的发展做出了杰出的贡献：

（1）首次将FPSO用于冰区海域作业；

（2）首次将FPSO用于浅水海域作业^[8]；

（3）首次实现FPSO一体化设计技术；

（4）两大段船体对接的新施工工艺；

（5）世界一流的项目管理水平。

1.3 国内外FPSO的发展现状

1.3.1 国外FPSO的发展现状

根据最新统计，世界各地现役FPSO大约有170艘（其中改建方案约占67%，新建方案约占33%），主要分布在英国北海、巴西和西非沿海、澳大利亚海域和中国渤海与南海^[9]等；FPSO的吨位0.5万～40万吨不等；作业水深15～2500ｍ；一般石油的年产量为37～1300万立方米。

目前国外正在使用的FPSO都是属于超大型船舶,其储油量一般为100～200万桶之间,其中最大型的FPSO的储油量已经达到280万桶。巴西国家石油公司建造的FPSO中，最大的船长为344m,型宽为54m,最大吃水深度为22m，原油日处理能力超过了30000立方米。挪威国家石油公司使用的Nome FPSO,其原油日处理能力已经达到35000立方米。

FPSO的研究与发展正在进行。目前，世界上已经出现了新型的FPSO，如FDPSO^[10]、FLNG/FLPG 和圆筒形FPSO^[11]等。

其中在1996年，FDPSO的概念被提出，2008年挪威MPF公司成功建造了世界上第一艘浮式钻井卸油装置——“MPF-1000”。FDPSO具有灵活性高、风险低、经济性好等优点。大型浮式液化天然气船FLNG（Floating Liquid Natural Gas）和浮式液化石油气船FLPG（Floating Liquid Petroleum Gas）的概念是近年被提出，它是集液化、储存和装卸为一体的新型海洋工程设备，具有成本低、风险小、灵活性大、安全性高等特点^[12]。近年来圆筒形FPSO崭露头角，圆筒形FPSO具有经济性好、结构对称性好、运动性能好等特点。

1.3.2 国内FPSO的发展现状