圆筒型FPSO生活区结构设计及强度分析开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1建设FPSO的目的及意义

我国既是陆地大国,也是海洋大国,拥有深厚的海洋战略利益。经过多年时间的发展,我国海洋事业已经进入了历史上最好的发展时期。我国的南海蕴含有丰富的石油和天然气资源,由于技术的落后,大部分资源至今无法开采;日本、印度、越南、菲律宾、马来西亚等国家依靠西方国家的先进技术装备,大肆在海底攫取本属于我国的油气资源;然而我国在高端海工装备的设计建造和深海油气开采方面,面临着许多技术性问题。新型海工产品的设计与研发对南海资源开发、维护我国海洋利益具有非常重要的战略意义[1-2]

FPSO(Floating Production Storage andOffloading),中文译作浮式生产储油卸油装置,FPSO的主要工作原理是通过柔性隔水管将原油从海底的油田内输送上来,再经过上部的一系列模块将原油分离成石油、天然气、水。分离出来的石油经过管路存储到船体的货油舱中,定期通过卸货系统将油卸载到穿梭油轮中[3]。FPSO是一种具有高度利用性和综合性的特点的海洋工程装备,不仅是集生产、初步加工、储存、外输、生活娱乐、动力等模块于一体的多功能采油设施,且为石油化工、海洋工程和船舶工程的集成产品。从目前海洋石油开发趋势来看,FPSO有希望取代海洋固定式钻井平台,成为海上油气开采与储存的主要手段,是海洋油气资源开发中非常重要、最有应用前景的装备之一[4]

1.2圆筒型FPSO的特点和优势

FPSO的外形决定了其建造成本、运动特性、操纵性和安全性,从而影响浮体强度和储油效率。传统的船型FPSO水动力性能较差,建造成本和运营成本高,储油效率也不够理想[5];圆筒形FPSO与船型FPSO相比除了具有抗风能力强、适应水深范围广、储卸油能力大等优点外,圆筒形FPSO还具有更高的稳性及能够适应更恶劣海洋环境,因此圆筒形FPSO作为新概念形式具有其独特的特点和优势[6]

(1) 圆筒型结构在水平面上水动力完全对称,对于风、浪、流的方向不敏感,不像船型FPSO抵御艏向载荷能力远大于横向,因此不需要根据来流方向调整平台的艏向,因而也就没有必要装备单点系泊系统,这种类型的FPSO采用多点系泊系统,这降低了FPSO的设计、建造和维护成本,提高了FPSO的作业天数。

(2) 与船型FPSO相比,在相同储油量的情况下,圆筒型FPSO具有更大的水线面面积,因而具有更强的抗倾覆能力和工作甲板承载能力。

(3) 较之于船型浮体,圆筒型的钢结构能够更好地体现其完整性,采用这样紧凑的结构,较好地回避了船型FPSO这样一种两端完全自由的直梁结构常年系泊于环境恶劣的波浪环境中可能造成的结构疲劳破坏风险,其单位面积的甲板载荷承受能力比船型FPSO有较大幅度的提高,实现了构件的弯曲载荷和疲劳强度最小化;

(4) 圆筒型的紧凑型结构也为减少FPSO各种管缆的长度提供了条件,各种管缆减少为常规FPSO敷设管缆的30%左右,浮体储油效率显著提高。

(5) 圆筒形FPSO为旋转对称形状浮体,结构简洁,建造工艺比传统FPSO简单,适合进行模块化设计和制造,能够降低成本、缩短建造工期、降低建造难度。

(6) 圆筒型FPSO的水线面积远大于半潜式平台、和船型FPSO比较接近,储卸油引起的排水量变化对其吃水影响不敏感。

圆筒形FPSO针对多种海洋环境设计,能够适应各种海洋环境,不仅可以用于深水,也可用于浅水,以及油田的试生产和早期生产系统。 “甘瓜苦蒂,天下物无全美”,圆筒形FPSO也存在着不足,如甲板面积较小,居住空间与工作空间距离太近,垂荡运动幅度较大等问题[7]

1.3对圆筒形FPSO生活区进行结构设计及强度分析的意义

FPSO可划分成作业生产区、动力系泊区与生活居住区三大相对独立的区域,以适应模块化技术的运用。由于圆筒形FPSO外形的特殊性,目前规范中尚无成熟的设计指南和推荐的总强度载荷模式。通过对不同工况和环境条件组合进行分析对比,以及相关领域的设计专家和资深船级社工程师间的讨论可知,圆筒形结构有良好的对称性,各方向上的尺度一致;同时,由于型深和吃水较大,圆筒形FPSO的总纵弯矩和剖面剪力不再是以往常规船型FPSO的主控设计载荷;相对于环境载荷,其构件压力规范设计载荷将成为设计关键[8]

圆筒形FPSO的生活区模块是船上人员居住、办公、娱乐休闲的场所,其内部空间的结构设计关系到船上人员的工作和日常生活,对人员的工作效率和身心健康有着直接影响[9],而通常FPSO通过系泊系统长期在恶劣海洋环境中作业,不同于航行船舶,它无法躲避恶劣海况,不能经常进坞维修保养,这对FPSO生活区的耐波性和结构强度提出了特殊要求。因此,从结构设计和可靠性的角度,必须研究圆筒形FPSO生活区在整个生命周期内可能受到的波浪诱导载荷和结构的强度。这对圆筒形FPSO生活区的方案设计和初步设计阶段对比各种设计方案的优劣,以及结构的优化设计都有积极的意义[10]。因此,生活模块的设计必须做到安全合理、科学经济,以符合相关公约与规范的要求为前提,具有足够的结构强度的同时保证船上人员长期在海上工作和生活的便捷性与舒适度。

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