深水半潜式生产平台立柱储油结构设计及应用.pdf

深水半潜式生产平台立柱储油结构设计及应用 刘小燕1,冯加果2,李 达3(1.中海石油(中国)有限公司北京新能源分公司,北京 1 0 2 2 0 9;2.中国海洋石油集团有限公司,北京 1 0 0 0 1 0;3.中海油研究总院有限责任公司,北京 1 0 0 0 2 8)摘要 目前,行业内仍缺少将凝析油储存到半潜式平台船体中的经验和实践案例。本文给出了立柱中储存凝析油时深水半潜式平台船体结构的设计方案。第一,立柱凝析油舱周围需要采用双层舱壁(隔离舱),隔离舱舱壁之间采用板相连;第二,凝析油舱设计压头优化降低了2 0m,比同高度的压载舱仍增大了1 0m;第三,凝析油舱内设置了上下各空出2m的非水密连续舱壁,经过总体结构强度和疲劳分析,该舱壁方案可行;第四,在立柱底部、压载舱、凝析油舱底部多考虑2mm腐蚀裕量。本研究可为今后类似设计提供参考。关键词 船体结构;半潜式平台;凝析油储存;强度和疲劳;隔离舱;设计压头中图分类号:T E 8 3 2;T E 5 4 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 0 0 8 0 6d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.0 2T h e H u l l S t r u c t u r e D e s i g n a n d P r a c t i c e o f t h e C o n d e n s a t e S t o r a g e T a n k o f S e m i-S u b m e r s i b l e P l a t f o r mL I U X i a o y a n1,F E N G J i a g u o2,L I D a3(1.C N O O C C h i n a L i m i t e d,B e i j i n g N e w E n e r g y C o m p a n y,B e i j i n g 1 0 2 2 0 9,C h i n a;2.C h i n a N a t i o n a l O f f s h o r e O i l C o r p o r a t i o n,B e i j i n g 1 0 0 0 1 0,C h i n a;3.C N O O C R e s e a r c h I n s t i t u t e,L t d.,B e i j i n g 1 0 0 0 2 8,C h i n a)A b s t r a c t T h e r e i s l i t t l e i n d u s t r i a l e x p e r i e n c e a n d p r o j e c t s f o r s e m i-s u b m e r s i b l e p l a t f o r m w i t h l a r g e v o l u m e c o n d e n s a t e s t o r a g e t a n k s.T h e h u l l s t r u c t u r e d e s i g n o f c o n d e n s a t e s t o r a g e t a n k s w e r e p r o v i d e d.F i r s t l y,t h e c o l u m n w a s d e s i g n e d w i t h t h e d o u b l e-w a l l v o i d s(c o f f e r d a m s)a r o u n d t h e c o n d e n s a t e t a n k s a n d c o n n e c t e d w i t h f l a t s w i t h m a n h o l e s f o r m a i n t e n a n c e a c c e s s.S e c o n d l y,t h e p r e s s u r e h e a d o f c o n d e n s a t e t a n k w a s i n c r e a s e d b y 1 0m c o m p a r e d t o t h e b a l l a s t t a n k a f t e r o p t i m i z i n g t h e r e d u c t i o n o f 2 0m.T h i r d l y,t h e b u l k h e a d s o f c o n d e n s a t e t a n k a r e n o n-w a t e r t i g h t a n d c o n t i n u o u s,b u t w i t h t h e u p p e r a n d l o w e r 2m h e i g h t g a p s f o r t h e f l o w i n g o f c o n d e n s a t e a n d g a s.F o u r t h,t h e a d d i t i o n a l c o r r o s i o n m a r g i n o f 2mm w a s a d d e d t o t h e b o u n d a r y o f f r e q u e n t l y b a l l a s t a n d d e-b a l l a s t t a n k s i n t h e n o d e s a n d c o l u m n s.I t i s a s u c c e s s f u l p r a c t i c e f o r o t h e r s i m i l a r d e s i g n i n t h e f u t u r e.K e y w o r d s h u l l s t r u c t u r e;s e m i-s u b m e r s i b l e p l a t f o r m;c o n d e n s a t e o i l s t o r a g e;s t r e n g t h a n d f a t i g u e;c o f f e r d a m;p r e s s u r e h e a d.0 引 言半潜式生产平台是目前深水油气田开发中应用最广泛的装置之一,最为典型的模式是半潜式平台 水下井口/水下生产系统 浮式生产储油卸油装备,充分发挥这3种设施的特点,将钻采、生产、储存和运输等多种功能组合起来1。目前国际上也有2种较小量储油的半潜式生产平台,分别是N a K i k a作者简介:刘小燕(1 9 8 5),女,硕士研究生,主要从事浮式生产设施及浮式海上风电方面研究。E m a i l:l i u x y 7 7c n o o c.c o m.c n。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 3第2期刘小燕,等:深水半潜式生产平台立柱储油结构设计及应用9 半潜式生产平台,在浮箱中储油6 4 3 6 t;G u m u s u t半潜式平台,在立柱中储油2 6 9 6 t。这两个平台的储油主要是死油(d e a d o i l)或柴油,用于管道的置换或气举过程。我国南海蕴含丰富的油气藏资源,但离岸较远且在气田生产中伴随一定量的凝析油。经过初步处理后的天然气可以经过管线外输至陆地,如何合理安排凝析油成了深远海油气田开发的拦路虎。单独为凝析油外输新建管线将加大投资,降低油气田收益。本文提出了在深水半潜式生产平台的立柱中储存凝析油的结构设计方案,该设计方案获得国家发明专利授权,并在南海某深水气田开发项目中应用。立柱储油对半潜式平台的总体设计、船体结构设计都会带来重大影响,需要创新性集成设计,比如船体结构的布置,设计压头、凝析油舱的结构设计等,需要进行探索和集成设计。其中,船体结构设计是半潜式平台设计方案的重要组成部分2,对平台的安全非常重要。本文结合深水气田开发中带凝析油储存的半潜式平台的设计,详细说明立柱储油的结构设计方案及在工程应用中的分析研制情况。1 基于凝析油储存的船体结构设计1.1 立柱储存凝析油的舱室设计方案储油舱设置于半潜式生产平台的立柱里。储油舱内部设有非连续式舱壁,将储油舱划分为若干水平方向相互连通的空间。每个舱壁有一组在一个立面纵向间隔排列的横梁,横梁与储油舱横向连接。横梁包括两个垂直相交的工型钢,该结构截面为“十”字形;为解决凝析油挥发带来的安全问题,还需要配套设计惰性气田管路系统。惰气管路系统包括惰气支管和惰气总管。储油舱上端连通惰气支管,惰气支管均连通惰气总管。惰气总管设于立柱的上方,包括惰气供气及放空总管、惰气吹扫及驱气总管,并列设置,通过阀门互通;惰气供气及放空总管的上方设置了放空阀,通过管道与惰气供气及放空总管连接;放空阀位于半潜式平台主甲板2 0m以上高度,惰气总管位于立柱顶部以上5 1 0m的区域。1.2 立柱凝析油舱周围设置隔离舱根据中国船级社 海上浮式装置入级规范(2 0 1 4)3和MA R P O L公约4要求,整个货油舱应由压载舱或非载运油类的舱室加以保护,即油舱周围需设置隔离舱,这是储存凝析油的半潜式平台不同于常规半潜式平台的规范。本文凝析油舱周边设置隔离舱,隔离舱间距1.8m,大于规范要求的最小值1.5m。考虑采用水平板代替常规的T型桁架,便于骨材的布置。在隔离舱的板材上设置6 0 0mm 6 0 0mm或6 0 0mm8 0 0mm的入孔,用于人员检修。1.3 凝析油舱室结构规划设计压头根据A B S F P I5规范要求,舱室的设计压头直径取舱顶到泄放口高度值的2/3加上舱室高度值。因此,为了尽量减小设计压头,在一般的舱室设计中,设置水平舱壁来降低水压头,或降低舱室的透气孔高度(立柱以上0.9 1m即可)。在结构尺度规划时,可以减小舱室的设计压头。当然,压头也不是越小越好,因为满足舱室的内压只是满足了船体结构的最低要求。在后面的有限元分析中还会调整结构的尺寸,尤其是关键连接位置的一些板材。本文压载舱就是按照上述一般设计方式,在不同高度设置了水平舱壁,透气孔高度比立柱高0.9 1m。但是凝析油舱的设计则不同。一方面,由于货油泵直接通到舱底,以及维修、洗舱系统等要求,不设置水平舱壁,也就是说,凝析油舱从舱底贯穿到立柱顶端;另一方面,考虑到安全要求,凝析油舱的放空口设置较为讲究,需要远离生活区域且易于扩散,本文设置在离主甲板高约2 0m的位置(比立柱高约3 0m),如图1所示。如果以此高度作为设计压头的基础,设计压头太大,将对船体结构产生较大影响。为了既满足规范对设计压头的要求,又不至于太大,将4个立柱的惰气放空管线连接到一起。一方面,方便惰气系统的设计;另一方面,其中一个舱因故障造成凝析油溢出时不会直接溢到放空口,而是流到其他立柱的凝析油舱。因此,将凝析油舱惰气放空总管高度作为凝析油舱透气孔高度,该管线位于主甲板下,比立柱高1 0m,减小了2 0m的高差。总结提出了一种创新的半潜式平台储油舱及惰性气体管道系统的设计方案,获得了发明专利。综合以上分析可以看出,由于凝析油舱不能设置水平舱壁,导致该舱的设计压头增加约2 4m,即便是将凝析油的惰气放空总管高度作为透气孔高度,设计压头也增加约6m。因此,综合考虑,如果按照常规设计方法,凝析油舱的设计压头约增加3 0m,但通过本次设计优化,凝析油舱的设计压头减小了2 0m,仅比常规压载舱的设计压头增加了约1 0m。1 0 海洋工程装备与技术第1 0卷图1 凝析油舱透气口和放空管线示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f c o n d e n s a t e t a n k v e n t s a n d v e n t i n g l i n e s2 凝析油舱的结构设计2.1 设计工况一般的半潜式生产平台,通常是固定吃水。由于生产和外输凝析油的需要,本文的半潜式生产平台吃水为3 5 4 0m,台风工况是3 7m。油船规范要求:根据操作手册中的可能装载工况,筛选出对结构最不利的装载工况以及运营检验中凝析油舱在位维修检验工况。在设计阶段考虑的工况如表1所示,当然,下一阶段还将继续搜索其他装载情况时的典型和不利工况。表1 凝析油储存半潜式平台设计工况T a b.1 D e s i g n c o n d i t i o n s f o r c o n d e n s a t e s t o r a g e s e m i-s u b m e r s i b l e p l a t f o r m s工况吃水/m环境条件操作工况3 51年一遇台风4 01年一遇台风极端工况3 71 0 0年一遇台风生存工况3 71 0 0 0年一遇台风破损工况3 71年一遇台风疲劳3 53 74 0波浪散布图2.2 凝析油舱结构细节设计为了满足舱容需要,凝析油舱舱容较大,空间上设计为L型舱室;为了方便洗舱,凝析油舱中间尽量不隔离。最初方案考虑采用支柱结构,用于凝析油舱水平支撑,以及凝析油及舱内气体自由流动,舱室结构设计如图2所示。但支柱式结构的根部容易产生应力集中,根部的结构强度和疲劳寿命稍差,对于3 0年不进坞要求,存在一定的结构安全风险。图2 水平支柱式凝析油舱壁F i g.2 H o r i z o n t a l s t r u t t e d c o n d e n s a t e b u l k h e a d s为了改善结构的应力分布,提高安全水平,在满足凝析油舱内系统要求的前提下优化设计结构,考虑将中间支柱式的舱壁设计为连续舱壁。如图3所示,上下各留2m空间,便于下面凝析油和上面气体流动,适当增加扫舱系统。图3 凝析油舱中非水密连续舱壁结构F i g.3 N o n-w a t e r t i g h t c o n t i n u o u s b u l k h e a d c o n s t r u c t i o n i n c o n d e n s a t e t a n k s为了评估凝析油舱壁结构方案优化前后的情况,对中间舱壁进行了结构分析,结构应力和疲劳寿命对比如表2所示,结构应力对比如图4所示,疲劳寿命对比如图5所示。从结果可以看出,通过优化设计,减小了凝析油舱舱壁的应力集中,降低了结构应力水平,提高了疲劳寿命,更安全可靠,验证了优化后的凝析油舱结构设计方案。第2期刘小燕,等:深水半潜式生产平台立柱储油结构设计及应用1 1 表2 凝析油舱中支柱式舱壁与连续舱壁结构分析结果对比T a b.2 C o m p a r i s o n o f a n a l y s i s r e s u l t s b e t w e e n s t r u t b u l k h e a d a n d c o n t i n u o u s b u l k h e a d s t r u c t u r e s i n c o n d e n s a t e t a n k s方案结构应力/M P a疲劳寿命/年支柱式舱壁结构2 0 01 5 0连续舱壁结构1 6 2 3 0 0(a)初始凝析油舱结构(a)I n i t i a l c o n d e n s a t e t a n k s t r u c t u r e(b)优化后凝析油舱结构(b)O p t i m i s e d c o n d e n s a t e t a n k s t r u c t u r e图4 凝析油舱舱壁结构应力云图F i g.4 C o n d e n s a t e t a n k b u l k h e a d s t r u c t u r a l s t r e s s c l o u d(a)初始凝析油舱结构(a)I n i t i a l c o n d e n s a t e t a n k s t r u c t u r e(b)优化后凝析油舱结构(b)O p t i m i s e d c o n d e n s a t e t a n k s t r u c t u r e图5 凝析油舱舱壁结构疲劳寿命云图F i g.5 F a t i g u e l i f e c l o u d s f o r c o n d e n s a t e t a n k b u l k h e a d s t r u c t u r e s2.3 凝析油舱结构腐蚀裕量设计凝析油生产和外输会导致部分压载舱频繁压载。对于这类压载舱,需要关注防腐措施。如果设置阳极,压载舱排载则起不到防腐作用;如果采用油漆防护,长时间的有水和无水交替也容易造成损坏,因为水密度比凝析油大,会沉在凝析油舱底部,容易引起腐蚀。因此,须考虑以下措施:对于频繁调载的压载舱,建议预留2mm腐蚀裕量。凝析油舱底部2m以下区域考虑2mm腐蚀裕量。n o d e底部,由于存在卸货等摩擦作用,考虑2mm腐蚀裕量。2.4 对船体结构设计的其他分析储存和外输凝析油需要额外配置一些压载舱,会增加平台的总重量,对平台的排水量有影响。综合考虑凝析油重量和压载舱重量,初步估算增大排水量约3 2 0 0 0 t,如表3所示。排水量增大,最直接的影响是平台受到的波浪和洋流的载荷增大,因而结构需要抵抗的载荷增加,也会增大关键连接结构的设计难度(比如立柱与浮箱连接结构)。例如,有些排水量较小的平台,在立柱与浮箱连接处只设置水平过渡肘板即可。而本文除了需要水平过渡肘板,还需要垂向肘板,如图6所示。这也是因为凝析油储存带来的潜在影响和间接影响。1 2 海洋工程装备与技术第1 0卷表3 凝析油储存对排水量的影响T a b.3 I m p a c t o f c o n d e n s a t e s t o r a g e o n d r a i n a g e c a p a c i t y舱名称设计舱容/m3最小装载量时/m3最大装载量/m3影响排水量初估/t凝析油舱压载舱2 0 9 0 9(共4个)5 0 2 2 2(共2 8个)04 1 0 2 52 0 0 0 02 3 7 2 53 2 0 0 0图6 立柱与浮箱连接处水平肘板和垂直肘板F i g.6 H o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l e l b o w p l a t e s a t t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n c o l u m n a n d f l o a t i n g b o x3 凝析油舱室结构强度分析和疲劳寿命筛选 为了验证凝析油舱的相关设计是否满足要求,还进行了凝析油舱结构的强度分析和疲劳寿命筛选。在A B S6和众多文献中7 1 2推荐了两种疲劳寿命筛选做法:简化疲劳寿命评估和谱疲劳分析方法,本文采用谱疲劳分析方法。采用A N S Y S软件进行了船体结构有限元分析,用s h e l l 6 3模拟外板、大梁和舱壁等板壳结构,B E AM 1 8 8用于模拟肋骨和大梁的面板,M a t r i x 2 7用于模拟锚链、系泊缆和脐带缆等对结构的作用。船体结构总体结构和凝析油舱的强度和疲劳寿命分析的结果如图7和图8所示,从图中可以看出:(a)总体结构强度云图(a)O v e r a l l s t r u c t u r a l s t r e n g t h c l o u d(b)凝析油舱结构强度云图(b)S t r u c t u r a l s t r e n g t h c l o u d s o f c o n d e n s a t e t a n k s图7 船体结构强度应力云图F i g.7 H u l l s t r u c t u r a l s t r e n g t h s t r e s s c l o u d s(a)总体结构疲劳寿命云图(a)O v e r a l l s t r u c t u r a l f a t i g u e l i f e c l o u d(b)凝析油舱结构疲劳寿命云图(b)F a t i g u e l i f e c l o u d s f o r c o n d e n s a t e t a n k s t r u c t u r e s图8 船体结构疲劳寿命云图F i g.8 H u l l s t r u c t u r e f a t i g u e l i f e c l o u d s 总体结构强度和凝析油舱的结构强度校核满足规范要求,凝析油舱结构满足规范要求;搜索出浮箱和立柱、上部模块与立柱等连接处应力较大,需通过局部结构分析进一步校核。第2期刘小燕,等:深水半潜式生产平台立柱储油结构设计及应用1 3 从结果看,总体疲劳寿命满足要求,凝析油舱结构的疲劳寿命满足要求;搜索出浮箱和立柱、上部模块与立柱等连接处,立柱和浮箱过渡锥形等区域疲劳寿命较小,建议下一阶段通过局部分析进一步校核。4 结论及建议目前,国际工业界缺少在半潜式生产平台中储存大量凝析油的经验和案例,本文给出了在立柱中储存2 0 0 0 0m3凝析油的半潜式生产平台船体结构设计方案,并进行了相关分析,给出了基于凝析油储存需求的深水半潜式平台船体结构设计,得到以下认识:针对储存凝析油的半潜式生产平台,研究了船体结构设计中凝析油的影响。最大影响为需要设置隔离舱;优化降低了2 0m设计压头,凝析油舱设计压头比同位置压载舱仍增大约1 0m;还影响分析工况、舱壁设计、立柱与浮箱连接部位设计等。规范要求,储存和外输凝析油的船体结构设计有两点明显不同于常规半潜式平台:一是要求设置双层舱壁(隔离舱);二是工况要求更细。需要筛选出对结构最不利的装载工况,以及运营检验中凝析油舱在位维修检验工况。考虑到3 0年不进坞维修的设计前提,提出了频繁压载舱、凝析油舱底部2m、n o d e底部等区域考虑额外的2mm腐蚀裕量的设计方案。船体总体结构强度和疲劳分析、凝析油舱的结构验证和对比分析结果表明,优化后凝析油舱舱壁结构设计效果良好。凝析油储存会增大排水量及船体所受载荷,对立柱与浮箱、上部甲板与立柱连接等关键位置的设计有间接影响,建议重点关注。本文介绍的基于凝析油储存的深水半潜式生产平台结构设计已投产应用,经受住了“康森”“圆规”“雷伊”等5个台风的袭击,最大风力超过1 2级;整体运行平稳,舱室累计储油已超过4 0万方,为后续解决气田开发中凝析油的储存问题提供了新的解决思路和方案。参 考 文 献1谢彬,张爱霞,段梦兰.中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型J.石油学报,2 0 0 7,2 8(1):1 1 5 1 1 8.2王世圣,谢彬,曾恒一,等.3 0 0 0米深水半潜式钻井平台运动性能研究J.中国海上油气,2 0 0 7,1 9(4):2 7 7 2 8 0.3C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y.R u l e s f o r C l a s s i n g O f f s h o r e F l o a t i n g U n i t s S.2 0 1 4,3 7 1 3 7 4.4MA R P O L.T h e I n t e r n a t i o n a l C o n v e n t i o n f o r t h e P r e v e n t i o n o f P o l l u t i o n f r o m S h i p s S.2 0 0 5.5A m e r i c a n B u r e a u o f S h i p p i n g.R u l e s f o r B u i l d i n g a n d C l a s s i n g f o r F l o a t i n g P r o d u c t i o n I n s t a l l a t i o n s S.2 0 1 6,4 7 5 4 7 8.6A m e r i c a n B u r e a u o f S h i p p i n g.G u i d e f o r F a t i g u e A s s e s s m e n t o f O f f s h o r e S t r u c t u r e s S.2 0 1 4,2 6 3 0.7F r i c k e,W,K a h l,A.C o m p a r i s o n o f D i f f e r e n t S t r u c t u r a l S t r e s s A p p r o a c h e s f o r F a t i g u e A s s e s s m e n t o f W e l d e d S h i p S t r u c t u r e s J.M a r i n e S t r u c t u r e s,2 0 0 5,1 8(7 8):4 7 3 4 8 8.8F r i c k e,W,D o e r k,O.S i m p l i f i e d A p p r o a c h t o F a t i g u e S r e n g t h A s s e s s m e n t o f F i l l e t-W e l d e d A t t a c h m e n t e n d s J.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e,2 0 0 6,2 8(2):1 4 1 1 5 0.9L i u,G,Z h e n g,Y L,e t a l.F a t i g u e S t r e n g t h A n a l y s i s o f B I N G O 9 0 0 0 S e m i-S u b m e r s i b l e D r i l l i n g R i g J.J o u r n a l o f S h i p M e c h a n i c s,2 0 0 2,6(4):5 4 6 3.1 0L i,Y,C h e n,Y J,e t a l.S t u d y o n G l o b a l F a t i g u e A n a l y s i s f o r D e e p-W a t e r T e n s i o n-L e g P l a t f o r m B a s e d o n S i m p l i f i e d S p e c t r a l M e t h o d C.I S O P E I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f O f f s h o r e a n d P o l a r E n g i n e e r s C o n f e r e n c e,2 0 1 5,1 4 0 4 1 4 1 0.1 1X i e,WH.S t u d y o n t h e S t r u c t u r a l S t r e n g t h a n d F a t i g u e A s s e s s m e n t o f D e e p w a t e r S e m i-S u b m e r s i b l e r i g C.C h i n a N a t i o n a l O f f s h o r e O i l C o r p o r a t i o n R e s e a r c h C e n t e r,P o s t d o c t o r a l r e s e a r c h r e p o r t,2 0 0 9.1 2F r i c k e,W,e t a l.C o m p a r a t i v e F a t i g u e S t r e n g t h A s s e s s m e n t o f a S t r u c t u r a l D e t a i l i n a C o n t a i n e r s h i p U s i n g V a r i o u s A p p r o a c h e s o f C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t i e s J.M a r i n e S t r u c t u r e s,2 0 0 2,1 5(1):1 1 3.