0 引言

根据国家十二五规划，向深海进发大力发展高端海洋工程装备，重点开发高精度勘探和采油系统；伴随国际海洋石油开采活动不断向深水海域迈进，FPSO 上部模块在技术性能、功能设计、建造技术及操作要求等方面均有了更高的要求。

FPSO 上部模块作为海上油气生产处理和公用设施的基地，对油田的开采开发作用尤为重要。目前有近200 艘FPSO在北海、巴西、西非、东南亚和中国的渤海、南海等海域的油气开采作业。针对的不同海域要考虑对FPSO 的结构设计、总体规划布置、建造场地和安装设施能力等多种因素的影响；鉴于上部模块的空间有限、各种设备繁多、管路布置密集、深海海况复杂恶劣的工作环境，因此上部模块从结构设计、工艺流程的策划、设备的选型到综合布置优化，并对模块的建造质量，都是必须严格按照海洋工程类的设计建造标准和规范来执行的。以下就上部模块结构的设计及建造技术进行深一步的剖析。

1 结构设计要考虑的问题

1.1 上部模块总体布置原则

FPSO 上部模块主要包括油气处理工艺系统、公用和辅助系统等。上部模块总体布置方案涉及到工艺流程、结构规划、上部模块的分块、安全和生产操作、建造方案等各个环节。FPSO 上部模块结构设计将是总体设计思路充分体现的载体，关系到设备的布置、总体布置区域的划分、管线和电缆托架的走向、生产操作要求，上部模块结构方案将固化模块的建造方式、模块的安装方式，同时对模块的用钢量和工程费用起着决定性的作用，是总体布置方案需要调整协调和统筹考虑的主要方面[1]。总体布置是模块结构规划的依据，能在有限的空间内最大效率发挥各个模块的作用，满足生产作业和维修空间的要求才是模块结构设计的主导方向。

1.2 上部模块尺寸布置

上部模块总体布置尺寸以工艺处理流程及综合布放为依据，结合设备的尺寸、生产操作、安全要求确定，与FPSO主船体的总体布置相匹配。为了合理进行结构规划，满足结构设计要求，便于模块的建造和安装；在FPSO 上部模块划分成几个独立的模块分别设计、建造和安装，在甲板上安装到位后，再连接成整体，进行系统的调试。上部生产工艺系统以及公用辅助系统一般划分为：火炬燃烧气液分离系统（15.8 m×11.65 m）、原油处理系统（29.14 m×37.65 m）、电站（29.14 m×24.37 m）、注入水/海水淡化/中央冷却水等系统（24.5 m×35 m）、原油计量/化学品/海水注入等系统（21 m×35 m）、热站（11.5 m×10.2 m）、E-house（29.36 m×20.19 m）、直升机加油撬块（29.36 m×13.97 m）等模块。

1.3 结构设计载荷

上部模块结构应力有限元分析主要考虑的荷载是，结构自重、设备质量、静/活载荷、风载荷（见表1）、船体运动加速度和船体总纵弯曲变形和安装载荷。

表1 在位风速Return Perlod 1-hr Mean（m/s）3-sec Gust（m/s）1-year 17.4 19.5 22.7 25.7 10-years 22.8 25.5 29.7 34.7 100-years 28.2 30.9 36.7 43.0 10-min Mean（m/s）1-min Mean（m/s）

1.4 结构设计具备的条件

上部模块结构设计主要考虑的因素有，设计使用寿命、计算工况、模块的总体布置及结构形式、船舶运动加速度和船体总纵弯曲变形、模块支墩结构的应力分布、局部载荷、模块的建造方案等方面考虑。上部模块设计工况包括：整体计算工况（位运营、在位风暴自存、在位破损、疲劳分析、运输分析、吊装分析等）和局部计算工况（次要结构设计、模块重量、接头设计等）。上部模块采用单模块整体建造、吊装的方案，在设计模块结构时需考虑模块的整体强度和刚度，并抵消船体梁变形的影响[2]。

2 上部模块结构设计建造方案

2.1 材料的选择

根据FPSO上部模块构件所承受的载荷、应力水平及模式、关键载荷传递和应力集中以及失效后果，所有结构可分为特殊构件、主要构件、次要构件等。

上部模块结构特殊构件：主结构框架及支墩上的关键载荷传递点，如主立柱上各水平、斜撑结构件交汇段，这些部位将承受显著集中载荷，失效后将破坏模块结构完整性。其所选用的材料屈服强度至少355 MPa 的高强钢。

上部模块主要结构件：主结构框架、支墩及其端部连接、基座的螺栓、甲板板等，失效后将破坏模块结构完整性，须作疲劳考虑，其所选用的材料屈服强度至少355 MPa。

次要构件：除以上所述外的上部模块结构件、外舾件。其所用材料视具体要求而定，材料屈服强度为235～355 MPa。