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摘 要：FPSO是浮式生产储油系统的英文缩写，概括的说，它仍然是属于一类油船，但兼有生产、储油和卸油的功能。它在海上与钻井平台、水下装置和穿梭油船一起组成了一套完整的海上油气生产系统，属于目前海洋工程船舶中的高技术和高附加值产品。文章结合中海油系统内现服役的主要FPSO船来分析其主要特点。
关键词：FPSO（浮式生产储油系统）；双层底和双舷；软钢臂式；内转塔式；模块支墩
中图分类号：P75 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）8-0053-03
历史将会铭记1976年的一天，壳牌石油公司用一艘
59 000 t的旧油轮改装成的世界上第一艘FPSO正式下水，并于1977年将其应用在地中海卡斯特利翁油田（西班牙近海）。从此FPSO正式登上了新兴的海洋油气开发的舞台。 FPSO海工结构诞生至今不过30余年，但由于FPSO具有储油多、投资省、可转移等优点，得到了迅猛发展。
1989年7月，国内第一艘FPSO渤海“友谊号”正式完工并投入运营，这艘FPSO是由708研究所设计、上海沪东中华船厂建造，服役于渤海区域。我国海油系统内目前正在服役的FPSO见表1，本表格基本囊括了在中国海域内工作的FPSO，特别是其中的大型FPSO，几乎都是近10年内建造和发展起来的。
1 FPSO的主要特点
FPSO船体结构的基本组成与油船没有本质的区别，但是由于FPSO服役期间的工作特点和所处的环境不同，在结构形式上与常规油船又有一定的差别。FPSO具有以下特点：
①兼有生产和储备的作用，是一座海上油气加工厂，具有小至几千立方米，大到几百万立方米的油气处理能力。
②是一座储油轮，目前世界上正在服役的FPSO，其储油能力已达35万 t。
③适应能力强，可在20～1 000 m水深范围内工作。
④可省去外输海底管道，用穿梭油轮将商品油运往外地。
⑤由于FPSO主要作为油田的长期储油设备，所以需要有很大的储油空间，因此其船长、船宽和方形系数都很大，并且平行中体所占船长的比例较大。
⑥FPSO长期工作于定位海域，通常没有航行的必要。因此FPSO一般没有普通运营船只为航行中减小波浪阻力而设计的球鼻艏，所以其形线比较简单。
⑦一般认为普通船舶在停港期间是不受疲劳载荷作用的，其承受载荷的时间为服役期的85%，然而，FPSO常年工作于固定的海域，没有普通运营船舶进港与出港的情况，因此FPSO在其全部服役期内都要承受疲劳载荷的作用，其疲劳载荷计算时间为100%服役期。
⑧由于FPSO的单点系泊特性，使得船体始终处于迎浪状态，考虑到风和流的方向与波浪通常有一定的夹角，FPSO浪向角一般在180 ？觷左右的一定范围内。
⑨为了保证油田的连续生产，FPSO一般没有进坞维修的可能，而且在工作海域经常会受到台风、强台风等恶劣环境的影响。服役年限较长，通常船东要求约40 a，远高于普通航行船舶25 a的寿命要求。
⑩抗风浪能力强，可长期系泊、连续工作。与固定式导管架平台与海底管道方案相比，具有投资省、见效快、可重复使用、风险小等特点，特别适用于远离海岸的中、深海及边际油田的开发。
我们将结合这些特点要求，分类来讨论在设计FPSO时对船型、结构等的要求。
2 总体布置
FPSO大体上可分为两部分：船体部分和生产设施。船体部分是指船体本身的结构设施，例如：主甲板和主甲板下的船体结构、控制系统以及单点系泊系统等，一般与油气生产没有直接关系。生产设施是指与油气水处理和生产辅助设施等，一般模块化布置于主甲板以上。典型FPSO的甲板布置如图1所示：
2.1 主甲板及生产甲板的布置
主甲板是船舶表面的一层连续甲板，而生产甲板一般位于主甲板之上3～4 m处。为了减小甲板的总纵弯曲应力以及克服因船体的摆动产生的扭曲应力，生产甲板一般不连续，而被系统的分为几个模块，其中每个模块的甲板，称之为模块甲板。
两模块甲板之间有一定的距离，其大小与他们所负载的设备有关，一般同属于非危险区域的两模块甲板间距在100 mm左右。而危险区域与非危险区域模块之间的甲板间距在3 m以上，以保证两模块之间的设备最小间距≥3 m。同属危险区的模块与模块之间，应每隔35 m设一隔离带，以保证相邻两模块之间的设备最小间距≥3 m；而总长在35 m的，两模块之间可不设隔离带，保证两甲板之间的最小间距≥100 mm即可。
2.2 单点系泊的形式
FPSO实际上是被系泊约束了的船，因此单点系泊系统是FPSO的关键技术之一。按系泊的形式不同，可分为三种类型。
2.2.1 软刚臂式
软刚臂式浮式生产系统由导管架、旋转接头、系泊铰接臂以及储油轮上的支架组成。由于刚臂连接处为铰接，可绕着导管架上的将军柱随风浪、潮流转动，随涌浪在一定范围内升降、摇摆，所以称之为软刚臂式单点系泊。如渤中28-1服役的“友谊号”、渤中34-2/4服役的“常青号”等就属于软刚臂式浮式生产系统如图2所示。
2.2.2 硬刚臂式
硬刚臂与软刚臂有许多相似之处，也可随风浪、潮浪转动，但刚臂与船体之间为刚性连接，锚固单点与船体保持同步升降。这种系泊形式不太灵活，适合比较平静的海况，目前采用已不多见。
2.2.3 内转塔式
在船艏部位设内转塔筒体结构，在锥型筒体结构与船体之间，设置若干加强板。内转塔高度一般与船的型深相同，下部直径超过10 m。内转塔底部用多点锚链与海底固定。西江油田群服役的“开拓号”和惠州油田区服役的“发现号”就属于内转塔式浮式生产系统（如图3所示）。其中值得一提的是，“发现号”是我国第一艘巨型FPSO，它由国外设计和改造，采用了比较先进的可分离浸没式的内转塔，于1990年正式投入生产，长期以来一直服役于惠州油田群。这种设计可以让它，及时的脱离工作区域，躲避台风或转移工作海域。 3 结构布置
FPSO作为海上油田的长期储油装置，需要很大的储油空间，船型上与一般常规油船有所不同；它长期固定于定位海域，通常没有航行的必要，在结构上也有其自己的特点。
3.1 疲劳强度
FPSO长期固定在油田海域，在极其恶劣的海况下作业，不同于航行船舶，可能无法躲避风浪，甚至百年一遇的台风，也不能定期进坞保养，修理，长期处于交变载荷作用下，必然会出现疲劳损坏。因此，疲劳强度是FPSO设计中需要重点考虑的问题。若以一艘普通船舶服役20～25 a计算，其结构因为波浪引起的交变应力循环次数可达108次之多。通常船东要求FPSO的服役寿命约为40 a，远高于普通航行船舶25 a的寿命要求，故对疲劳强度要求远高于普通船舶。所以，在结构设计时，对于一些结构应力集中处，例如各焊缝焊趾，需做额外的加强，采取增加有软趾的肘板等措施，以使疲劳寿命得到改善，如图4所示。
3.2 船底和舷侧结构
根据国际防污染公约（MARPOL）有关要求，载重量为600载重吨及以上小于5 000载重吨的油船应设双层底，载重量在5 000载重吨以上的油船必须设置双壳。从防污染的角度，载重量大于5 000 t的FPSO船也基本都是双壳结构。但由于FPSO的主要功能是作为生产储油卸油装置固定在油田海域作业，不同于原油运输船，故不要求必须为双壳结构。目前最常见的深海型FPSO分舱一般为双舷侧、单底结构。艏艉端一般为单壳、横骨架式，中部货油舱区域为双舷、纵骨架式。但有时根据其所在作业海域的特点，如在浅水海域作业，为防止由于碰底而造成原油泄漏，要采用双舷侧、双层底结构。
3.3 模块支墩结构
FPSO的主甲板上部设置有生产甲板，生产甲板通常是模块化的。模块采用平台结构，且由支撑结构支撑平台。支撑结构与主甲板之间的连接结构，通常称作支墩，其结构形式主要有四种：
3.3.1 传统式刚架
FPSO传统的模块支撑结构通常采用工字梁剖面的普通刚架形式（如图5所示）。这种结构形式在风、浪、流和液货共同作用下，模块支撑根部有明显的高应力区，如图五，刚架与主甲板连接的A、B、C、D、E点会产生裂缝，且维修极其不方便。在海况较好的油田，如渤海湾几艘FPSO曾采用这种形式，现已较少采用这种形式的刚架支撑。
3.3.2 小支墩
底座由交叉的隔板和面板组成，斜支撑和垂向支撑的下端分别焊接于同一个小型底座的面板上。这种设计仍然为全固定的结构，所以在恶劣海况下仍未消除船舶总纵弯曲对模块支撑的影响，而造成模块支撑反力过大，因此这种形式仍适合较好的海况。但小支墩至少能在模块支撑和主甲板间起到隔离作用，便于维修和更换（如图6所示）。
3.3.3 壁式支墩
为减少船舶总纵弯曲对模块支撑的影响，FPSO采用如图7所示的壁式支墩结构。整个模块在纵向如单跨简支梁形式，板架的一端与船体主甲板固定；另一端采用活动连接，使得这一端在船舶产生总纵弯曲时，可沿船梁纵向滑动。在南海服役“胜利号”和“奋进号”等均采用了壁式支墩结构。自该两艘FPSO服役以来，已经受几次台风的考验，未产生任何异常现象，事实证明，这种壁式支墩适用于恶劣海况。
3.3.4 箱式小支墩
这种结构是壁式支墩的进一步改进，主要是把支墩制作成箱型结构形式。每个模块支撑有四只支墩，其中两只与支墩焊接，另外两只可沿船舶纵向滑动，并在可滑动的支墩面板上设置横向挡块，以限定位置。该结构形式除了继承壁式支墩的优点外，在相同恶劣的海况下，比壁式支墩结构形式更为节省材料，占用空间和甲板面积更小，有利于消防、管线的布置。“海洋石油111号”便采用了箱式支墩结构。
4 结 语
鉴于国内工业和生活发展对油气大量、持续的需求，同样会提高在未来海上油气开发中对大型和深水FPSO的需求力度。FPSO作为高技术、高附加值的船型的一个出色的代表，必然是以后我国船舶与海洋工程发展的一个重头戏。纵观世界，FPSO的新技术和新概念还在不断的涌现，例如近期出现的圆浮筒式的新型FPSO概念。这一领域还有很多地方值得去学习和开发。
参考文献：
[1] 赵耕贤.FPSO结构设计特点[J].船舶，2002，（1）.
[2] 杨永祥.船舶与海洋平台结构（重印版）[M].北京：国防工业出版社，2012.
关键词：FPSO（浮式生产储油系统）；双层底和双舷；软钢臂式；内转塔式；模块支墩
中图分类号：P75 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）8-0053-03
历史将会铭记1976年的一天，壳牌石油公司用一艘
59 000 t的旧油轮改装成的世界上第一艘FPSO正式下水，并于1977年将其应用在地中海卡斯特利翁油田（西班牙近海）。从此FPSO正式登上了新兴的海洋油气开发的舞台。 FPSO海工结构诞生至今不过30余年，但由于FPSO具有储油多、投资省、可转移等优点，得到了迅猛发展。
1989年7月，国内第一艘FPSO渤海“友谊号”正式完工并投入运营，这艘FPSO是由708研究所设计、上海沪东中华船厂建造，服役于渤海区域。我国海油系统内目前正在服役的FPSO见表1，本表格基本囊括了在中国海域内工作的FPSO，特别是其中的大型FPSO，几乎都是近10年内建造和发展起来的。
1 FPSO的主要特点
FPSO船体结构的基本组成与油船没有本质的区别，但是由于FPSO服役期间的工作特点和所处的环境不同，在结构形式上与常规油船又有一定的差别。FPSO具有以下特点：
①兼有生产和储备的作用，是一座海上油气加工厂，具有小至几千立方米，大到几百万立方米的油气处理能力。
②是一座储油轮，目前世界上正在服役的FPSO，其储油能力已达35万 t。
③适应能力强，可在20～1 000 m水深范围内工作。
④可省去外输海底管道，用穿梭油轮将商品油运往外地。
⑤由于FPSO主要作为油田的长期储油设备，所以需要有很大的储油空间，因此其船长、船宽和方形系数都很大，并且平行中体所占船长的比例较大。
⑥FPSO长期工作于定位海域，通常没有航行的必要。因此FPSO一般没有普通运营船只为航行中减小波浪阻力而设计的球鼻艏，所以其形线比较简单。
⑦一般认为普通船舶在停港期间是不受疲劳载荷作用的，其承受载荷的时间为服役期的85%，然而，FPSO常年工作于固定的海域，没有普通运营船舶进港与出港的情况，因此FPSO在其全部服役期内都要承受疲劳载荷的作用，其疲劳载荷计算时间为100%服役期。
⑧由于FPSO的单点系泊特性，使得船体始终处于迎浪状态，考虑到风和流的方向与波浪通常有一定的夹角，FPSO浪向角一般在180 ？觷左右的一定范围内。
⑨为了保证油田的连续生产，FPSO一般没有进坞维修的可能，而且在工作海域经常会受到台风、强台风等恶劣环境的影响。服役年限较长，通常船东要求约40 a，远高于普通航行船舶25 a的寿命要求。
⑩抗风浪能力强，可长期系泊、连续工作。与固定式导管架平台与海底管道方案相比，具有投资省、见效快、可重复使用、风险小等特点，特别适用于远离海岸的中、深海及边际油田的开发。
我们将结合这些特点要求，分类来讨论在设计FPSO时对船型、结构等的要求。
2 总体布置
FPSO大体上可分为两部分：船体部分和生产设施。船体部分是指船体本身的结构设施，例如：主甲板和主甲板下的船体结构、控制系统以及单点系泊系统等，一般与油气生产没有直接关系。生产设施是指与油气水处理和生产辅助设施等，一般模块化布置于主甲板以上。典型FPSO的甲板布置如图1所示：
2.1 主甲板及生产甲板的布置
主甲板是船舶表面的一层连续甲板，而生产甲板一般位于主甲板之上3～4 m处。为了减小甲板的总纵弯曲应力以及克服因船体的摆动产生的扭曲应力，生产甲板一般不连续，而被系统的分为几个模块，其中每个模块的甲板，称之为模块甲板。
两模块甲板之间有一定的距离，其大小与他们所负载的设备有关，一般同属于非危险区域的两模块甲板间距在100 mm左右。而危险区域与非危险区域模块之间的甲板间距在3 m以上，以保证两模块之间的设备最小间距≥3 m。同属危险区的模块与模块之间，应每隔35 m设一隔离带，以保证相邻两模块之间的设备最小间距≥3 m；而总长在35 m的，两模块之间可不设隔离带，保证两甲板之间的最小间距≥100 mm即可。
2.2 单点系泊的形式
FPSO实际上是被系泊约束了的船，因此单点系泊系统是FPSO的关键技术之一。按系泊的形式不同，可分为三种类型。
2.2.1 软刚臂式
软刚臂式浮式生产系统由导管架、旋转接头、系泊铰接臂以及储油轮上的支架组成。由于刚臂连接处为铰接，可绕着导管架上的将军柱随风浪、潮流转动，随涌浪在一定范围内升降、摇摆，所以称之为软刚臂式单点系泊。如渤中28-1服役的“友谊号”、渤中34-2/4服役的“常青号”等就属于软刚臂式浮式生产系统如图2所示。
2.2.2 硬刚臂式
硬刚臂与软刚臂有许多相似之处，也可随风浪、潮浪转动，但刚臂与船体之间为刚性连接，锚固单点与船体保持同步升降。这种系泊形式不太灵活，适合比较平静的海况，目前采用已不多见。
2.2.3 内转塔式
在船艏部位设内转塔筒体结构，在锥型筒体结构与船体之间，设置若干加强板。内转塔高度一般与船的型深相同，下部直径超过10 m。内转塔底部用多点锚链与海底固定。西江油田群服役的“开拓号”和惠州油田区服役的“发现号”就属于内转塔式浮式生产系统（如图3所示）。其中值得一提的是，“发现号”是我国第一艘巨型FPSO，它由国外设计和改造，采用了比较先进的可分离浸没式的内转塔，于1990年正式投入生产，长期以来一直服役于惠州油田群。这种设计可以让它，及时的脱离工作区域，躲避台风或转移工作海域。 3 结构布置
FPSO作为海上油田的长期储油装置，需要很大的储油空间，船型上与一般常规油船有所不同；它长期固定于定位海域，通常没有航行的必要，在结构上也有其自己的特点。
3.1 疲劳强度
FPSO长期固定在油田海域，在极其恶劣的海况下作业，不同于航行船舶，可能无法躲避风浪，甚至百年一遇的台风，也不能定期进坞保养，修理，长期处于交变载荷作用下，必然会出现疲劳损坏。因此，疲劳强度是FPSO设计中需要重点考虑的问题。若以一艘普通船舶服役20～25 a计算，其结构因为波浪引起的交变应力循环次数可达108次之多。通常船东要求FPSO的服役寿命约为40 a，远高于普通航行船舶25 a的寿命要求，故对疲劳强度要求远高于普通船舶。所以，在结构设计时，对于一些结构应力集中处，例如各焊缝焊趾，需做额外的加强，采取增加有软趾的肘板等措施，以使疲劳寿命得到改善，如图4所示。
3.2 船底和舷侧结构
根据国际防污染公约（MARPOL）有关要求，载重量为600载重吨及以上小于5 000载重吨的油船应设双层底，载重量在5 000载重吨以上的油船必须设置双壳。从防污染的角度，载重量大于5 000 t的FPSO船也基本都是双壳结构。但由于FPSO的主要功能是作为生产储油卸油装置固定在油田海域作业，不同于原油运输船，故不要求必须为双壳结构。目前最常见的深海型FPSO分舱一般为双舷侧、单底结构。艏艉端一般为单壳、横骨架式，中部货油舱区域为双舷、纵骨架式。但有时根据其所在作业海域的特点，如在浅水海域作业，为防止由于碰底而造成原油泄漏，要采用双舷侧、双层底结构。
3.3 模块支墩结构
FPSO的主甲板上部设置有生产甲板，生产甲板通常是模块化的。模块采用平台结构，且由支撑结构支撑平台。支撑结构与主甲板之间的连接结构，通常称作支墩，其结构形式主要有四种：
3.3.1 传统式刚架
FPSO传统的模块支撑结构通常采用工字梁剖面的普通刚架形式（如图5所示）。这种结构形式在风、浪、流和液货共同作用下，模块支撑根部有明显的高应力区，如图五，刚架与主甲板连接的A、B、C、D、E点会产生裂缝，且维修极其不方便。在海况较好的油田，如渤海湾几艘FPSO曾采用这种形式，现已较少采用这种形式的刚架支撑。
3.3.2 小支墩
底座由交叉的隔板和面板组成，斜支撑和垂向支撑的下端分别焊接于同一个小型底座的面板上。这种设计仍然为全固定的结构，所以在恶劣海况下仍未消除船舶总纵弯曲对模块支撑的影响，而造成模块支撑反力过大，因此这种形式仍适合较好的海况。但小支墩至少能在模块支撑和主甲板间起到隔离作用，便于维修和更换（如图6所示）。
3.3.3 壁式支墩
为减少船舶总纵弯曲对模块支撑的影响，FPSO采用如图7所示的壁式支墩结构。整个模块在纵向如单跨简支梁形式，板架的一端与船体主甲板固定；另一端采用活动连接，使得这一端在船舶产生总纵弯曲时，可沿船梁纵向滑动。在南海服役“胜利号”和“奋进号”等均采用了壁式支墩结构。自该两艘FPSO服役以来，已经受几次台风的考验，未产生任何异常现象，事实证明，这种壁式支墩适用于恶劣海况。
3.3.4 箱式小支墩
这种结构是壁式支墩的进一步改进，主要是把支墩制作成箱型结构形式。每个模块支撑有四只支墩，其中两只与支墩焊接，另外两只可沿船舶纵向滑动，并在可滑动的支墩面板上设置横向挡块，以限定位置。该结构形式除了继承壁式支墩的优点外，在相同恶劣的海况下，比壁式支墩结构形式更为节省材料，占用空间和甲板面积更小，有利于消防、管线的布置。“海洋石油111号”便采用了箱式支墩结构。
4 结 语
鉴于国内工业和生活发展对油气大量、持续的需求，同样会提高在未来海上油气开发中对大型和深水FPSO的需求力度。FPSO作为高技术、高附加值的船型的一个出色的代表，必然是以后我国船舶与海洋工程发展的一个重头戏。纵观世界，FPSO的新技术和新概念还在不断的涌现，例如近期出现的圆浮筒式的新型FPSO概念。这一领域还有很多地方值得去学习和开发。
参考文献：
[1] 赵耕贤.FPSO结构设计特点[J].船舶，2002，（1）.
[2] 杨永祥.船舶与海洋平台结构（重印版）[M].北京：国防工业出版社，2012.