黃海龍，姜宇飛，廖立斌，李蘭杰，郭永婕，沈 健，崔 敬

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著我國(guó)海洋石油工業(yè)水平的提高，海洋油氣開(kāi)發(fā)逐漸由淺海走向深海。FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置）以其機(jī)動(dòng)靈活性和本身具備油氣處理儲(chǔ)存能力的特點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用到深海油氣開(kāi)發(fā)工程[1]。

FPSO通過(guò)滑環(huán)連接在單點(diǎn)結(jié)構(gòu)上，形成單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，從而使滑環(huán)起到軸承的作用，幫助FPSO圍繞單點(diǎn)360°回轉(zhuǎn)，以降低風(fēng)浪流對(duì)FPSO的影響[2]（圖1）?；h(huán)作為連接軸承，長(zhǎng)期處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，極易發(fā)生故障，需要定期進(jìn)行拆裝保養(yǎng)。常見(jiàn)的滑環(huán)高約1.5 m、重約9 t，需要使用專門(mén)的支撐框架進(jìn)行拆裝。

現(xiàn)有的滑環(huán)支撐框架一般為四邊形整體框架，尺寸較大，不利于運(yùn)輸和海上吊裝，而且支撐框架為整體結(jié)構(gòu)，滑環(huán)只能從支撐框架頂部的較小開(kāi)口進(jìn)出，容易造成滑環(huán)法蘭面磕碰，影響滑環(huán)的密封性能（圖2）。另外現(xiàn)有的滑環(huán)支撐框架在使用時(shí)只能將滑環(huán)放置于支撐框架的底座上，滑環(huán)底部的配件只能在滑環(huán)從支撐框架中吊出并安裝在單點(diǎn)結(jié)構(gòu)上之后再進(jìn)行二次裝配和滑環(huán)性能海上調(diào)試，導(dǎo)致海上工作量大、時(shí)間長(zhǎng)、滑環(huán)性能調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)較高。

因此，設(shè)計(jì)一種小巧靈活、能夠匹配不同尺寸的滑環(huán)、方便滑環(huán)進(jìn)出且支持滑環(huán)提前裝配調(diào)試的支撐框架，將會(huì)對(duì)FPSO的滑環(huán)拆裝保養(yǎng)起到重要意義。

圖1 FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

圖2 傳統(tǒng)滑環(huán)支撐框架

1 支撐框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)

首先支撐框架在攜帶滑環(huán)進(jìn)行吊裝時(shí)，要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；其次支撐框架需要設(shè)計(jì)成活動(dòng)式，方便滑環(huán)的進(jìn)出，避免磕碰法蘭；再次支撐框架內(nèi)設(shè)計(jì)滑環(huán)承托支架，使滑環(huán)及其底部配件能在支撐框架內(nèi)完成裝配和調(diào)試，減小海上工作量；最后在滿足以上目標(biāo)的情況下，優(yōu)化支撐框架形狀，使尺寸盡量縮小，方便運(yùn)輸和吊裝。

1.2 確定結(jié)構(gòu)形式

支撐框架主要由十字底座、多邊形框架和滑環(huán)承托支架組成，十字底座為2根H形鋼焊接而成（圖 3）。

多邊形框架由4根方鋼管立柱、2層多邊形水平框和內(nèi)嵌式吊點(diǎn)組成（圖4）。多邊形框架為分體結(jié)構(gòu)，一側(cè)是固定式，一側(cè)是活動(dòng)式，固定側(cè)與活動(dòng)側(cè)依靠合頁(yè)連接和螺栓連接，活動(dòng)側(cè)的立柱下部是斷開(kāi)形式，由螺栓進(jìn)行連接。其中4根方鋼管立柱與2層多邊形水平框焊接連接，4個(gè)內(nèi)嵌式吊點(diǎn)焊接在4根方鋼管立柱頂端的內(nèi)側(cè)，用于支撐框架吊裝，還可用于滑環(huán)置于支撐框架內(nèi)運(yùn)輸時(shí)對(duì)滑環(huán)進(jìn)行綁扎固定。

圖3 支撐框架整體結(jié)構(gòu)

圖4 多邊形框架

滑環(huán)承托支架由4根斜向方鋼管和1個(gè)法蘭面焊接而成（圖5）。滑環(huán)承托支架4根斜向方鋼管底部通過(guò)螺栓與十字底座連接，可以根據(jù)不同尺寸的滑環(huán)預(yù)制相應(yīng)尺寸的滑環(huán)承托支架。

2 支撐框架工作原理（圖6）

圖5 滑環(huán)承托支架

圖6 支撐框架工作原理

（1）預(yù)制與滑環(huán)尺寸相配套的滑環(huán)承托支架，將滑環(huán)承托支架用螺栓連接在支撐框架十字底座上。

（2）松開(kāi)多邊形框架活動(dòng)側(cè)的所有螺栓，將多邊形框架活動(dòng)側(cè)繞著合頁(yè)旋轉(zhuǎn)打開(kāi)。

（3）將滑環(huán)放置于滑環(huán)承托支架的法蘭面上，并用螺栓將其固定，隨后利用滑環(huán)承托支架下面的空間安裝滑環(huán)底部配件和對(duì)滑環(huán)進(jìn)行調(diào)試，使滑環(huán)性能達(dá)到要求。

（4）將多邊形框架活動(dòng)側(cè)繞著合頁(yè)旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，再將活動(dòng)側(cè)的所有螺栓緊固。

（5）在內(nèi)嵌式吊點(diǎn)上布置索具，將攜帶滑環(huán)的支撐框架吊裝至單點(diǎn)上。

（6）打開(kāi)多邊形框架活動(dòng)側(cè)，松開(kāi)法蘭面上的螺栓，取出滑環(huán)，回收支撐框架。

圖7 支撐框架結(jié)構(gòu)尺寸

3 支撐框架強(qiáng)度性能分析

以渤海某油田單點(diǎn)更換舊滑環(huán)為例，校核攜帶滑環(huán)的支撐框架吊裝強(qiáng)度。

3.1 建立仿真模型

支撐框架高度2.8 m，寬度2.436 m，需要攜帶的舊滑環(huán)重約9.18 t（圖7）。

利用SACS鋼結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)支撐框架和吊裝索具進(jìn)行建模（圖 8）。

對(duì)模型中的吊鉤點(diǎn)999上實(shí)施全約束的邊界條件，在模型中的滑環(huán)位置00上施加集中力-90 kN來(lái)模擬舊滑環(huán)的重量，對(duì)支撐框架自重添加1.05倍的不確定系數(shù)。由于此次分析的是開(kāi)闊海域吊裝強(qiáng)度，因此校核與吊點(diǎn)相連的構(gòu)件時(shí)需要添加2倍動(dòng)荷載系數(shù)，校核其他構(gòu)件時(shí)需添加1.35倍動(dòng)荷載系數(shù)[3]。

圖8 3D模型

3.2 吊裝仿真結(jié)果

對(duì)基本工況進(jìn)行組合（表1）。將組合好的工況輸入軟件，計(jì)算完成后進(jìn)入后處理中查看結(jié)果。支撐框架強(qiáng)度結(jié)果如表2所示，支撐框架最大節(jié)點(diǎn)位移結(jié)果如表3所示。其中，支撐框架最大UC值為實(shí)際應(yīng)力值與許用應(yīng)力值之比。

表1 工況組合及受力分析

表2 組合荷載COM1條件下的支撐框架強(qiáng)度

從表3可以看出，在考慮1.05倍不確定系數(shù)和2倍動(dòng)荷載系數(shù)情況下，支撐框架最大UC值（實(shí)際應(yīng)力值與許用應(yīng)力值之比）為 0.30（＜1），最大節(jié)點(diǎn)位移為-0.051 2 cm（較?。?，滿足規(guī)范要求。仿真結(jié)果表明此種結(jié)構(gòu)形式的滑環(huán)支撐框架能夠滿足吊裝強(qiáng)度要求。

表3 最大節(jié)點(diǎn)位移結(jié)果

4 總結(jié)

采用分體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的多邊形活動(dòng)支撐框架，不僅可使滑環(huán)快速裝卸，而且避免了滑環(huán)法蘭面的磕碰，同時(shí)支撐框架內(nèi)設(shè)計(jì)可拆卸式滑環(huán)承托支架滿足滑環(huán)及其底部配件提前裝配調(diào)試，從而有效的提高海上施工效率。并運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)分析軟件SACS進(jìn)行吊裝強(qiáng)度分析，仿真結(jié)果均符合要求，能滿足滑環(huán)在支撐框架內(nèi)的吊裝要求。