杜子榮

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

石油是推動經(jīng)濟發(fā)展的血液，全球每天的消耗量高達8000萬桶。近10年來新發(fā)現(xiàn)的油氣田60%位于海上，預計未來全球油氣儲量40%都將集中于深海區(qū)域。隨著海洋油氣開發(fā)逐漸向深海、遠海發(fā)展，鋪設長距離油氣回輸管線的成本越來越高、風險也越來越大。FPSO(Floating Production Storage and Offloading)作為集生產(chǎn)、儲油、卸油為一體的海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置，解決了這一難題。

FPSO的船體和組塊是分開建造，然后集成到一起。早期FPSO設計時，很多模塊和船體是剛性連接，由連接點承受模塊傳下來的彎矩、壓力及剪力，連接節(jié)點結(jié)構(gòu)龐大，不利于應力釋放。巴國油P67項目，連接處采用球形支座(Spherical bearing)，釋放彎矩及剪切力，承受垂直壓力，水平方向用彈性橡膠塊模擬彈簧承壓，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)形式。

1 項目背景

巴國油某FPSO服役于巴西西桑托斯鹽下油田(Santos Pre-salt)，上部模塊重量2.5萬噸(18個模塊)，船體干重約5.2萬噸(長寬高307m×74m×31m)，日處理油量18萬桶，儲油量160萬桶，作業(yè)水深2000m，是業(yè)內(nèi)為數(shù)不多的深水FPSO。船體和上部模塊分為5個合同包，在巴西和中國建造，運輸?shù)角鄭u進行模塊完善、集成、調(diào)試等工作，最后拖航至作業(yè)海域，見圖1。

圖1 巴國油某FPSO

2 球形支座簡介

早期的FPSO，工藝模塊和船體之間采用剛性連接。連接處，需要承受模塊的重量、船體晃動產(chǎn)生的彎矩和剪力，受力及節(jié)點結(jié)構(gòu)形式復雜，不利于建造以及結(jié)構(gòu)疲勞強度，也不適應船體變形。之后，逐漸采用船寬方向模塊軸線立柱固定和其他立柱水平滑動的形式。該結(jié)構(gòu)形式可更好的適用船體變形，但模塊和船體的相對位移，會產(chǎn)生巨大的噪音。球形支座的使用，徹底解決了上述問題，得益于特殊的滑動材料，既可以水平方向適度移動，又可以圍繞球面輕微旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)形式簡單，免維護，無噪音。船體縱向變形不會傳遞到模塊，也就不會有力傳到船體。該設計模塊和船體受力情況界面清晰，結(jié)構(gòu)形式簡單，見圖2。

球形支座(spherical bearing)主要有以下6部分組成：①球面滑動復合材料(聚四氟乙烯)②球面板③水平滑動復合材料(聚四氟乙烯)④水平滑動板⑤上底座⑥下底座，見圖3。其中滑動復合材料，是球形支座的核心內(nèi)容。在整船的25年設計壽命中，累積滑動距離不小于30公里。該結(jié)構(gòu)允許旋轉(zhuǎn)為±0.02，水平方向允許位移分別為±40mm和±100mm。

球形支座的位移由下底座與平面滑動材料之間的滑動來實現(xiàn)，通過在下底座設置導向槽或?qū)颦h(huán)來約束支座的單向或者多向位移，可以制成球形底座的單向活動支座和固定支座。

球形支座通過球型板與球面滑動材料之間的滑動來滿足支座轉(zhuǎn)角的需要。通常由于支座的轉(zhuǎn)動中心與上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心不重合，因此在下底座與平面滑動材料之間形成第二次滑動面。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)與支座轉(zhuǎn)動中心的相對位置，球面轉(zhuǎn)動方向可以與平面滑動方向一致或相反。如果兩個轉(zhuǎn)動中心重合，則在平面上就不發(fā)生滑動。

圖2 模塊立柱固定簡化圖

球形支座轉(zhuǎn)動力矩的大小與球面和平面摩擦阻力有關，其靜力平衡關系要從球面轉(zhuǎn)動中心來分析平衡條件。球形支座轉(zhuǎn)動時偏心距與支座的摩擦系數(shù)μ和球面直徑R有關。德國的試壓表面，實測支座轉(zhuǎn)動偏心距e=μ*R，該值小于靜力分析的理論值，只是因為支座轉(zhuǎn)動時并非在球面和平面兩個滑動面上同時出現(xiàn)靜摩擦，支座的轉(zhuǎn)動首先發(fā)生在球面滑動材料處，然后才是平面滑動材料處。

圖3 球形支座剖視圖

3 球形支座安裝要點

3.1 卸貨、運輸及存儲

支座為精密制造部件，支座在安裝過程中須加強保護，才能確保安裝后正常工作。支座的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)已在供貨商場地完成平行組裝并用固定裝置進行固定以便運輸。支座安裝之前，各部件位置保持不動。在支座與頂部和底部結(jié)構(gòu)物完成安裝之前，固定裝置的螺栓不允許存在松動。

3.2 球形支座的定位

每個支座都有單獨的工況計算，必須放置在指定位置。支座在水平X、Y方向的可移動位置不同，必須嚴格按照圖紙進行布置。在支座的頂部和側(cè)面均有位置定位的指示標簽，標注有支座型號、最大載荷、圖紙編號、支座訂單號、支座水平位移范圍、船體肋位號、支座方向等信息，見圖4。

圖4 指示標簽

3.3 船體支墩跨距及水平測量

因船體本身建造誤差，以及下水后浮力和壓載導致的變形，需要核實單個工藝模塊范圍內(nèi)的船體支墩跨距及水平度。船體支墩跨距和模塊立柱跨距，需要均分誤差，以保證力的有效傳遞；支墩水平度，需要使用機加工墊板找平，防止模塊吊裝就位后瞬間產(chǎn)生預旋轉(zhuǎn)，影響球形支座性能。水平標高找平用上機加工板，和球形支座直接接觸的一面，水平度不超過0.2mm；下機加工板需要根據(jù)立柱底板和支墩頂板的焊接變形情況，進行三維方向的機加工，以保證良好的接觸，船體支墩找平示意圖見圖5。

圖5 船體支墩找平示意圖

3.4 球形支座焊接及涂層修復

球形支座理論上僅承受垂直重力，可自由旋轉(zhuǎn)。上下接觸表面的焊接固定，僅出于防腐密封的考慮，焊腳4mm。對于焊接造成的涂層破壞，需要根據(jù)廠家要求進行修復。焊接作業(yè)時，進行低熱量輸入，不高于80℃，防止溫度過高對滑動材料造成不可逆損傷，焊接質(zhì)量要求達到DIN EN ISO 5817等級B。同時需要對滑動材料區(qū)域進行遮蔽，防止灰塵、焊渣等滲入，影響滑動性能。

3.5 球面支座臨時固定拆除

當支座與上部和底部結(jié)構(gòu)物焊接完成之后，運輸固定用的M12的螺栓、螺母及墊片可以除去。此時支座可以旋轉(zhuǎn)，代表支座進入工作狀態(tài)。

3.6 水平限位橡膠塊安裝

球面軸承本身僅能夠承受有限的水平力。整個上部模塊在因風、浪產(chǎn)生的水平力，由立柱限位塊進行承擔。立柱和限位塊之間有緩沖作用橡膠塊，擠壓剛度約100t/mm。根據(jù)生產(chǎn)廠家的不同，橡膠塊有不同的預擠壓要求。推薦橡膠塊的預擠壓量為最大工況的1/2, 球形支座和橡膠塊安裝后的情況見圖6。

4 設計信息

采用球形支座，模塊和船體間反力界面清晰明了，相互影響小，反力值準確。某FPSO上部模塊球形底座布置圖見圖7。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析報告，表1給出了模塊最大和最小支反力。球形底座 Type 1 適用于 M01, M02, M03, M04, M05, M06, M07, M08, M09, M10, M11, M13, M14, M15 和 M16模塊，球形底座 Type 2 適用于 M12模塊。

圖6 球形支座和橡膠塊安裝后的情況

表1(續(xù))

5 球形支座方案優(yōu)劣

優(yōu)點：

a.球形支座可在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(視球形支座的種類，有的可以自由滑動)，模塊立柱底部與船體支墩可視為鉸接連接(存在轉(zhuǎn)動力矩，轉(zhuǎn)動力矩只與支座球面半徑及滑動材料的摩擦系數(shù)有關，摩擦系數(shù)較小時和忽略)，設計轉(zhuǎn)角可達0.05rad以上，能有效減少船體變形對模塊設備、管線的影響。

b.船體支墩，由于彎矩傳遞可近似忽略，船體支墩的加強結(jié)構(gòu)形式相對簡單、經(jīng)濟，可允許一定的建造誤差。

c.與固接相比，模塊和船體間反力界面清晰明了，傳力均勻，僅存有Z向約束和水平約束，反力值準確?？沙惺軌毫?、拉拔力、剪力，可釋放任意方向彎矩。

d.支座動、靜剛度大，船體運動變形時，模塊腿底部沒有摩擦噪音。

e.相對于盆式底座，不再用橡膠承壓，不存在橡膠老化對支座轉(zhuǎn)動性能的影響特別是低溫地區(qū)。

缺點：

a.受專利保護，采買價格貴，周期長。

b.安裝精度要求苛刻，需要上下接觸面水平，平面度不大于0.2mm。由于船體支墩和模塊底座，收焊接變形的影響，無法達到球形支座的安裝要求。模塊集成之前，需要對上下接觸面進行額外機加工。

c.球形支座的周圍要額外增加相應的彈性橡膠限位結(jié)構(gòu)，吸收和限制模塊的水平運動。

d.安裝條件要求苛刻。船體時刻在運動，引起的船體變形，理論上無法做到精確測量。模塊集成期間，模塊吊裝傾斜可能引起某個球形支座瞬間受力過大造成損傷。最終的安裝精度會受制于業(yè)主和第三方的檢驗。

e. 彈性橡膠塊預緊困難。