孟凡然 ，李 明

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司,天津 300452)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是海上油田石油集輸?shù)闹匾O(shè)施，其用途為：通過(guò)單點(diǎn)導(dǎo)管架和軟鋼臂等結(jié)構(gòu)件固定海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)，同時(shí)接收周邊平臺(tái)生產(chǎn)、通過(guò)海底管道匯過(guò)來(lái)的原油和天然氣，再通過(guò)單點(diǎn)系泊頭上的跨接軟管將原油輸送到FPSO上進(jìn)行處理并外輸。

渤海某FPSO由于接近設(shè)計(jì)最大使用年限，需進(jìn)行拆除解脫。整個(gè)拆除過(guò)程中,軟鋼臂的拆除吊裝是吊裝質(zhì)量最大、施工復(fù)雜性最高的工作。軟鋼臂的吊裝拆除需要使用浮吊，同時(shí)需要使用SACS工程軟件對(duì)吊裝過(guò)程的桿件應(yīng)力進(jìn)行校核。

1 項(xiàng)目概述

1)系統(tǒng)介紹。FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意圖如圖1所示，本次拆除解脫的FPSO通過(guò)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)與單點(diǎn)導(dǎo)管架固定連接。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為塔架軟鋼臂系統(tǒng)，由單點(diǎn)導(dǎo)管架、軟鋼臂、系泊支架和系泊頭等組成。單點(diǎn)導(dǎo)管架為四腿導(dǎo)管架，導(dǎo)管架的上部中心有一直徑2.5 m的將軍柱。軟鋼臂系統(tǒng)由與系泊支架相連的2條系泊腿、剛性臂結(jié)構(gòu)、系泊腿上下的萬(wàn)向鉸接頭以及壓載艙組成。系泊頭由轉(zhuǎn)盤、滑環(huán)系統(tǒng)、軟管托架、配管系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等組成。

軟鋼臂是管狀三角形框架，其鼻錐部位與單點(diǎn)系泊頭轉(zhuǎn)盤上的U型鉤槽固定，并灌注環(huán)氧樹脂，連接部分為可橫搖和縱搖的絞接頭，在框架兩側(cè)構(gòu)件端部是2個(gè)壓載水艙。壓載艙直徑為4 260 mm，長(zhǎng)12 m，共有2個(gè)，每個(gè)艙內(nèi)灌注壓載液約173 t(147 m3)，壓載液密度為1.19 t/m3，壓載液中氯化鈣與水的質(zhì)量之比大約為 0.42∶1。軟鋼臂基本尺寸為35 000 × 30 000 × 5 260，質(zhì)量181.2 t, 吊點(diǎn)水平間距為 24 000～27 000 mm。

FPSO解脫前需先將軟鋼臂內(nèi)部的壓載液排空，解脫后軟鋼臂壓載艙部分浮在水中，軟鋼臂鼻錐的鉸接頭仍連在系泊頭轉(zhuǎn)盤凹槽上。拆除過(guò)程中，計(jì)劃使用浮吊，利用鋼絲繩分別與壓載艙上的2個(gè)吊點(diǎn)與鼻錐上的1個(gè)吊點(diǎn)相連，先將軟鋼臂壓載艙吊起至水平狀態(tài)后，再借助千斤頂緩慢將軟鋼臂鼻錐和系泊頭轉(zhuǎn)盤凹槽分離，最后浮吊起吊整個(gè)軟鋼臂，將軟鋼臂從單點(diǎn)上拆除。

圖1 FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意圖

2)作業(yè)船舶及吊裝索具。本次軟鋼臂吊裝拆除的主作業(yè)船為“大力”浮吊，采用雙主鉤吊裝，雙主鉤之間的間距為4.5 m，在40 m跨距時(shí)，雙主鉤的吊裝能力為400 t，吊高距海平面約50 m，副鉤最大吊裝質(zhì)量為200 t，軟鋼臂運(yùn)輸駁船為7 000 t自航駁。基于軟鋼臂約182 t的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和“大力”主作業(yè)船雙主鉤的吊裝方式，軟鋼臂吊裝索具規(guī)格見表1。

表1 軟鋼臂吊裝索具規(guī)格

2 SACS建模

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，軟鋼臂是管狀三角形框架，與單點(diǎn)連接部分為可橫搖和縱搖的絞接頭，在框架兩側(cè)構(gòu)件端部是2個(gè)壓載水艙。軟鋼臂結(jié)構(gòu)的計(jì)算建模是一個(gè)三維框架結(jié)構(gòu)，3根鋼絲繩將結(jié)構(gòu)與吊鉤相連，設(shè)置2個(gè)彈簧單元，剛度為20 kN/m。軟鋼臂采用管單元及錐單元進(jìn)行模擬，重量采用等效密度的方法實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)原點(diǎn)設(shè)置在軟鋼臂剛性臂中心線交點(diǎn)上，軟鋼臂原點(diǎn)示意圖見圖2。

圖2 軟鋼臂原點(diǎn)示意圖

吊點(diǎn)使用原有壓載艙上2個(gè)吊點(diǎn)及鼻錐上的1個(gè)吊點(diǎn)，共計(jì)3個(gè)吊點(diǎn)，吊裝時(shí)雙主鉤通過(guò)鋼絲繩與吊點(diǎn)相連，雙主鉤位于重心上方，根據(jù)已確定的鋼絲繩長(zhǎng)度，確保所有工況中鋼絲繩與水平面的夾角大于60°，通過(guò)SACS軟件建模，軟鋼臂吊裝模型示意圖見圖3，其中數(shù)字為桿件編號(hào)。

圖3 軟鋼臂吊裝模型示意圖

3 計(jì)算及校核

1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。本次應(yīng)力計(jì)算參考API RP 2A-WSD《Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)。根據(jù)該《標(biāo)準(zhǔn)》的描述：對(duì)于在開敞暴露海域(即海上)進(jìn)行的吊裝，在設(shè)計(jì)吊點(diǎn)和形成與吊點(diǎn)相連的節(jié)點(diǎn)并將吊裝力傳遞到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的其它內(nèi)部構(gòu)件時(shí)，應(yīng)使用最小為2.0的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)計(jì)算靜載荷。對(duì)于所有其他的傳遞吊裝力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)使用最小為1.35的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)計(jì)算工況。假定軟鋼臂吊裝拆除前，其內(nèi)部的壓載液已全部排盡。本次計(jì)算僅考慮軟鋼臂結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量和軟鋼臂走道的質(zhì)量，以及10%的質(zhì)量不確定系數(shù)和鎖具質(zhì)量(約占軟鋼臂總質(zhì)量的6%)，動(dòng)態(tài)放大系數(shù)分別為1.35和2.00，本次吊裝校核所涉及的工況見表2。

表2 校核所涉及的工況

3)鋼絲繩應(yīng)力校核。鋼絲繩應(yīng)力SACS模型計(jì)算結(jié)果見表3，鋼絲繩應(yīng)力安全系數(shù)校核結(jié)果見表4。由表3及表4可知，考慮軟鋼臂質(zhì)量冗余系數(shù)為16%時(shí)，鋼絲繩在1.35倍動(dòng)態(tài)放大系數(shù)下的應(yīng)力安全系數(shù)大于2.5，在2.00倍動(dòng)態(tài)放大系數(shù)下的應(yīng)力安全系數(shù)大于1.7，滿足吊裝安全要求。

表3 鋼絲繩應(yīng)力SACS模型計(jì)算結(jié)果

表4 鋼絲繩應(yīng)力安全系數(shù)校核結(jié)果

4)桿件應(yīng)力校核。通過(guò)軟件模型計(jì)算，按照桿件是否與吊耳直接相連進(jìn)行區(qū)分，分別采用2.00和1.35倍的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)。與吊耳直接相連的桿件UC值計(jì)算見表5，不與吊耳直接相連的桿件UC值計(jì)算見表6。

從模型計(jì)算結(jié)果可知，軟鋼臂結(jié)構(gòu)桿件的最大UC值為0.68，小于1.0，滿足《標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

5)吊裝建議。通過(guò)SACS建模計(jì)算和安全系數(shù)校核，在確保了本次軟鋼臂拆除吊裝中使用的所有索具及桿件的吊裝強(qiáng)度滿足要求的同時(shí)，也對(duì)吊裝過(guò)程提出了補(bǔ)充性建議。①在實(shí)際吊裝準(zhǔn)備過(guò)程中，需確保鋼絲繩與水平面的夾角大于60°；②計(jì)算過(guò)程中并未考慮風(fēng)浪流對(duì)吊裝的影響，應(yīng)結(jié)合作業(yè)船舶能力，選擇合適的海況進(jìn)行作業(yè)，確保吊裝過(guò)程中扒桿晃動(dòng)小于5°。

通過(guò)對(duì)渤海某FPSO單點(diǎn)系泊軟鋼臂拆除吊裝過(guò)程進(jìn)行SACS建模和桿件應(yīng)力校核計(jì)算，校核過(guò)程遵循《標(biāo)準(zhǔn)》，校核鋼絲繩的受力以及與吊點(diǎn)相連桿件在2.0倍動(dòng)態(tài)放大系數(shù)、其余桿件在1.35倍動(dòng)態(tài)放大系數(shù)下桿件的應(yīng)力UC值，確認(rèn)了吊裝過(guò)程中各部件的應(yīng)力及強(qiáng)度滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。該方案不僅能夠滿足海上吊裝作業(yè)的要求，還可為類似的海上結(jié)構(gòu)件吊裝拆除作業(yè)提供參考。

表5 與吊耳直接相連的桿件UC值計(jì)算

表6 不與吊耳直接相連的桿件UC值計(jì)算