徐業(yè)峻，張寶雷，王棟，汪建平，劉中柏

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油深圳分公司，廣東 深圳 518052)

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸貨裝置(FPSO)集生產(chǎn)處理、存儲(chǔ)外輸及生活、動(dòng)力供應(yīng)于一體，是目前海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是FPSO關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其主要作用是將FPSO具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，在各種風(fēng)浪流作用下使FPSO受力最小。南海FPSO轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊是由挪威APL公司設(shè)計(jì)的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式STP系泊系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)，其直接功能是系泊浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船，使儲(chǔ)油船以單點(diǎn)為軸隨風(fēng)、水流而轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)工作場(chǎng)景

液壓卡鉗作用是將浮筒與船體固定連接在一起，卡鉗后部受壓，卡頭對(duì)浮筒產(chǎn)生向上力，見(jiàn)圖2。通過(guò)單點(diǎn)鎖緊裝置施加預(yù)緊力，使浮筒與船體連接處產(chǎn)生足夠大的靜摩擦力，讓浮筒與船體一起隨風(fēng)浪流合力繞轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，因此浮筒鎖緊裝置基座是重要受力構(gòu)件，尤其后基座焊縫，是重要受力部位。在FPSO例行檢查中發(fā)現(xiàn)液壓大鉗的焊縫存在不同數(shù)量的橫向和縱向裂紋，為此，分析裂紋形態(tài)，建立力學(xué)模型，從強(qiáng)度及疲勞方面進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析結(jié)算結(jié)果，判斷分析裂紋產(chǎn)生原因。

圖2 FPSO液壓卡鉗工作現(xiàn)場(chǎng)

1 裂紋強(qiáng)度及疲勞分析

對(duì)某FPSO油船船艏單點(diǎn)浮筒鎖緊裝置(液壓大鉗)的焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)液壓大鉗的前、后基座外側(cè)的焊縫以及前、后基座在單點(diǎn)空艙內(nèi)反底焊縫存在裂紋現(xiàn)象，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單點(diǎn)卡鉗基座裂紋檢測(cè)結(jié)果

卡鉗機(jī)械鎖緊處前后基座均出現(xiàn)裂紋，且在后基座不同焊縫位置出現(xiàn)了多處裂紋。根據(jù)受力分析，單點(diǎn)服役過(guò)程中，后基座承受了絕大部分的垂向載荷，因此在大基座出現(xiàn)裂紋的概率遠(yuǎn)比前基座大很多。無(wú)損探傷發(fā)現(xiàn)與力學(xué)分析預(yù)判吻合。根據(jù)裂紋形態(tài)，存在規(guī)則裂紋及不規(guī)則裂紋，見(jiàn)圖3、4。

圖3 橫向裂紋

分析裂紋表象，縱向裂紋可能由于受力過(guò)大產(chǎn)生。圖3中，裂紋與焊道方向的垂直，典型是焊接冷卻收縮引起的。圖4 中，裂紋呈鐮刀狀，方向不規(guī)則，不是疲勞引起的裂紋類(lèi)型。

圖4 縱向裂紋

2 鎖緊裝置基座力學(xué)分析

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的液壓大鉗作為單點(diǎn)載荷傳遞到船體上的關(guān)鍵部位，受力復(fù)雜，不僅需考慮系泊垂直載荷和水平載荷，還要考慮扭轉(zhuǎn)載荷。

2.1 計(jì)算分析

1)強(qiáng)度。先計(jì)算液壓卡鉗基座支反力，再利用該支反力進(jìn)行焊縫局部應(yīng)力分析，分析液壓卡鉗基座及焊縫局部服役狀態(tài)，考察相關(guān)設(shè)計(jì)冗余度，為后續(xù)系統(tǒng)安全分析提供支撐。單點(diǎn)液壓卡鉗受力示意見(jiàn)圖5。

圖5 單點(diǎn)液壓卡鉗受力示意

單點(diǎn)承受的垂向載荷為：轉(zhuǎn)臺(tái)所受的百年一遇風(fēng)、浪、流極端工況下疊加最大垂向系泊載荷+浮筒和轉(zhuǎn)臺(tái)自重載荷+軟管和電纜動(dòng)態(tài)載荷+滑環(huán)自重載荷。計(jì)算得出單個(gè)單點(diǎn)液壓大鉗的垂向載荷3 760 kN。鎖緊裝置同時(shí)還需承受預(yù)緊力的反力，由于液壓預(yù)緊力載荷會(huì)由于所受垂向載荷而產(chǎn)生一定程度的折減，計(jì)算中需要考慮預(yù)緊力受垂向載荷后的折減系數(shù)。

式中：為總的垂向載荷(包括浮筒和滑環(huán)的慣性載荷)，31 895 kN；為預(yù)緊力2 000 kN；為卡鉗基座裝置的剛度，1 361 kN/mm；為STP浮筒剛度,9 333 kN/mm；為鎖緊裝置數(shù)量。 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，基座在受極限垂向載荷和液壓預(yù)緊載荷下產(chǎn)生了約5 198 kN的支反力。

關(guān)于基座焊縫應(yīng)力計(jì)算，通過(guò)查閱和分析原始設(shè)計(jì)文件，發(fā)現(xiàn)APL設(shè)計(jì)該系列連接焊縫的初衷?xún)H為固定單點(diǎn)鎖緊裝置基座，因此，該系列焊縫設(shè)均為非承載焊縫。

出于保守考慮，假設(shè)基座和甲板之間有間隙，則浮筒和船體之間的垂向載荷全部通過(guò)基座焊縫傳遞，計(jì)算過(guò)程中考慮基座焊縫承受所有的垂向載荷。

則基座所承受的垂向載荷和預(yù)緊力之和為=5 198 kN。

計(jì)算分析得到應(yīng)力數(shù)值為195.72 MPa，APL的基座應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為 199.64 MPa?？梢?jiàn)：與APL計(jì)算結(jié)果相吻合。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在假設(shè)基座與甲板有間隙的條件下，基座焊縫在受到極限垂向載荷和液壓預(yù)緊載荷共同作用下的強(qiáng)度校核結(jié)果滿(mǎn)足使用要求。

2)疲勞。對(duì)基座進(jìn)行實(shí)體單元建模，見(jiàn)圖6。

圖6 基座有限元模型

輸入相關(guān)載荷及定義邊界，有限元計(jì)算分析表明，焊縫局部應(yīng)力最大為 112 MPa，由于有限元計(jì)算時(shí)認(rèn)為載荷通過(guò)基座本身而非焊縫傳遞，因此計(jì)算結(jié)果要小于公式計(jì)算值195 MPa，可見(jiàn)，分析結(jié)果數(shù)值小于焊縫的屈曲應(yīng)力。

2.2 單點(diǎn)APL設(shè)計(jì)方計(jì)算分析

為了確保FPSO單點(diǎn)安全，邀請(qǐng)ALP公司對(duì)液壓大鉗的焊縫進(jìn)行獨(dú)立核算。APL公司采用 API 2SK 中的低頻譜和波頻譜結(jié)合法進(jìn)行疲勞累積損傷的計(jì)算，應(yīng)力幅值循環(huán)次數(shù)的計(jì)算過(guò)程符合規(guī)范要求。根據(jù)APL的計(jì)算，其基座焊縫疲勞壽命為11 470年，計(jì)算結(jié)果符合最初的設(shè)計(jì)要求。

該單點(diǎn)在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)考慮了一定的冗余度，即在考慮單個(gè)液壓大鉗失效的偶然工況情況下，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)仍能滿(mǎn)足極限載荷條件(百年一遇風(fēng)、浪、流的環(huán)境工況)下的在位服役需求。因此，從設(shè)計(jì)角度來(lái)講，即使單個(gè)液壓大鉗失效，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)仍能安全服役，滿(mǎn)足FPSO安全在位生產(chǎn)。

為考察裂紋對(duì)焊縫承載力的影響，通過(guò)對(duì)焊縫有效厚度進(jìn)行折減的方法分析焊縫剩余承載力，前基座載荷分解力(見(jiàn)圖7)，該方法可計(jì)算得到焊縫處許用裂紋深度。

圖7 單點(diǎn)液壓大鉗前基座作用力分解

計(jì)算結(jié)果表明，在極限裂紋深度為6.1 mm的條件下，基座焊縫在受到極限垂向載荷和液壓預(yù)緊載荷共同作用下的已經(jīng)達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度(355 MPa)。若裂紋深度超過(guò)6.1 mm，則焊縫強(qiáng)度失效。

無(wú)損檢測(cè)報(bào)告未表明裂紋長(zhǎng)度為6～7 mm，依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，該裂紋長(zhǎng)度一般較裂紋深度要大得多，因此裂紋深度應(yīng)小于6 mm，短期內(nèi)裂紋擴(kuò)展至斷裂的可能性很低，從而判斷FPSO液壓大鉗裂紋處于安全狀態(tài)。

3 結(jié)論

FPSO單點(diǎn)鎖緊器基座的初步力學(xué)分析表明，焊縫處應(yīng)力低于材料的許用強(qiáng)度。同時(shí)，設(shè)計(jì)方APL對(duì)焊縫的疲勞分析也表明在卡鉗鎖緊裝置的裝配精度和基座焊接工藝都符合要求，基座焊縫疲勞壽命符合服役要求。 為了保障FPSO安全，雖通過(guò)分析表明，單點(diǎn)在短期內(nèi)不會(huì)由于鎖緊器基座焊縫裂紋失效而發(fā)生重大風(fēng)險(xiǎn)故障。但經(jīng)統(tǒng)計(jì)，南海每年會(huì)有6～7個(gè)臺(tái)風(fēng)，如果海況條件超出現(xiàn)有承載力，就會(huì)出現(xiàn)重大風(fēng)險(xiǎn)，建議立即著手啟動(dòng)維修。

單點(diǎn)液壓卡鉗基座焊縫受力復(fù)雜，不僅考慮垂向系泊載荷對(duì)焊縫的影響，還受到FPSO水平動(dòng)態(tài)力作用，以致焊縫受到動(dòng)態(tài)拉彎載荷。還要考慮焊縫受到的扭轉(zhuǎn)載荷。建議現(xiàn)場(chǎng)布置應(yīng)變片以進(jìn)行1年左右實(shí)測(cè)焊縫應(yīng)力，將實(shí)測(cè)值帶入模型進(jìn)行分析，進(jìn)一步提升計(jì)算分析準(zhǔn)確性。