FPSO單點系泊中滑環支撐框架結構設計

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

隨著我國海洋石油工業水平的提高，海洋油氣開發逐漸由淺海走向深海。FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生產儲油裝置）以其機動靈活性和本身具備油氣處理儲存能力的特點，越來越多地應用到深海油氣開發工程[1]。

FPSO通過滑環連接在單點結構上，形成單點系泊系統，從而使滑環起到軸承的作用，幫助FPSO圍繞單點360°回轉，以降低風浪流對FPSO的影響[2]（圖1）。滑環作為連接軸承，長期處于旋轉狀態，極易發生故障，需要定期進行拆裝保養。常見的滑環高約1.5 m、重約9 t，需要使用專門的支撐框架進行拆裝。

現有的滑環支撐框架一般為四邊形整體框架，尺寸較大，不利于運輸和海上吊裝，而且支撐框架為整體結構，滑環只能從支撐框架頂部的較小開口進出，容易造成滑環法蘭面磕碰，影響滑環的密封性能（圖2）。另外現有的滑環支撐框架在使用時只能將滑環放置于支撐框架的底座上，滑環底部的配件只能在滑環從支撐框架中吊出并安裝在單點結構上之后再進行二次裝配和滑環性能海上調試，導致海上工作量大、時間長、滑環性能調試風險較高。

因此，設計一種小巧靈活、能夠匹配不同尺寸的滑環、方便滑環進出且支持滑環提前裝配調試的支撐框架，將會對FPSO的滑環拆裝保養起到重要意義。

圖1 FPSO單點系泊系統

圖2 傳統滑環支撐框架

1 支撐框架結構設計

1.1 確定設計目標

首先支撐框架在攜帶滑環進行吊裝時，要滿足結構強度要求；其次支撐框架需要設計成活動式，方便滑環的進出，避免磕碰法蘭；再次支撐框架內設計滑環承托支架，使滑環及其底部配件能在支撐框架內完成裝配和調試，減小海上工作量；最后在滿足以上目標的情況下，優化支撐框架形狀，使尺寸盡量縮小，方便運輸和吊裝。

1.2 確定結構形式

支撐框架主要由十字底座、多邊形框架和滑環承托支架組成，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嵌式吊點組成（圖4）。多邊形框架為分體結構，一側是固定式，一側是活動式，固定側與活動側依靠合頁連接和螺栓連接，活動側的立柱下部是斷開形式，由螺栓進行連接。其中4根方鋼管立柱與2層多邊形水平框焊接連接，4個內嵌式吊點焊接在4根方鋼管立柱頂端的內側，用于支撐框架吊裝，還可用于滑環置于支撐框架內運輸時對滑環進行綁扎固定。

圖3 支撐框架整體結構

圖4 多邊形框架

滑環承托支架由4根斜向方鋼管和1個法蘭面焊接而成（圖5）。滑環承托支架4根斜向方鋼管底部通過螺栓與十字底座連接，可以根據不同尺寸的滑環預制相應尺寸的滑環承托支架。

2 支撐框架工作原理（圖6）

圖5 滑環承托支架

圖6 支撐框架工作原理

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

（2）松開多邊形框架活動側的所有螺栓，將多邊形框架活動側繞著合頁旋轉打開。

（3）將滑環放置于滑環承托支架的法蘭面上，并用螺栓將其固定，隨后利用滑環承托支架下面的空間安裝滑環底部配件和對滑環進行調試，使滑環性能達到要求。

（4）將多邊形框架活動側繞著合頁旋轉關閉，再將活動側的所有螺栓緊固。

（5）在內嵌式吊點上布置索具，將攜帶滑環的支撐框架吊裝至單點上。

（6）打開多邊形框架活動側，松開法蘭面上的螺栓，取出滑環，回收支撐框架。

圖7 支撐框架結構尺寸

3 支撐框架強度性能分析

以渤海某油田單點更換舊滑環為例，校核攜帶滑環的支撐框架吊裝強度。

3.1 建立仿真模型

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

利用SACS鋼結構分析軟件對支撐框架和吊裝索具進行建模（圖 8）。

對模型中的吊鉤點999上實施全約束的邊界條件，在模型中的滑環位置00上施加集中力-90 kN來模擬舊滑環的重量，對支撐框架自重添加1.05倍的不確定系數。由于此次分析的是開闊海域吊裝強度，因此校核與吊點相連的構件時需要添加2倍動荷載系數，校核其他構件時需添加1.35倍動荷載系數[3]。

圖8 3D模型

3.2 吊裝仿真結果

對基本工況進行組合（表1）。將組合好的工況輸入軟件，計算完成后進入后處理中查看結果。支撐框架強度結果如表2所示，支撐框架最大節點位移結果如表3所示。其中，支撐框架最大UC值為實際應力值與許用應力值之比。

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度

從表3可以看出，在考慮1.05倍不確定系數和2倍動荷載系數情況下，支撐框架最大UC值（實際應力值與許用應力值之比）為 0.30（＜1），最大節點位移為-0.051 2 cm（較小），滿足規范要求。仿真結果表明此種結構形式的滑環支撐框架能夠滿足吊裝強度要求。

表3 最大節點位移結果

4 總結

采用分體結構形式設計的多邊形活動支撐框架，不僅可使滑環快速裝卸，而且避免了滑環法蘭面的磕碰，同時支撐框架內設計可拆卸式滑環承托支架滿足滑環及其底部配件提前裝配調試，從而有效的提高海上施工效率。并運用鋼結構分析軟件SACS進行吊裝強度分析，仿真結果均符合要求，能滿足滑環在支撐框架內的吊裝要求。