球形支座在深水FPSO集成過程中的應用

杜子榮

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

石油是推動經濟發展的血液，全球每天的消耗量高達8000萬桶。近10年來新發現的油氣田60%位于海上，預計未來全球油氣儲量40%都將集中于深海區域。隨著海洋油氣開發逐漸向深海、遠海發展，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、儲油、卸油為一體的海上浮式生產儲卸油裝置，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，連接節點結構龐大，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，優化了結構形式。

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，作業水深2000m，是業內為數不多的深水FPSO。船體和上部模塊分為5個合同包，在巴西和中國建造，運輸到青島進行模塊完善、集成、調試等工作，最后拖航至作業海域，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、船體晃動產生的彎矩和剪力，受力及節點結構形式復雜，不利于建造以及結構疲勞強度，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。該結構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，結構形式簡單，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，結構形式簡單，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。該結構允許旋轉為±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，通過在下底座設置導向槽或導向環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角的需要。通常由于支座的轉動中心與上部結構的轉動中心不重合，因此在下底座與平面滑動材料之間形成第二次滑動面。根據上部結構與支座轉動中心的相對位置，球面轉動方向可以與平面滑動方向一致或相反。如果兩個轉動中心重合，則在平面上就不發生滑動。

圖2 模塊立柱固定簡化圖

球形支座轉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動中心來分析平衡條件。球形支座轉動時偏心距與支座的摩擦系數μ和球面直徑R有關。德國的試壓表面，實測支座轉動偏心距e=μ*R，該值小于靜力分析的理論值，只是因為支座轉動時并非在球面和平面兩個滑動面上同時出現靜摩擦，支座的轉動首先發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。支座的上部結構與下部結構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構物完成安裝之前，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生預旋轉，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。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，需要根據廠家要求進行修復。焊接作業時，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，焊接質量要求達到DIN EN ISO 5817等級B。同時需要對滑動材料區域進行遮蔽，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構物焊接完成之后，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，代表支座進入工作狀態。

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。根據生產廠家的不同，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。根據結構分析報告，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)

5 球形支座方案優劣

優點：

a.球形支座可在一定范圍內轉動(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(存在轉動力矩，轉動力矩只與支座球面半徑及滑動材料的摩擦系數有關，摩擦系數較小時和忽略)，設計轉角可達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，船體支墩的加強結構形式相對簡單、經濟，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。可承受壓力、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動性能的影響特別是低溫地區。

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構，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主和第三方的檢驗。

e. 彈性橡膠塊預緊困難。