基于SACS的單點系泊系統軟鋼臂吊裝計算分析

孟凡然 ，李 明

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300452)

單點系泊系統是海上油田石油集輸的重要設施，其用途為：通過單點導管架和軟鋼臂等結構件固定海上浮式生產儲油裝置(FPSO)，同時接收周邊平臺生產、通過海底管道匯過來的原油和天然氣，再通過單點系泊頭上的跨接軟管將原油輸送到FPSO上進行處理并外輸。

渤海某FPSO由于接近設計最大使用年限，需進行拆除解脫。整個拆除過程中,軟鋼臂的拆除吊裝是吊裝質量最大、施工復雜性最高的工作。軟鋼臂的吊裝拆除需要使用浮吊，同時需要使用SACS工程軟件對吊裝過程的桿件應力進行校核。

1 項目概述

1)系統介紹。FPSO單點系泊系統示意圖如圖1所示，本次拆除解脫的FPSO通過單點系泊系統與單點導管架固定連接。單點系泊系統為塔架軟鋼臂系統，由單點導管架、軟鋼臂、系泊支架和系泊頭等組成。單點導管架為四腿導管架，導管架的上部中心有一直徑2.5 m的將軍柱。軟鋼臂系統由與系泊支架相連的2條系泊腿、剛性臂結構、系泊腿上下的萬向鉸接頭以及壓載艙組成。系泊頭由轉盤、滑環系統、軟管托架、配管系統、配電系統等組成。

軟鋼臂是管狀三角形框架，其鼻錐部位與單點系泊頭轉盤上的U型鉤槽固定，并灌注環氧樹脂，連接部分為可橫搖和縱搖的絞接頭，在框架兩側構件端部是2個壓載水艙。壓載艙直徑為4 260 mm，長12 m，共有2個，每個艙內灌注壓載液約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量之比大約為 0.42∶1。軟鋼臂基本尺寸為35 000 × 30 000 × 5 260，質量181.2 t, 吊點水平間距為 24 000～27 000 mm。

FPSO解脫前需先將軟鋼臂內部的壓載液排空，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盤凹槽上。拆除過程中，計劃使用浮吊，利用鋼絲繩分別與壓載艙上的2個吊點與鼻錐上的1個吊點相連，先將軟鋼臂壓載艙吊起至水平狀態后，再借助千斤頂緩慢將軟鋼臂鼻錐和系泊頭轉盤凹槽分離，最后浮吊起吊整個軟鋼臂，將軟鋼臂從單點上拆除。

圖1 FPSO單點系泊系統示意圖

2)作業船舶及吊裝索具。本次軟鋼臂吊裝拆除的主作業船為“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，雙主鉤的吊裝能力為400 t，吊高距海平面約50 m，副鉤最大吊裝質量為200 t，軟鋼臂運輸駁船為7 000 t自航駁。基于軟鋼臂約182 t的結構質量和“大力”主作業船雙主鉤的吊裝方式，軟鋼臂吊裝索具規格見表1。

表1 軟鋼臂吊裝索具規格

2 SACS建模

根據設計資料，軟鋼臂是管狀三角形框架，與單點連接部分為可橫搖和縱搖的絞接頭，在框架兩側構件端部是2個壓載水艙。軟鋼臂結構的計算建模是一個三維框架結構，3根鋼絲繩將結構與吊鉤相連，設置2個彈簧單元，剛度為20 kN/m。軟鋼臂采用管單元及錐單元進行模擬，重量采用等效密度的方法實現。結構原點設置在軟鋼臂剛性臂中心線交點上，軟鋼臂原點示意圖見圖2。

圖2 軟鋼臂原點示意圖

吊點使用原有壓載艙上2個吊點及鼻錐上的1個吊點，共計3個吊點，吊裝時雙主鉤通過鋼絲繩與吊點相連，雙主鉤位于重心上方，根據已確定的鋼絲繩長度，確保所有工況中鋼絲繩與水平面的夾角大于60°，通過SACS軟件建模，軟鋼臂吊裝模型示意圖見圖3，其中數字為桿件編號。

圖3 軟鋼臂吊裝模型示意圖

3 計算及校核

1)計算標準。本次應力計算參考API RP 2A-WSD《Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design》(以下簡稱《標準》)。根據該《標準》的描述：對于在開敞暴露海域(即海上)進行的吊裝，在設計吊點和形成與吊點相連的節點并將吊裝力傳遞到結構內部的其它內部構件時，應使用最小為2.0的動態放大系數計算靜載荷。對于所有其他的傳遞吊裝力的結構構件，應使用最小為1.35的動態放大系數進行設計。

2)計算工況。假定軟鋼臂吊裝拆除前，其內部的壓載液已全部排盡。本次計算僅考慮軟鋼臂結構自身質量和軟鋼臂走道的質量，以及10%的質量不確定系數和鎖具質量(約占軟鋼臂總質量的6%)，動態放大系數分別為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)鋼絲繩應力校核。鋼絲繩應力SACS模型計算結果見表3，鋼絲繩應力安全系數校核結果見表4。由表3及表4可知，考慮軟鋼臂質量冗余系數為16%時，鋼絲繩在1.35倍動態放大系數下的應力安全系數大于2.5，在2.00倍動態放大系數下的應力安全系數大于1.7，滿足吊裝安全要求。

表3 鋼絲繩應力SACS模型計算結果

表4 鋼絲繩應力安全系數校核結果

4)桿件應力校核。通過軟件模型計算，按照桿件是否與吊耳直接相連進行區分，分別采用2.00和1.35倍的動態放大系數。與吊耳直接相連的桿件UC值計算見表5，不與吊耳直接相連的桿件UC值計算見表6。

從模型計算結果可知，軟鋼臂結構桿件的最大UC值為0.68，小于1.0，滿足《標準》的要求。

5)吊裝建議。通過SACS建模計算和安全系數校核，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度滿足要求的同時，也對吊裝過程提出了補充性建議。①在實際吊裝準備過程中，需確保鋼絲繩與水平面的夾角大于60°；②計算過程中并未考慮風浪流對吊裝的影響，應結合作業船舶能力，選擇合適的海況進行作業，確保吊裝過程中扒桿晃動小于5°。

通過對渤海某FPSO單點系泊軟鋼臂拆除吊裝過程進行SACS建模和桿件應力校核計算，校核過程遵循《標準》，校核鋼絲繩的受力以及與吊點相連桿件在2.0倍動態放大系數、其余桿件在1.35倍動態放大系數下桿件的應力UC值，確認了吊裝過程中各部件的應力及強度滿足《標準》要求。該方案不僅能夠滿足海上吊裝作業的要求，還可為類似的海上結構件吊裝拆除作業提供參考。

表5 與吊耳直接相連的桿件UC值計算

表6 不與吊耳直接相連的桿件UC值計算