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(yè)水平的提高，海洋油氣開發(fā)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(fā)工程[1]。

FPSO通過滑環(huán)連接在單點結構上，形成單點系泊系統(tǒng)，從而使滑環(huán)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）?；h(huán)作為連接軸承，長期處于旋轉狀態(tài)，極易發(fā)生故障，需要定期進行拆裝保養(yǎng)。常見的滑環(huán)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(xiàn)有的滑環(huán)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(huán)只能從支撐框架頂部的較小開口進出，容易造成滑環(huán)法蘭面磕碰，影響滑環(huán)的密封性能（圖2）。另外現(xiàn)有的滑環(huán)支撐框架在使用時只能將滑環(huán)放置于支撐框架的底座上，滑環(huán)底部的配件只能在滑環(huán)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(huán)性能海上調試，導致海上工作量大、時間長、滑環(huán)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(huán)、方便滑環(huán)進出且支持滑環(huán)提前裝配調試的支撐框架，將會對FPSO的滑環(huán)拆裝保養(yǎng)起到重要意義。

圖1 FPSO單點系泊系統(tǒng)

圖2 傳統(tǒng)滑環(huán)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(huán)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(huán)的進出，避免磕碰法蘭；再次支撐框架內設計滑環(huán)承托支架，使滑環(huán)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(yōu)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(huán)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(huán)置于支撐框架內運輸時對滑環(huán)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(huán)承托支架由4根斜向方鋼管和1個法蘭面焊接而成（圖5）?；h(huán)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(jù)不同尺寸的滑環(huán)預制相應尺寸的滑環(huán)承托支架。

2 支撐框架工作原理（圖6）

圖5 滑環(huán)承托支架

圖6 支撐框架工作原理

（1）預制與滑環(huán)尺寸相配套的滑環(huán)承托支架，將滑環(huán)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(huán)放置于滑環(huán)承托支架的法蘭面上，并用螺栓將其固定，隨后利用滑環(huán)承托支架下面的空間安裝滑環(huán)底部配件和對滑環(huán)進行調試，使滑環(huán)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(huán)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(huán)，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(huán)為例，校核攜帶滑環(huán)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(huán)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(huán)位置00上施加集中力-90 kN來模擬舊滑環(huán)的重量，對支撐框架自重添加1.05倍的不確定系數(shù)。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(shù)，校核其他構件時需添加1.35倍動荷載系數(shù)[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(jié)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(shù)和2倍動荷載系數(shù)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(jié)點位移為-0.051 2 cm（較?。?，滿足規(guī)范要求。仿真結果表明此種結構形式的滑環(huán)支撐框架能夠滿足吊裝強度要求。

表3 最大節(jié)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(huán)快速裝卸，而且避免了滑環(huán)法蘭面的磕碰，同時支撐框架內設計可拆卸式滑環(huán)承托支架滿足滑環(huán)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(huán)在支撐框架內的吊裝要求。