某浮式生產(chǎn)儲油船系泊系統(tǒng)配重塊的改進(jìn)設(shè)計

楊天笑，傳 建，陳 池，陳 鋒

(1.中海石油(中國)有限公司番禺作業(yè)公司，廣東 深圳 518067；2.天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津300384)

某浮式生產(chǎn)儲油船系泊系統(tǒng)配重塊的改進(jìn)設(shè)計

楊天笑1，傳 建2，陳 池1，陳 鋒1

(1.中海石油(中國)有限公司番禺作業(yè)公司，廣東 深圳 518067；2.天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津300384)

以海洋石油111、116浮式生產(chǎn)儲油船系泊系統(tǒng)所采用的螺栓壓緊對開型配重塊為基礎(chǔ)，認(rèn)真研究了該系泊系統(tǒng)近年水下檢測報告，重點(diǎn)分析了螺栓壓緊對開型配重塊失效的原因，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了鎖銷型配重塊。該新型配重塊在受力性能上徹底改變了現(xiàn)有配重塊的設(shè)計思路，能有效抵抗惡劣的環(huán)境載荷，防止配重塊脫落失效，從而大大提高了系泊系統(tǒng)的安全性。

FPSO；單點(diǎn)系泊系統(tǒng)；配重塊；鎖銷型；技術(shù)改進(jìn)

0 引言

配重塊是垂懸線系泊系統(tǒng)的重要配件，它安裝于海上浮式結(jié)構(gòu)系泊腿位于海床或接近海床的錨鏈上，以提供系泊系統(tǒng)的恢復(fù)力，增加系泊腿系統(tǒng)的剛度。在使用時，由于風(fēng)浪流的作用，浮體將產(chǎn)生6個自由度的運(yùn)動。在惡劣的海況條件下，系泊腿位于海床附近的配重塊將被反復(fù)提起離開海床，然后再砸向海床，配重塊因此承受了很大的撞擊載荷。如果配重塊不能承受撞擊載荷而出現(xiàn)破損或脫落，將嚴(yán)重影響系泊系統(tǒng)的安全。海洋石油111浮式生產(chǎn)儲油船(以下簡稱HYSY111FPSO)在運(yùn)營8 a年后發(fā)現(xiàn)62%的配重塊丟失,海洋石油116浮式儲油船(以下簡稱HYSY116FPSO)在運(yùn)營3 a后發(fā)現(xiàn)27個配重塊丟失；同時，發(fā)現(xiàn)多個配重塊2個本體之間有明顯的甚至很大的縫隙。由此可見，螺栓壓緊對開型配重塊的安全可靠性極低，急需研發(fā)一種新型配重塊以保證系泊系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

1 原配重塊失效原因分析

HYSY111FPSO、HYSY116FPSO系泊腿所使用的配重塊均為螺栓壓緊對開型，它們包括上下2塊本體，錨鏈的1個鏈環(huán)位于本體之間的鏈環(huán)槽中，通過鏈環(huán)兩側(cè)和(或)穿過鏈環(huán)的螺栓將2塊本體壓緊固定。

圖1為HYSY111FPSO現(xiàn)有配重塊，圖2為HYSY116FPSO現(xiàn)有配重塊，均采用每邊2個，共4個螺栓固定；后者比前者多了2個定位銷，以限制2個本體之間水平平面的位移。

圖1 HYSY111FPSO現(xiàn)有配重塊

圖2 HYSY116FPSO現(xiàn)有配重塊

對2011年和2012年HYSY116FPSO的水下檢測報告配重塊的照片進(jìn)行分析，總結(jié)出現(xiàn)有配重塊失效的4個階段：

第一階段：圖3(a)中顯示的是正常的配重塊，其上下2個本體的對開結(jié)合面緊密接觸，沒有間隙。但由于預(yù)張緊螺栓將隨時間的推移，必然緩慢地“松弛”，作用于兩個本體的螺栓的壓緊力開始降低。

第二階段：在撞擊載荷的反復(fù)作用下，螺栓的壓緊力開始消失，2個本體之間的接觸面開始分離而出現(xiàn)微小的間隙。圖3(b)中，配重塊上下2個本體的對開結(jié)合面開始分開，形成一個很小的間隙，2個壓緊螺栓還在。間隙產(chǎn)生后，配重塊將不僅與海床發(fā)生鋼對海床土壤的撞擊，2個本體之間也將發(fā)生鋼對鋼的對撞。本體之間鋼對鋼的撞擊力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其與海床的撞擊力，因?yàn)殇摰膹椥阅Ａ窟h(yuǎn)大于海床土壤的彈性模量，間隙擴(kuò)展的速度大大加快。圖3(c)中，配重塊上下2個本體形成一個十分明顯的間隙，2個壓緊螺栓還在。在撞擊載荷和海水腐蝕的共同作用下，(如焊接)開始動搖。

第三階段：一個螺母防松措施最終失效，螺母松脫，壓緊螺栓從配重塊上脫落。圖3(d)中，配重塊上下2個本體的對開結(jié)合面分開，形成一個很大的間隙，一個壓緊螺栓已丟失。

第四階段：在撞擊載荷和海水腐蝕的共同作用下，多個螺母松脫、螺栓脫落，最終導(dǎo)致2塊本體分離，配重塊從錨鏈上脫落。

圖3 配重塊水下檢測照片

現(xiàn)有配重塊失效的根本原因在于螺栓壓緊對開型配重塊的設(shè)計原理存在重大缺陷。眾所周知，海洋工程水下構(gòu)筑物的主要傳力結(jié)構(gòu)，尤其是承受動載和沖擊載荷的傳力結(jié)構(gòu)，不宜采用壓緊螺栓連接。這是因?yàn)榧词怪怀惺莒o載，壓緊螺栓在使用的過程中也會緩慢松弛，導(dǎo)致張緊力降低；動載和沖擊載荷將加速其進(jìn)程，最終必將導(dǎo)致張緊力消失，螺母松脫失效。

2 鎖銷型系泊錨鏈配重塊設(shè)計

鎖銷型系泊錨鏈配重塊相對于現(xiàn)有配重塊，主要從配重塊的設(shè)計理念、連接形式和放松構(gòu)造3個方面進(jìn)行了改進(jìn)。

鎖銷型系泊錨鏈配重塊采用2個鎖銷將2個本體“鎖”住。該型配重塊將連接螺栓的受力狀態(tài)從受拉改為受剪，鎖銷實(shí)際為一種剪力銷。剪力銷廣泛應(yīng)用于海洋工程水下卸扣和強(qiáng)力鉸接接頭。圖4為海洋石油111號單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(以下簡稱HYSY111STP)浮筒與系泊纜的強(qiáng)力鉸接接頭，其壽命超過20 a，承受的系泊拉力約15 000 kN。

鎖銷型系泊錨鏈配重塊由上下2塊本體、2個螺栓型鎖銷、1個中心定位銷組成。

2.1設(shè)計理念

從設(shè)計理念上，鎖銷型系泊錨鏈配重塊采用了兩道防線、雙重保險, 螺栓型鎖銷和帶孔鎖銷凸塊咬合設(shè)計形成了第1道連接防線；螺栓型中心定位銷和鎖銷凸塊咬合設(shè)計形成了第2道連接防線。鎖銷型系泊錨鏈配重鎖構(gòu)造圖如圖5所示。

圖4 HYSY111STP浮筒與系泊纜的連接接頭

圖5 鎖銷型浮泊錨鏈配重量塊構(gòu)造圖

2.2連接形式

從結(jié)構(gòu)的連接形式上選擇了更好的傳力形式，鎖銷型系泊錨鏈配重塊采用了“剪”型連接，顛覆了以往“拉”型連接的形式，能有效防止連接松動。鎖銷型連接圖如圖6所示。

圖6 鎖銷型連接圖

鎖銷型配重2個本體是通過2個“鎖銷”按“剪切”形式連接在錨鏈上的，克服了現(xiàn)有配重塊“張拉”型連接的缺點(diǎn)。鎖銷所受載荷主要為剪切力，軸向的張緊力則很小甚至可以忽略。從連接的傳力途徑上，采用“剪切”型連接能有效彌補(bǔ)螺栓螺紋受力的弱點(diǎn)，提高配重塊的安全度。

鎖銷型配重塊鎖銷失效主要有螺母松脫造成鎖銷從孔中脫落、鎖銷被剪斷、鎖緊凸塊斷裂情況。只要采取常規(guī)的防松措施，螺母和鎖緊螺栓就不會松脫。只要保證鎖緊銷和凸塊具有足夠的強(qiáng)度、不破斷，銷鎖失效就不會發(fā)生。

鎖銷型配重的“中心定位銷”貫穿2個本體中央，穿過置于錨鏈槽內(nèi)的鏈環(huán)。中心定位銷具有定位功能，也能承受拉力，是進(jìn)一步保證配重塊可靠性的“第二道防線”。

只有這2道防線都破壞，配重塊才會脫落失效。

2.3放松構(gòu)造措施

(1)對連接孔的加工精度進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證裝配到位后結(jié)構(gòu)整體受力均勻，防止在位使用時各部件松動、相互碰撞。

(2)對連接件進(jìn)行特制——連接件的加工精度高于A級螺栓水平，不做表面熱處理以保證連接件的機(jī)械性能。

(3)采用有效的防松動措施——銷端部擠壓或擴(kuò)張方案。

在螺紋端的端部車出一段管的截面形式，安裝螺母后采用從內(nèi)向外擠壓的方式將端部管頭壓變形，以實(shí)現(xiàn)限制螺母松動的目的。配重塊放松構(gòu)造措施如圖7所示。

圖7 配重塊放松構(gòu)造措施

2.4鎖銷型系泊錨鏈配重塊缺點(diǎn)

鎖銷型系泊錨鏈配重塊相對于現(xiàn)有的配重塊方案來講，由于材質(zhì)要求高，鑄造質(zhì)量要求高，加工精度要求高，因此成本也相對略高。

3 結(jié)論

通過認(rèn)真研究HYSY116FPSO系泊系統(tǒng)2011、2012年水下檢測報告，分析了螺栓壓緊對開型配重塊失效的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)并設(shè)計出鎖銷型系泊錨鏈配重塊。該配重塊從設(shè)計、連接形式和放松措施上徹底彌補(bǔ)了原來配重塊的不足，既解決了螺栓壓緊對開型配重塊脫落的難題，又方便了安裝，以確保系泊系統(tǒng)壽命期間的安全性和可靠性。雖然該形式配重塊在成本上相對于原配重塊略高，但增加幅度不會超過20%，從項(xiàng)目安全的角度來講是完全可以接受的。

[1]楊天笑，歐陽雄，陳如江，等.番禺油田系泊錨鏈配重塊修復(fù)工程[J].中國海洋平臺,2012,(6):5-10.

[2]嚴(yán)明，劉學(xué)濤，楊凱東，李鵬.配重塊脫落對海洋石油111系泊系統(tǒng)的影響分析[J].中國造船，2012,(A02):106-111.

[3]楊天笑，黃三平，歐陽雄，陳池.海上浮式油輪系泊錨鏈用配重塊：中國，201120564732.5[P].2012-09-05.

2013-12-15

楊天笑(1980-)，男，工程師，主要負(fù)責(zé)組織、實(shí)施開展海上油氣田關(guān)鍵設(shè)施和水下設(shè)施運(yùn)營期的維護(hù)和維修工程等工作。

U674.38

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