局部停產(chǎn)狀態(tài)下單點(diǎn)滑環(huán)更換方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“渤海友誼號(hào)”單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例

劉雪宜 林 楊 李愛(ài)剛

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津 300461； 2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452)

劉雪宜，林楊，李愛(ài)剛.局部停產(chǎn)狀態(tài)下單點(diǎn)滑環(huán)更換方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“渤海友誼號(hào)”單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27(5)：125-129.

“渤海友誼號(hào)”是由瑞士SBM公司設(shè)計(jì)制造的5萬(wàn)噸級(jí)FPSO，服役于22 m水深的渤中28-1油氣田，該FPSO單點(diǎn)屬于水上軟剛臂系泊系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括四腿導(dǎo)管架、單點(diǎn)系泊頭、YOKE(系泊剛臂)、系泊腿、系泊構(gòu)架和跨接軟管［1-2］，如圖1所示?；h(huán)是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，起著井口平臺(tái)與FPSO之間傳輸井液、天然氣、電力、光纖信號(hào)的重要作用［3］?；h(huán)根據(jù)傳輸介質(zhì)分為電儀滑環(huán)和油水(氣)滑環(huán)2種。2006年上半年，油田生產(chǎn)方發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)第3層152.4 mm油水滑環(huán)部分密封失效，緊急向SBM公司訂購(gòu)了新的滑環(huán)，同時(shí)開(kāi)展了局部停產(chǎn)狀態(tài)下更換滑環(huán)的可行性分析，通過(guò)滑環(huán)吊裝設(shè)計(jì)、滑環(huán)擺放設(shè)計(jì)、FPSO限位設(shè)計(jì)等方法解決了滑環(huán)更換施工中的諸多難題。該項(xiàng)目于2011年9月成功完成海上施工，所形成的局部停產(chǎn)條件下單點(diǎn)滑環(huán)更換標(biāo)準(zhǔn)施工流程可為今后類似單點(diǎn)滑環(huán)維修工程提供借鑒和指導(dǎo)。

圖1 “渤海友誼號(hào)”單點(diǎn)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 SPM system structure of Bohai Youyi

1 局部停產(chǎn)狀態(tài)下更換單點(diǎn)滑環(huán)的可行性分析

“渤海友誼號(hào)”單點(diǎn)滑環(huán)堆棧布置情況如圖2所示。在第3層152.4 mm滑環(huán)更換期間，故障滑環(huán)之上的電儀滑環(huán)和第4層152.4 mm油水滑環(huán)需要拆除，單點(diǎn)將失去電力供應(yīng)和儀表控制信號(hào)，從而導(dǎo)致BZ 34-1、BZ 28-1油田停產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)油田產(chǎn)量損失最小化，在故障滑環(huán)更換期間保證第1、2層滑環(huán)繼續(xù)生產(chǎn)，重點(diǎn)從以下3個(gè)方面開(kāi)展了油田局部停產(chǎn)的可行性分析。

1)電儀滑環(huán)位于滑環(huán)堆棧的最頂端，其功能是保障單點(diǎn)系泊頭旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分之間的電氣設(shè)備的電力供應(yīng)和通訊信號(hào)通暢。由于滑環(huán)密封系統(tǒng)的電力供應(yīng)屬于單點(diǎn)系泊頭旋轉(zhuǎn)部分，不依賴電儀滑環(huán)，因此電儀滑環(huán)臨時(shí)拆除不會(huì)影響生產(chǎn)滑環(huán)的密封系統(tǒng)。另外，單點(diǎn)系泊頭靜止部分的電氣設(shè)備也可采用臨時(shí)電纜供電，并對(duì)FPSO進(jìn)行限位。

圖2 “渤海友誼號(hào)”單點(diǎn)滑環(huán)堆棧構(gòu)成圖Fig.2 Sw ivel stack composition of Bohai Youyi SPM

2)拆除電儀滑環(huán)后，用于檢測(cè)生產(chǎn)流程的液位、壓力、溫度等儀控信號(hào)無(wú)法正常工作，這將產(chǎn)生邏輯關(guān)斷信號(hào)而關(guān)閉相應(yīng)的關(guān)斷閥，這時(shí)可將生產(chǎn)滑環(huán)的關(guān)斷閥進(jìn)行機(jī)械鎖定開(kāi)啟，使其不受邏輯控制信號(hào)的影響。另外，拆除電儀滑環(huán)后，F(xiàn)PSO中控火氣盤和現(xiàn)場(chǎng)火氣探頭的連接中斷，現(xiàn)場(chǎng)火氣探頭無(wú)法正常工作，無(wú)法對(duì)天然氣泄漏、火焰情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這時(shí)可現(xiàn)場(chǎng)指定專人使用手持式測(cè)爆儀進(jìn)行定期巡檢和檢測(cè)。

3)如圖2所示，滑環(huán)堆棧中每個(gè)滑環(huán)都有獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)環(huán)、靜止環(huán)、密封系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)臂系統(tǒng)以及輸入輸出管線，下層滑環(huán)只為上層滑環(huán)提供支撐底座，因此上層滑環(huán)拆卸不會(huì)影響下層滑環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

由此可見(jiàn)，局部停產(chǎn)條件下更換單點(diǎn)滑環(huán)是可行的。

2 單點(diǎn)滑環(huán)更換方案設(shè)計(jì)

在滑環(huán)堆棧局部停產(chǎn)狀態(tài)下現(xiàn)場(chǎng)更換油水滑環(huán)沒(méi)有先例可以借鑒，還要面臨沒(méi)有大型浮吊支持、單點(diǎn)作業(yè)空間狹小、停產(chǎn)工期緊張、滑環(huán)安裝精度高等一系列施工難題，因此只有通過(guò)創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)才能成功解決。

2.1 滑環(huán)吊裝設(shè)計(jì)

如表1所示，152.4 mm滑環(huán)和底座的質(zhì)量在5 t以上，吊裝上下單點(diǎn)是整個(gè)項(xiàng)目的最大難點(diǎn)。如果使用浮吊，則需要FPSO進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間精確限位，使施工費(fèi)用大幅增加；如果通過(guò)FPSO與單點(diǎn)之間的棧橋，只能運(yùn)送較小的工具和物料。為克服以上困難，提出了聯(lián)合利用單點(diǎn)單軌小車和15 t絞車的吊帶設(shè)計(jì)方案(圖3)，即通過(guò)單軌小車工字鋼梁尾端作為支點(diǎn)，先用15 t絞車將滑環(huán)快速吊離運(yùn)輸拖輪，然后用單軌小車在空中接力，實(shí)現(xiàn)滑環(huán)上下單點(diǎn)的吊裝。

表1 拆裝滑環(huán)的質(zhì)量與尺寸Table 1 W eight and dimension of removed sw ivel

圖3 滑環(huán)上下單點(diǎn)吊裝設(shè)計(jì)Fig.3 Lift design of sw ivel to and off SPM

2.2 FPSO限位設(shè)計(jì)

“渤海友誼號(hào)”單點(diǎn)于2009年在約270°的圓周范圍將管匯甲板向外延伸了2 m，最大外延距離導(dǎo)管架中心8.7 m，而單點(diǎn)絞車鋼絲繩從單軌小車工字梁軌道遠(yuǎn)端下放時(shí)距離導(dǎo)管架中心為9.7 m，考慮到滑環(huán)外徑為1.7 m，因此，吊裝滑環(huán)上下單點(diǎn)的安全距離僅有0.15 m。如果安全距離太小，滑環(huán)以及內(nèi)部密封在吊運(yùn)過(guò)程中則可能會(huì)受到撞擊，不能保證滑環(huán)的安全。如果將單軌小車工字鋼梁固定在外延甲板的缺口，利用該缺口吊裝滑環(huán)則有大于2 m的安全距離，為此對(duì)FPSO進(jìn)行了限位設(shè)計(jì)，結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)潮汐、風(fēng)向，并參考以往單拖輪FPSO限位的施工經(jīng)驗(yàn)［4］，用一條8 000匹馬力拖輪完成FPSO短時(shí)間限位作業(yè)，從而保障了單點(diǎn)吊裝的安全性。

2.3 滑環(huán)在單點(diǎn)上的擺放設(shè)計(jì)

單點(diǎn)系泊頭空間狹小，新舊滑環(huán)在單點(diǎn)上的擺放也是施工設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)量，電儀滑環(huán)和底座尺寸較小，質(zhì)量較輕，可以臨時(shí)存放在EL42480mm平臺(tái)的滑環(huán)檢修通道；新、舊2個(gè)152.4mm滑環(huán)臨時(shí)存放在單點(diǎn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，如圖4所示。

圖4 滑環(huán)在單點(diǎn)上的擺放設(shè)計(jì)Fig.4 Sw ivel layout on SPM

圖5 ANSYS模型圖和等效應(yīng)力圖Fig.5 Equivalent stress diagram of rotating platform with swivels

為了安全起見(jiàn)，采用ANSYS軟件對(duì)存放滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行了受力分析，所有型材的材質(zhì)均為Q235B，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa；根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》強(qiáng)度校核的要求，對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)做靜載工況下應(yīng)力分析，許用應(yīng)力［σ］=0.6σs=141 MPa。如圖5所示，在ANSYS軟件中，所有桿件采用BEAM188單元建模，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)靠近單點(diǎn)中心處設(shè)定為剛性固定；新第3層滑環(huán)質(zhì)量4900 kg，直接坐在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的主支撐結(jié)構(gòu)上，與支撐結(jié)構(gòu)有6個(gè)接觸面，每個(gè)接觸面簡(jiǎn)化為集中載荷8 166.7 N；第4層滑環(huán)質(zhì)量5 060 kg，不能坐在主支撐結(jié)構(gòu)上，在其下方增加2根工字鋼，工字鋼與主支撐結(jié)構(gòu)有4個(gè)接觸面，每個(gè)接觸面簡(jiǎn)化為集中載荷12 650 N。這種簡(jiǎn)化忽略了格柵等對(duì)承擔(dān)載荷的影響，是偏于安全的。根據(jù)ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果，存放滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大應(yīng)力為111 MPa，小于許用應(yīng)力141 MPa，說(shuō)明這種擺放設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范［5］要求。

3 施工流程與實(shí)施效果

3.1 施工流程

滑環(huán)更換的施工流程包括施工準(zhǔn)備、舊滑環(huán)停產(chǎn)與拆卸以及新滑環(huán)安裝、調(diào)試與復(fù)產(chǎn)等3個(gè)階段。

3.1.1 施工準(zhǔn)備

1)為了提高施工效率，將單點(diǎn)原有的手動(dòng)單軌小車更換為電動(dòng)單軌小車，然后用水袋做吊重試驗(yàn)；

2)按照上述方案設(shè)計(jì)，在FPSO限位情況下將新滑環(huán)吊到單點(diǎn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；

3)拆除影響施工的欄桿、格柵、電纜托架、管線保溫，根據(jù)需要搭建腳手架。

3.1.2 舊滑環(huán)的停產(chǎn)與拆卸

1)油田生產(chǎn)方負(fù)責(zé)完成關(guān)斷閥機(jī)械鎖定開(kāi)啟等局部停產(chǎn)的控制措施，切斷跨接電纜到單點(diǎn)的供電，海管和滑環(huán)等流程的置換、泄壓；

2)拆卸滑環(huán)的密封系統(tǒng)，所有的液壓管和電伴熱在拆除前做好標(biāo)記和保護(hù)；

3)拆除電儀滑環(huán)，電纜頭拔出之前要做好標(biāo)記和保護(hù)，然后拆除電儀滑環(huán)基座的固定螺栓，用單軌小車將其吊至EL42480 mm平臺(tái)；

4)拆除第4層油水滑環(huán)，先拆除滑環(huán)內(nèi)部輸入管及外部輸出管的連接，然后拆除滑環(huán)的驅(qū)動(dòng)臂，最后拆除滑環(huán)支撐上的螺栓，用單軌小車將滑環(huán)吊往旋轉(zhuǎn)平臺(tái)存放；

5)按照類似的方法拆除第3層故障滑環(huán)；

6)下放滑環(huán)堆棧內(nèi)部的連接管線，避免下階段與滑環(huán)輸入管相互干涉。

3.1.3 新滑環(huán)的安裝、調(diào)試與復(fù)產(chǎn)

1)新滑環(huán)安裝之前須檢查支撐面，并安裝對(duì)中輔助設(shè)備；

2)吊裝新的第3層滑環(huán)和基座到第2層滑環(huán)之上，確?；h(huán)輸入管和滑環(huán)堆棧內(nèi)部的立管對(duì)齊，然后緊固基座螺栓；

3)安裝驅(qū)動(dòng)臂，此時(shí)須用限位拖輪嚴(yán)格控制FPSO首向，如果驅(qū)動(dòng)臂的安裝位置不匹配，用手拉葫蘆微調(diào)滑環(huán)旋轉(zhuǎn)環(huán)；

4)連接滑環(huán)內(nèi)部輸入管及外部輸出管到相對(duì)應(yīng)的管線，連接滑環(huán)密封系統(tǒng)；

5)按照類似的方法回裝第4層滑環(huán)；6)按照拆除的逆過(guò)程，回裝電儀滑環(huán)；

7)滑環(huán)調(diào)試，包括電儀滑環(huán)的電纜進(jìn)行絕緣和通路測(cè)試以及油水滑環(huán)的密封系統(tǒng)管件和旋轉(zhuǎn)腔進(jìn)行試壓；

8)油田生產(chǎn)方負(fù)責(zé)對(duì)單點(diǎn)恢復(fù)通電，并對(duì)機(jī)械鎖定開(kāi)啟的關(guān)斷閥恢復(fù)自動(dòng)控制功能，恢復(fù)油田生產(chǎn)。

3.2 實(shí)施效果

“渤海友誼號(hào)”單點(diǎn)滑環(huán)更換于2011年9月完成海上施工，通過(guò)滑環(huán)吊裝、FPSO限位等創(chuàng)新性設(shè)計(jì)節(jié)省了大型浮吊、限位拖輪等資源的投入，局部停產(chǎn)的方案保證了故障滑環(huán)之下的2個(gè)滑環(huán)的正常生產(chǎn)；通過(guò)優(yōu)秀的方案設(shè)計(jì)和施工組織，將油田局部停產(chǎn)時(shí)間從7 d縮短至5 d，整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量、安全、進(jìn)度均滿足業(yè)主的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)可行性分析和方案設(shè)計(jì)，在渤中28-1油氣田現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施了局部停產(chǎn)條件下的單點(diǎn)滑環(huán)更換。實(shí)踐證明，對(duì)應(yīng)急關(guān)斷閥機(jī)械鎖定開(kāi)啟、現(xiàn)場(chǎng)專人監(jiān)控替代儀表實(shí)時(shí)監(jiān)控、聯(lián)合利用絞車和單軌小車吊裝滑環(huán)、FPSO限位以及滑環(huán)擺放等方案設(shè)計(jì)是可行的，而且該項(xiàng)目形成的標(biāo)準(zhǔn)施工流程對(duì)今后類似單點(diǎn)滑環(huán)的維修工程具有借鑒意義。

［1］《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南：海洋石油工程FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)(第9冊(cè))［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007：321-322.The Editorial Board of the Design Guideline of Offshore Oil Project.The design guideline of offshore oil project：offshore oil project FPSO and SPM mooring system design(volume IX)［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2007：321-322.

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［3］宋志鵬，鄭邵春.浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船多通道流體旋轉(zhuǎn)接頭性能分析［J］.船海工程，2010(4)：53-57.Song Zhipeng，Zheng Shaochun.Performance requirements of multi-channel fluid swivel stack in FPSO［J］.Ship ＆ Ocean Engineering，2010(4)：53-57.

［4］李士濤，于長(zhǎng)生，商濤，等.不停產(chǎn)狀態(tài)下運(yùn)用單拖輪對(duì)FPSO限位的可行性研究［C］∥《中國(guó)造船》編輯部.2012年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.廈門：中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)，2012：316-321.Li Shitao，Yu Changsheng，Shang Tao，et al.Feasibility study of FPSO heading restriction with single tug at productionmode［C］∥The editorial office of Shipbuilding of China.Proceedings of the 2012 annual naval arckitecture symposium.Xiamen：The Chinese Society of Naval Arckitects and Marine Engineers，2012：316-321.

［5］中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2005.China Classification Society.Rules for construction and classification ofmobile offshore drilling units［S］.Beijing：China Communications Press，2005.