南海FPSO單點液壓大鉗基座焊縫裂紋安全分析

徐業(yè)峻，張寶雷，王棟，汪建平，劉中柏

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油深圳分公司，廣東 深圳 518052)

浮式生產(chǎn)儲油卸貨裝置(FPSO)集生產(chǎn)處理、存儲外輸及生活、動力供應(yīng)于一體，是目前海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品。單點系泊系統(tǒng)是FPSO關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其主要作用是將FPSO具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，在各種風(fēng)浪流作用下使FPSO受力最小。南海FPSO轉(zhuǎn)塔式單點系泊是由挪威APL公司設(shè)計的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式STP系泊系統(tǒng)(見圖1)，其直接功能是系泊浮式生產(chǎn)儲油船，使儲油船以單點為軸隨風(fēng)、水流而轉(zhuǎn)動。

圖1 FPSO單點系泊系統(tǒng)工作場景

液壓卡鉗作用是將浮筒與船體固定連接在一起，卡鉗后部受壓，卡頭對浮筒產(chǎn)生向上力，見圖2。通過單點鎖緊裝置施加預(yù)緊力，使浮筒與船體連接處產(chǎn)生足夠大的靜摩擦力，讓浮筒與船體一起隨風(fēng)浪流合力繞轉(zhuǎn)臺運動，因此浮筒鎖緊裝置基座是重要受力構(gòu)件，尤其后基座焊縫，是重要受力部位。在FPSO例行檢查中發(fā)現(xiàn)液壓大鉗的焊縫存在不同數(shù)量的橫向和縱向裂紋，為此，分析裂紋形態(tài)，建立力學(xué)模型，從強度及疲勞方面進行計算，對比分析結(jié)算結(jié)果，判斷分析裂紋產(chǎn)生原因。

圖2 FPSO液壓卡鉗工作現(xiàn)場

1 裂紋強度及疲勞分析

對某FPSO油船船艏單點浮筒鎖緊裝置(液壓大鉗)的焊縫進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)液壓大鉗的前、后基座外側(cè)的焊縫以及前、后基座在單點空艙內(nèi)反底焊縫存在裂紋現(xiàn)象，檢測結(jié)果見表1。

表1 單點卡鉗基座裂紋檢測結(jié)果

卡鉗機械鎖緊處前后基座均出現(xiàn)裂紋，且在后基座不同焊縫位置出現(xiàn)了多處裂紋。根據(jù)受力分析，單點服役過程中，后基座承受了絕大部分的垂向載荷，因此在大基座出現(xiàn)裂紋的概率遠比前基座大很多。無損探傷發(fā)現(xiàn)與力學(xué)分析預(yù)判吻合。根據(jù)裂紋形態(tài)，存在規(guī)則裂紋及不規(guī)則裂紋，見圖3、4。

圖3 橫向裂紋

分析裂紋表象，縱向裂紋可能由于受力過大產(chǎn)生。圖3中，裂紋與焊道方向的垂直，典型是焊接冷卻收縮引起的。圖4 中，裂紋呈鐮刀狀，方向不規(guī)則，不是疲勞引起的裂紋類型。

圖4 縱向裂紋

2 鎖緊裝置基座力學(xué)分析

單點系泊系統(tǒng)的液壓大鉗作為單點載荷傳遞到船體上的關(guān)鍵部位，受力復(fù)雜，不僅需考慮系泊垂直載荷和水平載荷，還要考慮扭轉(zhuǎn)載荷。

2.1 計算分析

1)強度。先計算液壓卡鉗基座支反力，再利用該支反力進行焊縫局部應(yīng)力分析，分析液壓卡鉗基座及焊縫局部服役狀態(tài)，考察相關(guān)設(shè)計冗余度，為后續(xù)系統(tǒng)安全分析提供支撐。單點液壓卡鉗受力示意見圖5。

圖5 單點液壓卡鉗受力示意

單點承受的垂向載荷為：轉(zhuǎn)臺所受的百年一遇風(fēng)、浪、流極端工況下疊加最大垂向系泊載荷+浮筒和轉(zhuǎn)臺自重載荷+軟管和電纜動態(tài)載荷+滑環(huán)自重載荷。計算得出單個單點液壓大鉗的垂向載荷3 760 kN。鎖緊裝置同時還需承受預(yù)緊力的反力，由于液壓預(yù)緊力載荷會由于所受垂向載荷而產(chǎn)生一定程度的折減，計算中需要考慮預(yù)緊力受垂向載荷后的折減系數(shù)。

式中：為總的垂向載荷(包括浮筒和滑環(huán)的慣性載荷)，31 895 kN；為預(yù)緊力2 000 kN；為卡鉗基座裝置的剛度，1 361 kN/mm；為STP浮筒剛度,9 333 kN/mm；為鎖緊裝置數(shù)量。 根據(jù)上述計算結(jié)果，基座在受極限垂向載荷和液壓預(yù)緊載荷下產(chǎn)生了約5 198 kN的支反力。

關(guān)于基座焊縫應(yīng)力計算，通過查閱和分析原始設(shè)計文件，發(fā)現(xiàn)APL設(shè)計該系列連接焊縫的初衷僅為固定單點鎖緊裝置基座，因此，該系列焊縫設(shè)均為非承載焊縫。

出于保守考慮，假設(shè)基座和甲板之間有間隙，則浮筒和船體之間的垂向載荷全部通過基座焊縫傳遞，計算過程中考慮基座焊縫承受所有的垂向載荷。

則基座所承受的垂向載荷和預(yù)緊力之和為=5 198 kN。

計算分析得到應(yīng)力數(shù)值為195.72 MPa，APL的基座應(yīng)力計算結(jié)果為 199.64 MPa?？梢姡号cAPL計算結(jié)果相吻合。根據(jù)計算結(jié)果，在假設(shè)基座與甲板有間隙的條件下，基座焊縫在受到極限垂向載荷和液壓預(yù)緊載荷共同作用下的強度校核結(jié)果滿足使用要求。

2)疲勞。對基座進行實體單元建模，見圖6。

圖6 基座有限元模型

輸入相關(guān)載荷及定義邊界，有限元計算分析表明，焊縫局部應(yīng)力最大為 112 MPa，由于有限元計算時認(rèn)為載荷通過基座本身而非焊縫傳遞，因此計算結(jié)果要小于公式計算值195 MPa，可見，分析結(jié)果數(shù)值小于焊縫的屈曲應(yīng)力。

2.2 單點APL設(shè)計方計算分析

為了確保FPSO單點安全，邀請ALP公司對液壓大鉗的焊縫進行獨立核算。APL公司采用 API 2SK 中的低頻譜和波頻譜結(jié)合法進行疲勞累積損傷的計算，應(yīng)力幅值循環(huán)次數(shù)的計算過程符合規(guī)范要求。根據(jù)APL的計算，其基座焊縫疲勞壽命為11 470年，計算結(jié)果符合最初的設(shè)計要求。

該單點在設(shè)計之初已經(jīng)考慮了一定的冗余度，即在考慮單個液壓大鉗失效的偶然工況情況下，單點系泊系統(tǒng)仍能滿足極限載荷條件(百年一遇風(fēng)、浪、流的環(huán)境工況)下的在位服役需求。因此，從設(shè)計角度來講，即使單個液壓大鉗失效，單點系泊系統(tǒng)仍能安全服役，滿足FPSO安全在位生產(chǎn)。

為考察裂紋對焊縫承載力的影響，通過對焊縫有效厚度進行折減的方法分析焊縫剩余承載力，前基座載荷分解力(見圖7)，該方法可計算得到焊縫處許用裂紋深度。

圖7 單點液壓大鉗前基座作用力分解

計算結(jié)果表明，在極限裂紋深度為6.1 mm的條件下，基座焊縫在受到極限垂向載荷和液壓預(yù)緊載荷共同作用下的已經(jīng)達到材料的屈服強度(355 MPa)。若裂紋深度超過6.1 mm，則焊縫強度失效。

無損檢測報告未表明裂紋長度為6～7 mm，依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，該裂紋長度一般較裂紋深度要大得多，因此裂紋深度應(yīng)小于6 mm，短期內(nèi)裂紋擴展至斷裂的可能性很低，從而判斷FPSO液壓大鉗裂紋處于安全狀態(tài)。

3 結(jié)論

FPSO單點鎖緊器基座的初步力學(xué)分析表明，焊縫處應(yīng)力低于材料的許用強度。同時，設(shè)計方APL對焊縫的疲勞分析也表明在卡鉗鎖緊裝置的裝配精度和基座焊接工藝都符合要求，基座焊縫疲勞壽命符合服役要求。 為了保障FPSO安全，雖通過分析表明，單點在短期內(nèi)不會由于鎖緊器基座焊縫裂紋失效而發(fā)生重大風(fēng)險故障。但經(jīng)統(tǒng)計，南海每年會有6～7個臺風(fēng)，如果海況條件超出現(xiàn)有承載力，就會出現(xiàn)重大風(fēng)險，建議立即著手啟動維修。

單點液壓卡鉗基座焊縫受力復(fù)雜，不僅考慮垂向系泊載荷對焊縫的影響，還受到FPSO水平動態(tài)力作用，以致焊縫受到動態(tài)拉彎載荷。還要考慮焊縫受到的扭轉(zhuǎn)載荷。建議現(xiàn)場布置應(yīng)變片以進行1年左右實測焊縫應(yīng)力，將實測值帶入模型進行分析，進一步提升計算分析準(zhǔn)確性。