內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)鎖緊裝置載荷傳遞及失效分析

張寶雷, 徐業(yè)峻

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

0 引 言

中國南海的主力油氣田的開采大多依托于浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(floating production storage and offloading， FPSO)，對開采的原油進行加工，變成合格的商品原油。由于中國南海的氣候條件相對惡劣，且水深相對較深，使得具有風向標效應(yīng)的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)成為船型FPSO的標配。截至目前，已先后在中國南海服役和即將服役的FPSO有十余條，而其中APL公司的單點系泊(submerge turret production， STP)系統(tǒng)是目前我國南海北部內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的主力形式，部分單點系泊系統(tǒng)均出現(xiàn)過各種類型的故障，并在一段時期內(nèi)存在部分風險。自2017年起，相當部分的STP型內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)出現(xiàn)了相同的故障——鎖緊裝置底座出現(xiàn)焊接裂紋。

鎖緊裝置是STP型單點系泊系統(tǒng)中關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)之一，負責將水下錨系及立管海纜系統(tǒng)的全部垂向載荷通過STP浮筒傳遞至船體結(jié)構(gòu)，在FPSO系泊中起到關(guān)鍵的作用，鎖緊裝置布置如圖1所示。

圖1 鎖緊裝置布置Fig.1 Layout of locking device

1 系統(tǒng)載荷傳遞分析

STP型單點系泊系統(tǒng)分為旋轉(zhuǎn)部分(相對地面轉(zhuǎn)動)和非旋轉(zhuǎn)部分(相對地面不動)，在FPSO與單點系統(tǒng)回接安裝后，STP浮筒與月池結(jié)構(gòu)固定連接，隨船體轉(zhuǎn)動；STP轉(zhuǎn)塔、滑環(huán)堆棧與水下系泊系統(tǒng)固定連接，相對地面不動。隨船體轉(zhuǎn)動部分與相對地面不動部分通過安裝于STP浮筒和轉(zhuǎn)塔上部、下部的軸承進行旋轉(zhuǎn)連接。由此可知，鎖緊裝置在單點系泊系統(tǒng)中的受力較為復雜，因此其受力需從系統(tǒng)整體載荷傳遞角度進行分析。如圖2所示，STP浮筒受水下系統(tǒng)的載荷包括錨鏈系統(tǒng)和軟管系統(tǒng)提供的Fxy和Fz，其中，F(xiàn)xy為水平載荷，F(xiàn)z為垂向載荷。

圖2 載荷傳遞示意圖Fig.2 Load transfer diagram

當STP浮筒回接至船體結(jié)構(gòu)后，鎖緊裝置提供預(yù)緊力,作用在浮筒頂部,垂直向上，同時浮筒下部及船體錐形結(jié)構(gòu)上的適配環(huán)向接觸，作為唯一的垂向接觸點確保浮筒與船體結(jié)構(gòu)的緊密連接。由于適配環(huán)是錐形結(jié)構(gòu)，它將提供水平和垂向2個方向的載荷。垂向載荷Fz通過轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)傳遞至浮筒頂部的上軸承，后經(jīng)軸承傳遞至浮筒結(jié)構(gòu)，進而傳遞至浮筒與鎖緊裝置的接觸點。在鎖緊裝置與浮筒頂部的接觸面，垂向載荷直接作用于鎖緊裝置的前鉤爪墊片，進而垂向載荷傳遞至前基座支撐，成為向下的均布載荷以及作用于后基座支撐的向上載荷，如圖3所示。

在考慮系泊預(yù)緊力垂向載荷的同時，來自滑環(huán)組塊及其他轉(zhuǎn)塔上設(shè)備的垂向載荷及系泊系統(tǒng)儲備載荷同樣是不可忽視的，尤其是系泊系統(tǒng)水平儲備載荷Fxy。如圖2中下部紅色受力所示,Fxy通過轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)將載荷傳遞至下軸承Flower radial bearing。該水平旋轉(zhuǎn)載荷通過浮筒下部結(jié)構(gòu)傳遞至單點錐形結(jié)構(gòu)下配環(huán)上載荷R。

圖3 鎖緊裝置載荷示意圖Fig.3 Load diagram of locking device

2 鎖緊裝置載荷傳遞分析

如前文分析，由于下配環(huán)的圓錐形特點，其將鎖緊裝置所受系泊預(yù)緊力的垂向載荷及水平載荷同時傳遞至單點錐形結(jié)構(gòu)上。由于下配環(huán)的載荷R對浮筒產(chǎn)生傾覆力矩，使得浮筒頂部上配環(huán)存在反向載荷H，同時包括來自滑環(huán)組塊的載荷V。STP浮筒在回接過程中需要在浮筒與船體之間存在10 mm公差，以便確保浮筒回接過程的順利進行。同時，為使浮筒頂部的水平載荷H直接傳遞至上配環(huán)，在上配環(huán)之間需安裝間隙塊以確保浮筒與船體結(jié)構(gòu)之間緊密的載荷傳遞，如圖4所示。通過間隙塊的安裝可以使水平載荷直接從浮筒傳遞至上配環(huán)，從而盡量避免水平載荷向鎖緊裝置的傳遞。

圖4 間隙塊安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of dearance block installation

除以上水平載荷外，另一個稍小的水平載荷同樣會作用于鎖緊裝置。當船轉(zhuǎn)動時，軸承與摩擦表面形成靜摩擦；當軸承開始滑動時，軸承與摩擦表面形成動摩擦，兩者均產(chǎn)生扭矩。由于浮筒結(jié)構(gòu)具有較大的扭轉(zhuǎn)剛度，因此該扭矩將使浮筒外側(cè)產(chǎn)生水平切向載荷，傳遞至下配環(huán)，由于受浮筒預(yù)緊力的影響，使得浮筒和下配環(huán)之間存在摩擦力。因此，需將間隙塊正確安裝于浮筒和上配環(huán)之間，使得鎖緊裝置的預(yù)緊力可按如下方式進行傳遞：

(1) 系泊儲備載荷的水平徑向載荷通過浮筒及間隙塊傳遞至船體結(jié)構(gòu)上配環(huán)。

(2) 當船體旋轉(zhuǎn)時，由軸承與摩擦表面靜摩擦引起的水平切向載荷通過下配環(huán)傳遞至船體結(jié)構(gòu)。

3 鎖緊裝置局部水平載荷分析

通過以上分析可以看到，在間隙塊正常安裝的前提下，理論上無水平切向載荷傳遞至鎖緊裝置，但是不排除出于操作維護原因引起間隙塊安裝不到位的情況。因此下面就鎖緊裝置受水平切向載荷的情況進行載荷分析。系泊儲備載荷的水平徑向載荷作用于鎖緊裝置，在缺乏預(yù)緊力的情況下會引起水平切向載荷。當間隙塊失效時，導致下配環(huán)之間摩擦力失效，轉(zhuǎn)塔軸承的摩擦力引起的扭矩將導致產(chǎn)生作用在鎖緊裝置上的水平切向載荷，Y向水平載荷如圖5所示。

圖5 鎖緊裝置水平切向載荷示意Fig.5 Horizontal tangential load diagram of locking device

假設(shè)失效的3個系統(tǒng)中的系泊儲備載荷均失效，引起水平切向載荷的同時作用在鎖緊裝置上，每個鎖緊裝置的水平切向載荷分布如表1所示。

表1 每個鎖緊裝置的水平切向載荷分布

以上工況是假設(shè)失去所有系泊儲備載荷引起的預(yù)緊力的情況，屬于過于保守的工況。如果預(yù)緊力依然存在，則由于浮筒與船體結(jié)構(gòu)之間的摩擦力的一部分傾覆力矩將作用在下配環(huán)上。

4 前基座焊接強度分析

前基座的焊接強度所能承受的載荷在原設(shè)計中的情況如圖6所示。

d1=576 mm,d2=390 mm,d3=136 mm
d4=411 mm,d5=670 mm,d6=2 182 mm

圖6 前基座載荷示意圖Fig.6 Schematic diagram of front base load

水平徑向載荷力偶：

單個邊板上的總剪切力：

單個邊板上的彎矩(切向)：

Mby=d1·Fdx→Mby=703.62 kN·m

單個邊板上的側(cè)向載荷：

Fdy=Fy→Fdy=1 000 kN

單個邊板上的彎矩(徑向)：

Mbx=Fdy·d1→Mbx=576 kN·m

單個邊板上的垂向載荷：

從以上計算結(jié)果可以看出，在過于保守的假設(shè)情況下(間隙塊全部失效，或預(yù)緊力消失)，傳遞至鎖緊裝置的水平載荷低于設(shè)計載荷。顯然，以上保守的假設(shè)情況遠遠高于現(xiàn)在的實際情況。因此，前基座的焊縫裂紋的成因不是水平載荷。另外，根據(jù)疲勞壽命的計算結(jié)果，可知其疲勞壽命可滿足11470年的要求，因此需進一步研究焊縫質(zhì)量對焊縫裂紋的影響。

5 焊縫焊接質(zhì)量和裂紋情況

前基座的焊縫大量發(fā)現(xiàn)角焊縫和全熔透焊縫的裂紋，裂紋狀況包括橫向裂紋和縱向裂紋，裂紋情況既包括疲勞裂紋(較少)，也包括缺陷裂紋。

圖7 前基座焊縫裂紋

經(jīng)過對鎖緊裝置前基座和后基座焊縫裂紋進行探傷清根后，發(fā)現(xiàn)在大部分發(fā)現(xiàn)裂紋的焊縫底部均存在原焊接的缺陷，主要缺陷情況為在建造安裝期間，需要進行全熔透焊接的部分，焊接并未完全熔透，甚至在個別焊縫裂紋底部發(fā)現(xiàn)未熔透比例達到深度的30%。目前根據(jù)原設(shè)計文件的受力情況進行分析，同時疲勞壽命分析結(jié)果均無法找到明顯的缺陷，因此暫未找到設(shè)計缺陷的明確證據(jù)。由此可以看出，建造焊接質(zhì)量缺陷是造成基座焊縫裂紋的一個主要原因。

針對焊接質(zhì)量的問題，分兩種情況進行處理：①前基座角焊縫和背部焊縫裂紋，由于前基座的水平載荷較小，根據(jù)設(shè)計文件可繼續(xù)采用角焊縫和背焊加強及焊縫修復；②后基座全焊透的焊縫修復需要采取特殊的修復方案，使用氣刨的方法對裂紋進行消除清根，探傷確認無裂紋和無缺陷后，將焊接處預(yù)熱至110℃，采用手把焊打底，二氧焊填充蓋面的修復工藝進行焊接，同時反面清根回焊，焊接完成后使用加熱帶進行焊后熱處理及保溫(加熱到300℃，保溫1小時后斷電，使用保溫棉覆蓋焊縫讓其自然冷卻)，經(jīng)過24小時后再做磁粉探傷核實焊縫情況。

圖8 前基座背部焊縫清根后情況

6 結(jié) 語

通過對內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)的受力傳遞分析，可清晰地了解單點水下系泊系統(tǒng)和滑環(huán)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)等直接或間接作用在鎖緊裝置的載荷狀況。由于鎖緊裝置在單點系統(tǒng)中承擔著核心系泊力與船體結(jié)構(gòu)的傳遞責任，因此其在設(shè)計過程中需要進行周全的載荷分析。同時，在建造安裝過程中的安裝公差和焊接質(zhì)量需要格外關(guān)注，嚴格遵守設(shè)計的安裝公差和質(zhì)量要求。假設(shè)在設(shè)計和建造期間出現(xiàn)問題，則在FPSO服役期間將帶來重大的風險隱患，特別是在單點系統(tǒng)這個極其關(guān)鍵的設(shè)施的結(jié)構(gòu)強度上。