FPSO转塔系泊止链器安装工艺与拖航固定设计_琚选择.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 137 FPSO 转塔系泊止链器安装工艺与转塔系泊止链器安装工艺与 拖航固定设计拖航固定设计 琚选择，钟文军，韩少宁，张庆营，黄曙光（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）摘 要：摘 要：针对我国南海深水浮式生产储卸油装置（FPSO）转塔单点系泊的关键零件止链器，进行安装工艺过程设计模拟和拖航固定设计的有限元分析。结果表明：止链器集成安装的关键点是吊装过程通过姿态调整与锚链盘 U 型槽配合；满足止链器安装精度的核心是节圆柱与耳轴转动平稳；止链器拖航固定的张紧链是应力薄弱点，在选型设计中应保守考虑使用 1 根张紧链的工况。实际工程应用验证了止链器安装工艺与拖航固定设计方案满足可靠性要求，为南中国海类似工程提供了直接经验。关键词：关键词：浮式生产储卸油装置（FPSO）；单点系泊；转塔；止链器；安装工艺；拖航固定 中图分类号：中图分类号：TE951 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.21 Installation Process and Sea Fastening Design of Chain Stoppers for a FPSO Turret Mooring System JU Xuanze,ZHONG Wenjun,HAN Shaoning,ZHANG Qingying,HUANG Shuguang(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China)Abstract:Aiming at the chain stopper,which is the key part of the single-point mooring of the deepwater floating production storage and offloading(FPSO)turret in the South China Sea,the design simulation of the installation process and the finite element analysis of the towing and fixing design are carried out.The analysis shows that the key point of chain stopper integrated installation is the coordination between the attitude adjustment and the U-groove of chain table during the hoisting,and the core of realizing the installation accuracy of chain stopper is the smooth rotation of pitch and roll body and trunnion.The tension chain fixed by the chain stopper towing is a weak point of stress.The working condition of using one tension chain should be conservatively considered in the selection design.The actual engineering application verifies that the installation process of chain stopper and the towing and fixing design scheme meet the reliability requirements,which provide direct experience for similar projects in the South China Sea.Key words:floating production storage and offloading(FPSO);single-point mooring;turret;chain stopper;installation process;sea fastening 0 引言引言 浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）是一种用于海上石油和天然气开发与生产处理的大型浮式生产设施1-2，也是全海式油田开发工程中的核心单元3，典型开发模式见图1。FPSO具有海域适应性强、经济性好、可靠性高和可重复利用的特点4，已被海洋石油工程领域广泛应用于油田开发生产5。目前，我国FPSO的数量和总吨位均居世界前列，FPSO支持着我国海上石油产能的80%，被称为我国的“海上石油舰队”。中国最大的海上油气开发商中国海油，现拥有18艘FPSO，储油能力为35万200万桶，应用水深为20 m400 m6-7。收稿日期：2022-03-29；修回日期：2022-05-14 基金项目：工业与信息化部高技术船舶科研项目（E-0819C002）；中国海油石油集团有限公司科技发展项目（CNOOC-KJ 135 JSPJ 08 GC 2019-02）。作者简介：琚选择（1979），男，博士、高级工程师。研究方向：海洋油气储运工程与深水工程装备。船舶材料、制造工艺与管理 138 图 1 转塔单点系泊 FPSO 与穿梭油轮的全海开发模式 单点系泊系统是海上浮式结构定位的关键系统，它能使FPSO绕单点作360旋转，以使FPSO总是处于环境力最小的方位8。深水FPSO转塔系泊（Turret Mooring System,TMS）系统由转塔、系泊链缆和系泊锚桩组成9，系泊链缆在转塔上的连接关键零件是止链器，其安装在单点下塔体的锚链盘结构下部，主要用于单点系泊系统的锚链固定和保护作用，承担着整个单点的FPSO在风波流及设施耦合作用下的系泊力。止链器安装位置精度将会直接影响止链器以及锚链盘结构使用寿命。另外，本文所研究的单点系泊锚链盘结构内布置了19根管缆及其附件10-11，结构十分紧凑，且安装要求止链器与锚链盘呈一定的角度，也给止链器的集成安装带来挑战。为此，针对我国南海应用水深最深（420 m）、悬挂管/缆最多的FPSO转塔单点系泊系统，也是我国首次自主承当集成度最高的单点系泊装置建造项目，本文开展止链器安装工艺以及安装完成后拖航固定设计的研究，为后续我国南海类似工程提供直接的经验。1 转塔单点止链器及其相关结构分析转塔单点止链器及其相关结构分析 1.1 止链器在系统中位置止链器在系统中位置 本文的FPSO转塔单点系泊系统由9条系泊缆组成，分成3组系泊束，束与束间隔120，以限制单点系泊在风、浪、流作用下偏离中心点的漂移距离。如图2所示，系泊半径为1 250 m（从单点系泊转塔中心到泥线点距离）。止链器是系泊系统与单点转塔连接的重要组成部分，对应于9根系泊缆的9个止链器也分3组安装在锚链盘结构上，每3个止链器关联锚链束（见图3）。止链器位于下塔体底部（见图4），船体漂浮海面上时其永久驻于水下，1个止链器在底部中间区域，2个在上部区域（见图5）。图 2 深水 FPSO 转塔单点泊系统组成 图3 深水FPSO 系泊系统布置图 图4 FPSO 单点系泊转塔装置 图5 单点下塔体与止链器布置 1.2 止链器及其结构概述止链器及其结构概述 止链器组成构件见图6，图中：X轴为节圆体轴线；Y轴为辊体耳轴轴线；Z轴为辊体垂向线。辊体自身带有Y轴耳轴，固定在耳轴壳体内，使辊体可绕Y轴在耳轴壳体内摆动；耳轴壳体带有X轴耳轴，固定在X轴节圆柱内，使辊体连同耳轴壳体可绕X轴摆动。X轴节圆柱通过螺栓连接于锚链盘结构U型槽中，链盘U型槽和止链器节圆柱之间的间隙由树脂层浇注填满，平衡U型槽预制偏离。锚链由位于辊体的棘轮固定。每个止链器长3.5 m，重约14.5 t。止链器的长度测量由棘齿顶部到止链器底部的喇叭口。每个止链器局部安装，琚选择等，FPSO 转塔系泊止链器安装工艺与拖航固定设计 139 因此轴线参考止链器局部，见图6。图 6 单点止链器结构示意图 2 止链器集成安装关键点分析止链器集成安装关键点分析 2.1 止链器集成吊装止链器集成吊装 锚链盘结构内布置了大量的管缆及其附件，且用于止链器安装固定的锚链盘结构U型槽与水平面呈一定角度，止链器在狭小的空间内需要不断调整止链器辊体以及X轴节圆柱的姿态，以便能顺利地吊装至锚链盘结构U型槽中，吊装期间不能有任何磕碰，防止损伤止链器回转结构。2.2 止链器安装精度止链器安装精度 止链器承受着整个FPSO的系泊力，根据对止链器结构的分析，止链器的1个核心就是止链器节圆柱与耳轴的转动要求平稳。止链器两侧的X轴节圆柱以及U型槽结构要求在同1个轴线上，这是保证止链器良好运行的关键。止链器X轴节圆柱安装至锚链盘结构U型槽后，根据设计要求节圆柱与U型槽之间的间隙需要浇注树脂，使节圆柱与U型槽在不需要精密加工面的情况下实现紧密接触，保证止链器在受力情况下U型槽均匀受力。节圆柱与U型槽之间的树脂厚度是否均匀将影响树脂的寿命，故止链器节圆柱与U型槽之间的间隙也是安装精度的关键点。2.3 止链器安装过程设计的模拟止链器安装过程设计的模拟 单点止链器安装过程设计模拟为7 步，见图7。第1 步：吊装止链器成45并缓慢放入锚链盘内。第 2 步：在锚链盘内部安装并逐步承接外部吊装载荷。第 3 步：逐渐将止链器拉入锚链盘内，并调整到合适安装角度。第4 步：下放止链器并定位。第5 步：将止链器安装到位。第6 步：拆除锚链盘内安装索具。第7 步：完成安装。图 7 单点止链器安装过程设计的模拟 3 止链器安装工艺方案止链器安装工艺方案 3.1 安装前锚链盘的准备安装前锚链盘的准备 1）锚链盘放置在垫墩上（见图 8），锚链盘底部距水平地面不低于 2.5 m，防止安装后止链器辊体与地面产生磕碰。2）为了保证节圆柱与 U 型槽之间的间隙均匀，需按图9 所示的测量尺寸A、B、C、D，绘制每个止链器的定位，明确节圆柱与U 型槽壳板之间的可得间隙以及每个止链器位置所需的垫板尺寸。3）如图10 所示，止链器安装到位后需要将节圆柱与U 型槽进行螺栓紧固，若提前将U 型槽上的螺栓紧固螺纹孔加工出来，因止链器安装后还需根据实际安装情况进行姿态调整，最后有可能节圆柱螺栓孔与U 型槽螺纹孔偏差较大导致螺栓无法安装紧固。故需提前实测止链器节圆柱尺寸，制作与其相同尺寸的工装，根据要求调整工装姿态后，利用工装配做紧固螺纹孔。Y 轴 X 轴 Z 轴(a)第 1 步(b)第2 步(c)第3 步(d)第4 步(e)第5 步(f)第6 步(g)第7 步 船舶材料、制造工艺与管理 140 图8 锚链盘放置垫墩示意图 图 9 止链器安装尺寸检测示意图 图 10 止链器紧固螺纹孔工装示意图 4）垫板尺寸确定后，按图9 外围所示焊接垫板，垫板角焊并做倒圆角处理。垫板长宽应调整，使其不会从壳中凸出，在树脂浇注前将其移除。3.2 安装前止链器的准备安装前止链器的准备 1）止链器安装前需检查止链器是否有明显磕碰或损伤，检查节圆柱是否摆动平顺无卡阻现象；是否有油漆损伤，如有需做好标记，在止链器安装结束后进行修复。2）由于止链器的双铰接机构，结构不稳定，应谨慎吊装，以防吊装过程中止链器意外移动或旋转，保护人员及设备安全。所有止链器在辊体和节圆体之间放置垫块，目的在于阻止双铰接机构的移动。应特别注意，节圆柱在节圆体耳轴上是松动的，可自由位移/旋转。3）止链器吊装前将2 套集成工具及其元件按照图11 组装到止链器上，用于限制辊体与节圆体之间的摆动，使其在吊装过程中始终处于一个稳定的姿态。图11 止链器吊装