某浮式生產儲油船系泊系統配重塊的改進設計

楊天笑，傳 建，陳 池，陳 鋒

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

某浮式生產儲油船系泊系統配重塊的改進設計

楊天笑1，傳 建2，陳 池1，陳 鋒1

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

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

FPSO；單點系泊系統；配重塊；鎖銷型；技術改進

0 引言

配重塊是垂懸線系泊系統的重要配件，它安裝于海上浮式結構系泊腿位于海床或接近海床的錨鏈上，以提供系泊系統的恢復力，增加系泊腿系統的剛度。在使用時，由于風浪流的作用，浮體將產生6個自由度的運動。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破損或脫落，將嚴重影響系泊系統的安全。海洋石油111浮式生產儲油船(以下簡稱HYSY111FPSO)在運營8 a年后發現62%的配重塊丟失,海洋石油116浮式儲油船(以下簡稱HYSY116FPSO)在運營3 a后發現27個配重塊丟失；同時，發現多個配重塊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，急需研發一種新型配重塊以保證系泊系統的運行安全。

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個鏈環位于本體之間的鏈環槽中，通過鏈環兩側和(或)穿過鏈環的螺栓將2塊本體壓緊固定。

圖1為HYSY111FPSO現有配重塊，圖2為HYSY116FPSO現有配重塊，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現有配重塊

圖2 HYSY116FPSO現有配重塊

對2011年和2012年HYSY116FPSO的水下檢測報告配重塊的照片進行分析，總結出現有配重塊失效的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個本體的對開結合面緊密接觸，沒有間隙。但由于預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微小的間隙。圖3(b)中，配重塊上下2個本體的對開結合面開始分開，形成一個很小的間隙，2個壓緊螺栓還在。間隙產生后，配重塊將不僅與海床發生鋼對海床土壤的撞擊，2個本體之間也將發生鋼對鋼的對撞。本體之間鋼對鋼的撞擊力將遠遠大于其與海床的撞擊力，因為鋼的彈性模量遠大于海床土壤的彈性模量，間隙擴展的速度大大加快。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計原理存在重大缺陷。眾所周知，海洋工程水下構筑物的主要傳力結構，尤其是承受動載和沖擊載荷的傳力結構，不宜采用壓緊螺栓連接。這是因為即使只承受靜載，壓緊螺栓在使用的過程中也會緩慢松弛，導致張緊力降低；動載和沖擊載荷將加速其進程，最終必將導致張緊力消失，螺母松脫失效。

2 鎖銷型系泊錨鏈配重塊設計

鎖銷型系泊錨鏈配重塊相對于現有配重塊，主要從配重塊的設計理念、連接形式和放松構造3個方面進行了改進。

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從受拉改為受剪，鎖銷實際為一種剪力銷。剪力銷廣泛應用于海洋工程水下卸扣和強力鉸接接頭。圖4為海洋石油111號單點系泊系統(以下簡稱HYSY111STP)浮筒與系泊纜的強力鉸接接頭，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設計理念

從設計理念上，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計形成了第2道連接防線。鎖銷型系泊錨鏈配重鎖構造圖如圖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造圖

2.2連接形式

從結構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，克服了現有配重塊“張拉”型連接的缺點。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”型連接能有效彌補螺栓螺紋受力的弱點，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度、不破斷，銷鎖失效就不會發生。

鎖銷型配重的“中心定位銷”貫穿2個本體中央，穿過置于錨鏈槽內的鏈環。中心定位銷具有定位功能，也能承受拉力，是進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放松構造措施

(1)對連接孔的加工精度進行嚴格控制，保證裝配到位后結構整體受力均勻，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械性能。

(3)采用有效的防松動措施——銷端部擠壓或擴張方案。

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向外擠壓的方式將端部管頭壓變形，以實現限制螺母松動的目的。配重塊放松構造措施如圖7所示。

圖7 配重塊放松構造措施

2.4鎖銷型系泊錨鏈配重塊缺點

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

3 結論

通過認真研究HYSY116FPSO系泊系統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理，在此基礎上改進并設計出鎖銷型系泊錨鏈配重塊。該配重塊從設計、連接形式和放松措施上徹底彌補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工程[J].中國海洋平臺,2012,(6):5-10.

[2]嚴明，劉學濤，楊凱東，李鵬.配重塊脫落對海洋石油111系泊系統的影響分析[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，主要負責組織、實施開展海上油氣田關鍵設施和水下設施運營期的維護和維修工程等工作。

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