局部停產狀態下單點滑環更換方案設計與實踐——以“渤海友誼號”單點系泊系統為例

劉雪宜 林 楊 李愛剛

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

劉雪宜，林楊，李愛剛.局部停產狀態下單點滑環更換方案設計與實踐——以“渤海友誼號”單點系泊系統為例［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：125-129.

“渤海友誼號”是由瑞士SBM公司設計制造的5萬噸級FPSO，服役于22 m水深的渤中28-1油氣田，該FPSO單點屬于水上軟剛臂系泊系統，系統結構主要包括四腿導管架、單點系泊頭、YOKE(系泊剛臂)、系泊腿、系泊構架和跨接軟管［1-2］，如圖1所示?；h是單點系泊系統的關鍵裝置，起著井口平臺與FPSO之間傳輸井液、天然氣、電力、光纖信號的重要作用［3］。滑環根據傳輸介質分為電儀滑環和油水(氣)滑環2種。2006年上半年，油田生產方發現單點第3層152.4 mm油水滑環部分密封失效，緊急向SBM公司訂購了新的滑環，同時開展了局部停產狀態下更換滑環的可行性分析，通過滑環吊裝設計、滑環擺放設計、FPSO限位設計等方法解決了滑環更換施工中的諸多難題。該項目于2011年9月成功完成海上施工，所形成的局部停產條件下單點滑環更換標準施工流程可為今后類似單點滑環維修工程提供借鑒和指導。

圖1 “渤海友誼號”單點系泊系統結構圖Fig.1 SPM system structure of Bohai Youyi

1 局部停產狀態下更換單點滑環的可行性分析

“渤海友誼號”單點滑環堆棧布置情況如圖2所示。在第3層152.4 mm滑環更換期間，故障滑環之上的電儀滑環和第4層152.4 mm油水滑環需要拆除，單點將失去電力供應和儀表控制信號，從而導致BZ 34-1、BZ 28-1油田停產。為了實現油田產量損失最小化，在故障滑環更換期間保證第1、2層滑環繼續生產，重點從以下3個方面開展了油田局部停產的可行性分析。

1)電儀滑環位于滑環堆棧的最頂端，其功能是保障單點系泊頭旋轉部分和靜止部分之間的電氣設備的電力供應和通訊信號通暢。由于滑環密封系統的電力供應屬于單點系泊頭旋轉部分，不依賴電儀滑環，因此電儀滑環臨時拆除不會影響生產滑環的密封系統。另外，單點系泊頭靜止部分的電氣設備也可采用臨時電纜供電，并對FPSO進行限位。

圖2 “渤海友誼號”單點滑環堆棧構成圖Fig.2 Sw ivel stack composition of Bohai Youyi SPM

2)拆除電儀滑環后，用于檢測生產流程的液位、壓力、溫度等儀控信號無法正常工作，這將產生邏輯關斷信號而關閉相應的關斷閥，這時可將生產滑環的關斷閥進行機械鎖定開啟，使其不受邏輯控制信號的影響。另外，拆除電儀滑環后，FPSO中控火氣盤和現場火氣探頭的連接中斷，現場火氣探頭無法正常工作，無法對天然氣泄漏、火焰情況進行實時監測，這時可現場指定專人使用手持式測爆儀進行定期巡檢和檢測。

3)如圖2所示，滑環堆棧中每個滑環都有獨立的旋轉環、靜止環、密封系統、驅動臂系統以及輸入輸出管線，下層滑環只為上層滑環提供支撐底座，因此上層滑環拆卸不會影響下層滑環的正常運轉。

由此可見，局部停產條件下更換單點滑環是可行的。

2 單點滑環更換方案設計

在滑環堆棧局部停產狀態下現場更換油水滑環沒有先例可以借鑒，還要面臨沒有大型浮吊支持、單點作業空間狹小、停產工期緊張、滑環安裝精度高等一系列施工難題，因此只有通過創新方案設計才能成功解決。

2.1 滑環吊裝設計

如表1所示，152.4 mm滑環和底座的質量在5 t以上，吊裝上下單點是整個項目的最大難點。如果使用浮吊，則需要FPSO進行長時間精確限位，使施工費用大幅增加；如果通過FPSO與單點之間的棧橋，只能運送較小的工具和物料。為克服以上困難，提出了聯合利用單點單軌小車和15 t絞車的吊帶設計方案(圖3)，即通過單軌小車工字鋼梁尾端作為支點，先用15 t絞車將滑環快速吊離運輸拖輪，然后用單軌小車在空中接力，實現滑環上下單點的吊裝。

表1 拆裝滑環的質量與尺寸Table 1 W eight and dimension of removed sw ivel

圖3 滑環上下單點吊裝設計Fig.3 Lift design of sw ivel to and off SPM

2.2 FPSO限位設計

“渤海友誼號”單點于2009年在約270°的圓周范圍將管匯甲板向外延伸了2 m，最大外延距離導管架中心8.7 m，而單點絞車鋼絲繩從單軌小車工字梁軌道遠端下放時距離導管架中心為9.7 m，考慮到滑環外徑為1.7 m，因此，吊裝滑環上下單點的安全距離僅有0.15 m。如果安全距離太小，滑環以及內部密封在吊運過程中則可能會受到撞擊，不能保證滑環的安全。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則有大于2 m的安全距離，為此對FPSO進行了限位設計，結合油田現場潮汐、風向，并參考以往單拖輪FPSO限位的施工經驗［4］，用一條8 000匹馬力拖輪完成FPSO短時間限位作業，從而保障了單點吊裝的安全性。

2.3 滑環在單點上的擺放設計

單點系泊頭空間狹小，新舊滑環在單點上的擺放也是施工設計的難點。經過現場調研和測量，電儀滑環和底座尺寸較小，質量較輕，可以臨時存放在EL42480mm平臺的滑環檢修通道；新、舊2個152.4mm滑環臨時存放在單點旋轉平臺，如圖4所示。

圖4 滑環在單點上的擺放設計Fig.4 Sw ivel layout on SPM

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

為了安全起見，采用ANSYS軟件對存放滑環的旋轉平臺進行了受力分析，所有型材的材質均為Q235B，屈服強度σs=235 MPa；根據《海上移動平臺入級與建造規范》強度校核的要求，對旋轉平臺做靜載工況下應力分析，許用應力［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，旋轉平臺靠近單點中心處設定為剛性固定；新第3層滑環質量4900 kg，直接坐在旋轉平臺的主支撐結構上，與支撐結構有6個接觸面，每個接觸面簡化為集中載荷8 166.7 N；第4層滑環質量5 060 kg，不能坐在主支撐結構上，在其下方增加2根工字鋼，工字鋼與主支撐結構有4個接觸面，每個接觸面簡化為集中載荷12 650 N。這種簡化忽略了格柵等對承擔載荷的影響，是偏于安全的。根據ANSYS軟件計算結果，存放滑環的旋轉平臺的最大應力為111 MPa，小于許用應力141 MPa，說明這種擺放設計的旋轉平臺結構強度滿足相關規范［5］要求。

3 施工流程與實施效果

3.1 施工流程

滑環更換的施工流程包括施工準備、舊滑環停產與拆卸以及新滑環安裝、調試與復產等3個階段。

3.1.1 施工準備

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

2)按照上述方案設計，在FPSO限位情況下將新滑環吊到單點旋轉平臺；

3)拆除影響施工的欄桿、格柵、電纜托架、管線保溫，根據需要搭建腳手架。

3.1.2 舊滑環的停產與拆卸

1)油田生產方負責完成關斷閥機械鎖定開啟等局部停產的控制措施，切斷跨接電纜到單點的供電，海管和滑環等流程的置換、泄壓；

2)拆卸滑環的密封系統，所有的液壓管和電伴熱在拆除前做好標記和保護；

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

4)拆除第4層油水滑環，先拆除滑環內部輸入管及外部輸出管的連接，然后拆除滑環的驅動臂，最后拆除滑環支撐上的螺栓，用單軌小車將滑環吊往旋轉平臺存放；

5)按照類似的方法拆除第3層故障滑環；

6)下放滑環堆棧內部的連接管線，避免下階段與滑環輸入管相互干涉。

3.1.3 新滑環的安裝、調試與復產

1)新滑環安裝之前須檢查支撐面，并安裝對中輔助設備；

2)吊裝新的第3層滑環和基座到第2層滑環之上，確?；h輸入管和滑環堆棧內部的立管對齊，然后緊固基座螺栓；

3)安裝驅動臂，此時須用限位拖輪嚴格控制FPSO首向，如果驅動臂的安裝位置不匹配，用手拉葫蘆微調滑環旋轉環；

4)連接滑環內部輸入管及外部輸出管到相對應的管線，連接滑環密封系統；

5)按照類似的方法回裝第4層滑環；6)按照拆除的逆過程，回裝電儀滑環；

7)滑環調試，包括電儀滑環的電纜進行絕緣和通路測試以及油水滑環的密封系統管件和旋轉腔進行試壓；

8)油田生產方負責對單點恢復通電，并對機械鎖定開啟的關斷閥恢復自動控制功能，恢復油田生產。

3.2 實施效果

“渤海友誼號”單點滑環更換于2011年9月完成海上施工，通過滑環吊裝、FPSO限位等創新性設計節省了大型浮吊、限位拖輪等資源的投入，局部停產的方案保證了故障滑環之下的2個滑環的正常生產；通過優秀的方案設計和施工組織，將油田局部停產時間從7 d縮短至5 d，整個項目的質量、安全、進度均滿足業主的要求。

4 結束語

通過可行性分析和方案設計，在渤中28-1油氣田現場成功實施了局部停產條件下的單點滑環更換。實踐證明，對應急關斷閥機械鎖定開啟、現場專人監控替代儀表實時監控、聯合利用絞車和單軌小車吊裝滑環、FPSO限位以及滑環擺放等方案設計是可行的，而且該項目形成的標準施工流程對今后類似單點滑環的維修工程具有借鑒意義。

［1］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程設計指南：海洋石油工程FPSO與單點系泊系統設計(第9冊)［M］.北京：石油工業出版社，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.

［2］劉雪宜.FPSO在YOKE損壞時的應急解脫［J］.石油工程建設，2013(3)：26-30.Liu Xueyi.FPSO emergency disconnection as YOKE damaged［J］.Petroleum Engineering Construction，2013(3)：26-30.

［3］宋志鵬，鄭邵春.浮式生產儲油卸油船多通道流體旋轉接頭性能分析［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，于長生，商濤，等.不停產狀態下運用單拖輪對FPSO限位的可行性研究［C］∥《中國造船》編輯部.2012年度海洋工程學術會議論文集.廈門：中國造船工程學會，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］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范［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.