水上軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)YOKE 下放技術(shù)研究

胡雙，張群，朱澧，雷林，李穎

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

本文以渤中區(qū)域資源統(tǒng)籌優(yōu)化利用項(xiàng)目為背景， 針對(duì)友誼號(hào)單點(diǎn)設(shè)施進(jìn)行了多次改造，在圖紙資料不完善的情況下， 提出三種不同YOKE下放干擾校核方法，并按照各種分析法適用的場(chǎng)合及特點(diǎn)，從實(shí)施原理、工作量大小、實(shí)施優(yōu)缺點(diǎn)等角度進(jìn)行分析， 并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐提出最佳YOKE 下放法， 這對(duì)以后涉及到類似單點(diǎn)系泊系統(tǒng)解脫提供了工程借鑒，具有重大意義[1，2]。

1 水上軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

“渤海友誼號(hào)”FPSO 單點(diǎn)位于渤海南部海域的渤中28-1 油氣田，作業(yè)水深23.4m，該單點(diǎn)屬于塔架式水上軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，主要結(jié)構(gòu)由四腿導(dǎo)管架、單點(diǎn)系泊頭、軟剛臂YOKE、系泊腿、MSS系泊支架及跨接軟管及電纜等部分組成[3]，見(jiàn)圖1。

圖1 水上軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

單點(diǎn)導(dǎo)管架用鋼樁固定在海底，系泊頭固定在導(dǎo)管架之上，軟剛臂YOKE 和系泊腿連接單點(diǎn)系泊頭和FPSO 船艏的MSS 系泊支架，構(gòu)成單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的軟剛臂系統(tǒng)。YOKE 頂部有縱搖、橫搖鉸接頭， 系泊腿頂部和底部分別裝備了推力軸承、萬(wàn)向鉸接頭，能夠消除FPSO 與單點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[4]。

YOKE 是管狀三角形框架，通過(guò)“U”型壓槽、灌注環(huán)氧樹(shù)脂固定在單點(diǎn)系泊頭， 與單點(diǎn)連接部分為可橫搖和縱搖的絞接頭， 在框架兩側(cè)構(gòu)件端部是兩個(gè)壓載水艙，其作用是為FPSO 的位移提供回復(fù)力， 保證系泊腿角度處于正常的垂直位置[5]。YOKE 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 YOKE 結(jié)構(gòu)示意圖

YOKE 壓載艙直徑φ4260mm，長(zhǎng)12m，共有2個(gè)壓載艙，每個(gè)艙內(nèi)灌注防凍液（壓載液）約173t（147 m3），防凍液密度為1.19 t/m3，防凍液中氯化鈣與水的質(zhì)量之比大約為0.42∶1； 在壓載艙上部設(shè)置4″法蘭口2 個(gè)、10″法蘭口1 個(gè)，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 YOKE 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)信息

2 YOKE 入水角度

FPSO 解脫時(shí)， 排完載的YOKE 會(huì)漂浮在海水中，鑒于11 月份的惡劣天氣，會(huì)造成YOKE 與單點(diǎn)碰撞的可能性增加， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響油田復(fù)產(chǎn)。因此，YOKE 下放后與單點(diǎn)設(shè)施的干擾校核分析是實(shí)施FPSO 解脫的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

友誼號(hào)單點(diǎn)設(shè)施進(jìn)行了多次改造，圖紙資料不完善。 根據(jù)單點(diǎn)設(shè)計(jì)廠家的設(shè)計(jì)載荷報(bào)告，在有效波高5.4m（100a 一遇）的工況下，按照Stokes 5 階波浪理論計(jì)算得到在天文低潮狀態(tài)下（23m 水深）FPSO 解脫后，YOKE 下放到水中與水平面的夾角為37.8°。

根據(jù)YOKE 下放入水的37.8°， 發(fā)現(xiàn)YOKE下放后存在較多的干擾設(shè)施，在FPSO 解脫前，必須對(duì)干擾設(shè)施進(jìn)行確認(rèn)并提前拆除， 待FPSO 連接完成后再重新進(jìn)行恢復(fù)[6]，見(jiàn)圖3。

圖3 單點(diǎn)平臺(tái)與YOKE

3 YOKE 下放干擾校核方法

3.1 三維模擬法

三維模擬法就是利用模擬軟件，對(duì)設(shè)備的位置和管線高度精確的反饋到模擬軟件中，利用軟件在YOKE 入水37.8°時(shí)， 對(duì)YOKE 下放干擾結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4。“渤海友誼號(hào)”FPSO 解脫后，友誼號(hào)單點(diǎn)上部組塊及YOKE 進(jìn)行海上拆除，對(duì)“友誼號(hào)”單點(diǎn)進(jìn)行改造，生產(chǎn)方在FPSO 解脫之前，在單點(diǎn)第四層平臺(tái)安裝收發(fā)球筒，由于安裝的收發(fā)球筒可能與YOKE 下放干擾，應(yīng)提前對(duì)收發(fā)球筒的安裝位置及管線高度進(jìn)行評(píng)估分析。 收發(fā)球筒安裝的底線就是經(jīng)過(guò)調(diào)整后的臨時(shí)生產(chǎn)流程改造和清管球收發(fā)器改造管線布局合理，不影響友誼號(hào)解脫。 而對(duì)未安裝的設(shè)備進(jìn)行YOKE下放干擾分析，最優(yōu)的選擇是三維模擬法，即利用軟件，結(jié)合設(shè)備的安裝位置和高度進(jìn)行模擬分析。 三維模擬法比較直觀、形象，但對(duì)圖紙的要求高、畫(huà)圖技術(shù)高、工作量大。

圖4 三維模擬法

3.2 計(jì)算法

計(jì)算法的原理就是計(jì)算YOKE 下放后空間余量與設(shè)備、管線的高度之間的關(guān)系，如果安全余量大于管線高度， 則該設(shè)備不影響YOKE 下放，反之則影響YOKE 下放，見(jiàn)圖5。

圖5 計(jì)算法

計(jì)算法對(duì)超高管線核算非常方便，對(duì)圖紙尺寸要求較高，但若涉及整個(gè)單點(diǎn)結(jié)構(gòu)，計(jì)算量大。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)拉線法

現(xiàn)場(chǎng)拉線法是通過(guò)YOKE 下放到水中與水平面的夾角作為安全線， 根據(jù)入水傾斜角度，在現(xiàn)場(chǎng)用細(xì)纜繩現(xiàn)場(chǎng)拉線， 在線下的就是安全結(jié)構(gòu)，線上的就是干擾結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)拉線法

現(xiàn)場(chǎng)拉線法方便、簡(jiǎn)單，可有效實(shí)施，對(duì)已安裝的設(shè)備干擾分析很直觀，但無(wú)法對(duì)未安裝的設(shè)備進(jìn)行有效的分析。

以上三種YOKE 下放干擾校核方法各有優(yōu)劣， 其中三維模擬法對(duì)未安裝的設(shè)備的分析最優(yōu)，尤其在生產(chǎn)方預(yù)安裝收發(fā)球筒的分析上更有優(yōu)勢(shì)，而計(jì)算法對(duì)超高管線核算最優(yōu)， 拉線法最直觀，也簡(jiǎn)單，但對(duì)預(yù)安裝的設(shè)備無(wú)法進(jìn)行分析，應(yīng)該根據(jù)不同的運(yùn)用場(chǎng)合選擇合適的干擾校核方法。

4 項(xiàng)目實(shí)踐與應(yīng)用

根據(jù)YOKE 下放入水的37.8°， 依據(jù)計(jì)算法、三維模擬法和現(xiàn)場(chǎng)拉線法對(duì)YOKE 下放后存在的干擾設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量[7]，匯總礙事結(jié)構(gòu)和設(shè)施見(jiàn)表2。

表2 YOKE 下放干擾結(jié)構(gòu)和設(shè)施

在項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用中， 發(fā)現(xiàn)僅僅只根據(jù)計(jì)算法或三維模擬法可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)施遺漏，而經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拉線法可以彌補(bǔ)， 若將兩種方法或三種方法有機(jī)結(jié)合，可有效規(guī)避遺漏。 在項(xiàng)目實(shí)踐中采用現(xiàn)場(chǎng)拉線法發(fā)現(xiàn)遺留的管線流量計(jì)等礙事的設(shè)備，見(jiàn)圖7。

圖7 管線上的流量計(jì)等礙事設(shè)備

總之, 本文針對(duì)YOKE 下放單點(diǎn)干擾設(shè)施提出三種YOKE 下放干擾校核方法， 即三維模擬法、計(jì)算法和現(xiàn)場(chǎng)拉線法，并對(duì)三種方案進(jìn)行比較分析，確定不同方法運(yùn)用的不同場(chǎng)合。 并通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐表明，只根據(jù)單一的計(jì)算法、三維模擬法可能會(huì)出現(xiàn)干擾設(shè)施遺漏，最優(yōu)方法是將計(jì)算法、三維模擬法和現(xiàn)場(chǎng)拉線法有機(jī)結(jié)合[8]。

YOKE 下放干擾校核方法成功運(yùn)用于渤中區(qū)域資源統(tǒng)籌優(yōu)化利用項(xiàng)目， 通過(guò)優(yōu)化施工流程，節(jié)省人工及船舶支持費(fèi)用約35 萬(wàn)元，縮短工期6d，該項(xiàng)目的成功實(shí)施標(biāo)志該YOKE 下放干擾校核可有效地節(jié)省工程費(fèi)用和工期，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值， 可推廣應(yīng)用前景廣闊。 采用YOKE 下放干擾校核方法后，YOKE 安全下放入水，見(jiàn)圖8。

圖8 YOKE 安全入水