局部停产状态下单点滑环更换方案设计与实践——以“渤海友谊号”单点系泊系统为例

刘雪宜 林 杨 李爱刚

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

刘雪宜，林杨，李爱刚.局部停产状态下单点滑环更换方案设计与实践——以“渤海友谊号”单点系泊系统为例［J］.中国海上油气，2015，27(5)：125-129.

“渤海友谊号”是由瑞士SBM公司设计制造的5万吨级FPSO，服役于22 m水深的渤中28-1油气田，该FPSO单点属于水上软刚臂系泊系统，系统结构主要包括四腿导管架、单点系泊头、YOKE(系泊刚臂)、系泊腿、系泊构架和跨接软管［1-2］，如图1所示。滑环是单点系泊系统的关键装置，起着井口平台与FPSO之间传输井液、天然气、电力、光纤信号的重要作用［3］。滑环根据传输介质分为电仪滑环和油水(气)滑环2种。2006年上半年，油田生产方发现单点第3层152.4 mm油水滑环部分密封失效，紧急向SBM公司订购了新的滑环，同时开展了局部停产状态下更换滑环的可行性分析，通过滑环吊装设计、滑环摆放设计、FPSO限位设计等方法解决了滑环更换施工中的诸多难题。该项目于2011年9月成功完成海上施工，所形成的局部停产条件下单点滑环更换标准施工流程可为今后类似单点滑环维修工程提供借鉴和指导。

图1 “渤海友谊号”单点系泊系统结构图Fig.1 SPM system structure of Bohai Youyi

1 局部停产状态下更换单点滑环的可行性分析

“渤海友谊号”单点滑环堆栈布置情况如图2所示。在第3层152.4 mm滑环更换期间，故障滑环之上的电仪滑环和第4层152.4 mm油水滑环需要拆除，单点将失去电力供应和仪表控制信号，从而导致BZ 34-1、BZ 28-1油田停产。为了实现油田产量损失最小化，在故障滑环更换期间保证第1、2层滑环继续生产，重点从以下3个方面开展了油田局部停产的可行性分析。

1)电仪滑环位于滑环堆栈的最顶端，其功能是保障单点系泊头旋转部分和静止部分之间的电气设备的电力供应和通讯信号通畅。由于滑环密封系统的电力供应属于单点系泊头旋转部分，不依赖电仪滑环，因此电仪滑环临时拆除不会影响生产滑环的密封系统。另外，单点系泊头静止部分的电气设备也可采用临时电缆供电，并对FPSO进行限位。

图2 “渤海友谊号”单点滑环堆栈构成图Fig.2 Sw ivel stack composition of Bohai Youyi SPM

2)拆除电仪滑环后，用于检测生产流程的液位、压力、温度等仪控信号无法正常工作，这将产生逻辑关断信号而关闭相应的关断阀，这时可将生产滑环的关断阀进行机械锁定开启，使其不受逻辑控制信号的影响。另外，拆除电仪滑环后，FPSO中控火气盘和现场火气探头的连接中断，现场火气探头无法正常工作，无法对天然气泄漏、火焰情况进行实时监测，这时可现场指定专人使用手持式测爆仪进行定期巡检和检测。

3)如图2所示，滑环堆栈中每个滑环都有独立的旋转环、静止环、密封系统、驱动臂系统以及输入输出管线，下层滑环只为上层滑环提供支撑底座，因此上层滑环拆卸不会影响下层滑环的正常运转。

由此可见，局部停产条件下更换单点滑环是可行的。

2 单点滑环更换方案设计

在滑环堆栈局部停产状态下现场更换油水滑环没有先例可以借鉴，还要面临没有大型浮吊支持、单点作业空间狭小、停产工期紧张、滑环安装精度高等一系列施工难题，因此只有通过创新方案设计才能成功解决。

2.1 滑环吊装设计

如表1所示，152.4 mm滑环和底座的质量在5 t以上，吊装上下单点是整个项目的最大难点。如果使用浮吊，则需要FPSO进行长时间精确限位，使施工费用大幅增加；如果通过FPSO与单点之间的栈桥，只能运送较小的工具和物料。为克服以上困难，提出了联合利用单点单轨小车和15 t绞车的吊带设计方案(图3)，即通过单轨小车工字钢梁尾端作为支点，先用15 t绞车将滑环快速吊离运输拖轮，然后用单轨小车在空中接力，实现滑环上下单点的吊装。

表1 拆装滑环的质量与尺寸Table 1 W eight and dimension of removed sw ivel

图3 滑环上下单点吊装设计Fig.3 Lift design of sw ivel to and off SPM

2.2 FPSO限位设计

“渤海友谊号”单点于2009年在约270°的圆周范围将管汇甲板向外延伸了2 m，最大外延距离导管架中心8.7 m，而单点绞车钢丝绳从单轨小车工字梁轨道远端下放时距离导管架中心为9.7 m，考虑到滑环外径为1.7 m，因此，吊装滑环上下单点的安全距离仅有0.15 m。如果安全距离太小，滑环以及内部密封在吊运过程中则可能会受到撞击，不能保证滑环的安全。如果将单轨小车工字钢梁固定在外延甲板的缺口，利用该缺口吊装滑环则有大于2 m的安全距离，为此对FPSO进行了限位设计，结合油田现场潮汐、风向，并参考以往单拖轮FPSO限位的施工经验［4］，用一条8 000匹马力拖轮完成FPSO短时间限位作业，从而保障了单点吊装的安全性。

2.3 滑环在单点上的摆放设计

单点系泊头空间狭小，新旧滑环在单点上的摆放也是施工设计的难点。经过现场调研和测量，电仪滑环和底座尺寸较小，质量较轻，可以临时存放在EL42480mm平台的滑环检修通道；新、旧2个152.4mm滑环临时存放在单点旋转平台，如图4所示。

图4 滑环在单点上的摆放设计Fig.4 Sw ivel layout on SPM

图5 ANSYS模型图和等效应力图Fig.5 Equivalent stress diagram of rotating platform with swivels

为了安全起见，采用ANSYS软件对存放滑环的旋转平台进行了受力分析，所有型材的材质均为Q235B，屈服强度σs=235 MPa；根据《海上移动平台入级与建造规范》强度校核的要求，对旋转平台做静载工况下应力分析，许用应力［σ］=0.6σs=141 MPa。如图5所示，在ANSYS软件中，所有杆件采用BEAM188单元建模，旋转平台靠近单点中心处设定为刚性固定；新第3层滑环质量4900 kg，直接坐在旋转平台的主支撑结构上，与支撑结构有6个接触面，每个接触面简化为集中载荷8 166.7 N；第4层滑环质量5 060 kg，不能坐在主支撑结构上，在其下方增加2根工字钢，工字钢与主支撑结构有4个接触面，每个接触面简化为集中载荷12 650 N。这种简化忽略了格栅等对承担载荷的影响，是偏于安全的。根据ANSYS软件计算结果，存放滑环的旋转平台的最大应力为111 MPa，小于许用应力141 MPa，说明这种摆放设计的旋转平台结构强度满足相关规范［5］要求。

3 施工流程与实施效果

3.1 施工流程

滑环更换的施工流程包括施工准备、旧滑环停产与拆卸以及新滑环安装、调试与复产等3个阶段。

3.1.1 施工准备

1)为了提高施工效率，将单点原有的手动单轨小车更换为电动单轨小车，然后用水袋做吊重试验；

2)按照上述方案设计，在FPSO限位情况下将新滑环吊到单点旋转平台；

3)拆除影响施工的栏杆、格栅、电缆托架、管线保温，根据需要搭建脚手架。

3.1.2 旧滑环的停产与拆卸

1)油田生产方负责完成关断阀机械锁定开启等局部停产的控制措施，切断跨接电缆到单点的供电，海管和滑环等流程的置换、泄压；

2)拆卸滑环的密封系统，所有的液压管和电伴热在拆除前做好标记和保护；

3)拆除电仪滑环，电缆头拔出之前要做好标记和保护，然后拆除电仪滑环基座的固定螺栓，用单轨小车将其吊至EL42480 mm平台；

4)拆除第4层油水滑环，先拆除滑环内部输入管及外部输出管的连接，然后拆除滑环的驱动臂，最后拆除滑环支撑上的螺栓，用单轨小车将滑环吊往旋转平台存放；

5)按照类似的方法拆除第3层故障滑环；

6)下放滑环堆栈内部的连接管线，避免下阶段与滑环输入管相互干涉。

3.1.3 新滑环的安装、调试与复产

1)新滑环安装之前须检查支撑面，并安装对中辅助设备；

2)吊装新的第3层滑环和基座到第2层滑环之上，确保滑环输入管和滑环堆栈内部的立管对齐，然后紧固基座螺栓；

3)安装驱动臂，此时须用限位拖轮严格控制FPSO首向，如果驱动臂的安装位置不匹配，用手拉葫芦微调滑环旋转环；

4)连接滑环内部输入管及外部输出管到相对应的管线，连接滑环密封系统；

5)按照类似的方法回装第4层滑环；6)按照拆除的逆过程，回装电仪滑环；

7)滑环调试，包括电仪滑环的电缆进行绝缘和通路测试以及油水滑环的密封系统管件和旋转腔进行试压；

8)油田生产方负责对单点恢复通电，并对机械锁定开启的关断阀恢复自动控制功能，恢复油田生产。

3.2 实施效果

“渤海友谊号”单点滑环更换于2011年9月完成海上施工，通过滑环吊装、FPSO限位等创新性设计节省了大型浮吊、限位拖轮等资源的投入，局部停产的方案保证了故障滑环之下的2个滑环的正常生产；通过优秀的方案设计和施工组织，将油田局部停产时间从7 d缩短至5 d，整个项目的质量、安全、进度均满足业主的要求。

4 结束语

通过可行性分析和方案设计，在渤中28-1油气田现场成功实施了局部停产条件下的单点滑环更换。实践证明，对应急关断阀机械锁定开启、现场专人监控替代仪表实时监控、联合利用绞车和单轨小车吊装滑环、FPSO限位以及滑环摆放等方案设计是可行的，而且该项目形成的标准施工流程对今后类似单点滑环的维修工程具有借鉴意义。

［1］《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南：海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计(第9册)［M］.北京：石油工业出版社，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］刘雪宜.FPSO在YOKE损坏时的应急解脱［J］.石油工程建设，2013(3)：26-30.Liu Xueyi.FPSO emergency disconnection as YOKE damaged［J］.Petroleum Engineering Construction，2013(3)：26-30.

［3］宋志鹏，郑邵春.浮式生产储油卸油船多通道流体旋转接头性能分析［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］李士涛，于长生，商涛，等.不停产状态下运用单拖轮对FPSO限位的可行性研究［C］∥《中国造船》编辑部.2012年度海洋工程学术会议论文集.厦门：中国造船工程学会，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］中国船级社.海上移动平台入级与建造规范［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.