基于SACS的单点系泊系统软钢臂吊装计算分析

孟凡然 ，李 明

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 300452)

单点系泊系统是海上油田石油集输的重要设施，其用途为：通过单点导管架和软钢臂等结构件固定海上浮式生产储油装置(FPSO)，同时接收周边平台生产、通过海底管道汇过来的原油和天然气，再通过单点系泊头上的跨接软管将原油输送到FPSO上进行处理并外输。

渤海某FPSO由于接近设计最大使用年限，需进行拆除解脱。整个拆除过程中,软钢臂的拆除吊装是吊装质量最大、施工复杂性最高的工作。软钢臂的吊装拆除需要使用浮吊，同时需要使用SACS工程软件对吊装过程的杆件应力进行校核。

1 项目概述

1)系统介绍。FPSO单点系泊系统示意图如图1所示，本次拆除解脱的FPSO通过单点系泊系统与单点导管架固定连接。单点系泊系统为塔架软钢臂系统，由单点导管架、软钢臂、系泊支架和系泊头等组成。单点导管架为四腿导管架，导管架的上部中心有一直径2.5 m的将军柱。软钢臂系统由与系泊支架相连的2条系泊腿、刚性臂结构、系泊腿上下的万向铰接头以及压载舱组成。系泊头由转盘、滑环系统、软管托架、配管系统、配电系统等组成。

软钢臂是管状三角形框架，其鼻锥部位与单点系泊头转盘上的U型钩槽固定，并灌注环氧树脂，连接部分为可横摇和纵摇的绞接头，在框架两侧构件端部是2个压载水舱。压载舱直径为4 260 mm，长12 m，共有2个，每个舱内灌注压载液约173 t(147 m3)，压载液密度为1.19 t/m3，压载液中氯化钙与水的质量之比大约为 0.42∶1。软钢臂基本尺寸为35 000 × 30 000 × 5 260，质量181.2 t, 吊点水平间距为 24 000～27 000 mm。

FPSO解脱前需先将软钢臂内部的压载液排空，解脱后软钢臂压载舱部分浮在水中，软钢臂鼻锥的铰接头仍连在系泊头转盘凹槽上。拆除过程中，计划使用浮吊，利用钢丝绳分别与压载舱上的2个吊点与鼻锥上的1个吊点相连，先将软钢臂压载舱吊起至水平状态后，再借助千斤顶缓慢将软钢臂鼻锥和系泊头转盘凹槽分离，最后浮吊起吊整个软钢臂，将软钢臂从单点上拆除。

图1 FPSO单点系泊系统示意图

2)作业船舶及吊装索具。本次软钢臂吊装拆除的主作业船为“大力”浮吊，采用双主钩吊装，双主钩之间的间距为4.5 m，在40 m跨距时，双主钩的吊装能力为400 t，吊高距海平面约50 m，副钩最大吊装质量为200 t，软钢臂运输驳船为7 000 t自航驳。基于软钢臂约182 t的结构质量和“大力”主作业船双主钩的吊装方式，软钢臂吊装索具规格见表1。

表1 软钢臂吊装索具规格

2 SACS建模

根据设计资料，软钢臂是管状三角形框架，与单点连接部分为可横摇和纵摇的绞接头，在框架两侧构件端部是2个压载水舱。软钢臂结构的计算建模是一个三维框架结构，3根钢丝绳将结构与吊钩相连，设置2个弹簧单元，刚度为20 kN/m。软钢臂采用管单元及锥单元进行模拟，重量采用等效密度的方法实现。结构原点设置在软钢臂刚性臂中心线交点上，软钢臂原点示意图见图2。

图2 软钢臂原点示意图

吊点使用原有压载舱上2个吊点及鼻锥上的1个吊点，共计3个吊点，吊装时双主钩通过钢丝绳与吊点相连，双主钩位于重心上方，根据已确定的钢丝绳长度，确保所有工况中钢丝绳与水平面的夹角大于60°，通过SACS软件建模，软钢臂吊装模型示意图见图3，其中数字为杆件编号。

图3 软钢臂吊装模型示意图

3 计算及校核

1)计算标准。本次应力计算参考API RP 2A-WSD《Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design》(以下简称《标准》)。根据该《标准》的描述：对于在开敞暴露海域(即海上)进行的吊装，在设计吊点和形成与吊点相连的节点并将吊装力传递到结构内部的其它内部构件时，应使用最小为2.0的动态放大系数计算静载荷。对于所有其他的传递吊装力的结构构件，应使用最小为1.35的动态放大系数进行设计。

2)计算工况。假定软钢臂吊装拆除前，其内部的压载液已全部排尽。本次计算仅考虑软钢臂结构自身质量和软钢臂走道的质量，以及10%的质量不确定系数和锁具质量(约占软钢臂总质量的6%)，动态放大系数分别为1.35和2.00，本次吊装校核所涉及的工况见表2。

表2 校核所涉及的工况

3)钢丝绳应力校核。钢丝绳应力SACS模型计算结果见表3，钢丝绳应力安全系数校核结果见表4。由表3及表4可知，考虑软钢臂质量冗余系数为16%时，钢丝绳在1.35倍动态放大系数下的应力安全系数大于2.5，在2.00倍动态放大系数下的应力安全系数大于1.7，满足吊装安全要求。

表3 钢丝绳应力SACS模型计算结果

表4 钢丝绳应力安全系数校核结果

4)杆件应力校核。通过软件模型计算，按照杆件是否与吊耳直接相连进行区分，分别采用2.00和1.35倍的动态放大系数。与吊耳直接相连的杆件UC值计算见表5，不与吊耳直接相连的杆件UC值计算见表6。

从模型计算结果可知，软钢臂结构杆件的最大UC值为0.68，小于1.0，满足《标准》的要求。

5)吊装建议。通过SACS建模计算和安全系数校核，在确保了本次软钢臂拆除吊装中使用的所有索具及杆件的吊装强度满足要求的同时，也对吊装过程提出了补充性建议。①在实际吊装准备过程中，需确保钢丝绳与水平面的夹角大于60°；②计算过程中并未考虑风浪流对吊装的影响，应结合作业船舶能力，选择合适的海况进行作业，确保吊装过程中扒杆晃动小于5°。

通过对渤海某FPSO单点系泊软钢臂拆除吊装过程进行SACS建模和杆件应力校核计算，校核过程遵循《标准》，校核钢丝绳的受力以及与吊点相连杆件在2.0倍动态放大系数、其余杆件在1.35倍动态放大系数下杆件的应力UC值，确认了吊装过程中各部件的应力及强度满足《标准》要求。该方案不仅能够满足海上吊装作业的要求，还可为类似的海上结构件吊装拆除作业提供参考。

表5 与吊耳直接相连的杆件UC值计算

表6 不与吊耳直接相连的杆件UC值计算