某浮式生产储油船系泊系统配重块的改进设计

杨天笑，传 建，陈 池，陈 锋

(1.中海石油(中国)有限公司番禺作业公司，广东 深圳 518067；2.天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津300384)

某浮式生产储油船系泊系统配重块的改进设计

杨天笑1，传 建2，陈 池1，陈 锋1

(1.中海石油(中国)有限公司番禺作业公司，广东 深圳 518067；2.天津市海王星海上工程技术股份有限公司，天津300384)

以海洋石油111、116浮式生产储油船系泊系统所采用的螺栓压紧对开型配重块为基础，认真研究了该系泊系统近年水下检测报告，重点分析了螺栓压紧对开型配重块失效的原因，并在此基础上研发了锁销型配重块。该新型配重块在受力性能上彻底改变了现有配重块的设计思路，能有效抵抗恶劣的环境载荷，防止配重块脱落失效，从而大大提高了系泊系统的安全性。

FPSO；单点系泊系统；配重块；锁销型；技术改进

0 引言

配重块是垂悬线系泊系统的重要配件，它安装于海上浮式结构系泊腿位于海床或接近海床的锚链上，以提供系泊系统的恢复力，增加系泊腿系统的刚度。在使用时，由于风浪流的作用，浮体将产生6个自由度的运动。在恶劣的海况条件下，系泊腿位于海床附近的配重块将被反复提起离开海床，然后再砸向海床，配重块因此承受了很大的撞击载荷。如果配重块不能承受撞击载荷而出现破损或脱落，将严重影响系泊系统的安全。海洋石油111浮式生产储油船(以下简称HYSY111FPSO)在运营8 a年后发现62%的配重块丢失,海洋石油116浮式储油船(以下简称HYSY116FPSO)在运营3 a后发现27个配重块丢失；同时，发现多个配重块2个本体之间有明显的甚至很大的缝隙。由此可见，螺栓压紧对开型配重块的安全可靠性极低，急需研发一种新型配重块以保证系泊系统的运行安全。

1 原配重块失效原因分析

HYSY111FPSO、HYSY116FPSO系泊腿所使用的配重块均为螺栓压紧对开型，它们包括上下2块本体，锚链的1个链环位于本体之间的链环槽中，通过链环两侧和(或)穿过链环的螺栓将2块本体压紧固定。

图1为HYSY111FPSO现有配重块，图2为HYSY116FPSO现有配重块，均采用每边2个，共4个螺栓固定；后者比前者多了2个定位销，以限制2个本体之间水平平面的位移。

图1 HYSY111FPSO现有配重块

图2 HYSY116FPSO现有配重块

对2011年和2012年HYSY116FPSO的水下检测报告配重块的照片进行分析，总结出现有配重块失效的4个阶段：

第一阶段：图3(a)中显示的是正常的配重块，其上下2个本体的对开结合面紧密接触，没有间隙。但由于预张紧螺栓将随时间的推移，必然缓慢地“松弛”，作用于两个本体的螺栓的压紧力开始降低。

第二阶段：在撞击载荷的反复作用下，螺栓的压紧力开始消失，2个本体之间的接触面开始分离而出现微小的间隙。图3(b)中，配重块上下2个本体的对开结合面开始分开，形成一个很小的间隙，2个压紧螺栓还在。间隙产生后，配重块将不仅与海床发生钢对海床土壤的撞击，2个本体之间也将发生钢对钢的对撞。本体之间钢对钢的撞击力将远远大于其与海床的撞击力，因为钢的弹性模量远大于海床土壤的弹性模量，间隙扩展的速度大大加快。图3(c)中，配重块上下2个本体形成一个十分明显的间隙，2个压紧螺栓还在。在撞击载荷和海水腐蚀的共同作用下，(如焊接)开始动摇。

第三阶段：一个螺母防松措施最终失效，螺母松脱，压紧螺栓从配重块上脱落。图3(d)中，配重块上下2个本体的对开结合面分开，形成一个很大的间隙，一个压紧螺栓已丢失。

第四阶段：在撞击载荷和海水腐蚀的共同作用下，多个螺母松脱、螺栓脱落，最终导致2块本体分离，配重块从锚链上脱落。

图3 配重块水下检测照片

现有配重块失效的根本原因在于螺栓压紧对开型配重块的设计原理存在重大缺陷。众所周知，海洋工程水下构筑物的主要传力结构，尤其是承受动载和冲击载荷的传力结构，不宜采用压紧螺栓连接。这是因为即使只承受静载，压紧螺栓在使用的过程中也会缓慢松弛，导致张紧力降低；动载和冲击载荷将加速其进程，最终必将导致张紧力消失，螺母松脱失效。

2 锁销型系泊锚链配重块设计

锁销型系泊锚链配重块相对于现有配重块，主要从配重块的设计理念、连接形式和放松构造3个方面进行了改进。

锁销型系泊锚链配重块采用2个锁销将2个本体“锁”住。该型配重块将连接螺栓的受力状态从受拉改为受剪，锁销实际为一种剪力销。剪力销广泛应用于海洋工程水下卸扣和强力铰接接头。图4为海洋石油111号单点系泊系统(以下简称HYSY111STP)浮筒与系泊缆的强力铰接接头，其寿命超过20 a，承受的系泊拉力约15 000 kN。

锁销型系泊锚链配重块由上下2块本体、2个螺栓型锁销、1个中心定位销组成。

2.1设计理念

从设计理念上，锁销型系泊锚链配重块采用了两道防线、双重保险, 螺栓型锁销和带孔锁销凸块咬合设计形成了第1道连接防线；螺栓型中心定位销和锁销凸块咬合设计形成了第2道连接防线。锁销型系泊锚链配重锁构造图如图5所示。

图4 HYSY111STP浮筒与系泊缆的连接接头

图5 锁销型浮泊锚链配重量块构造图

2.2连接形式

从结构的连接形式上选择了更好的传力形式，锁销型系泊锚链配重块采用了“剪”型连接，颠覆了以往“拉”型连接的形式，能有效防止连接松动。锁销型连接图如图6所示。

图6 锁销型连接图

锁销型配重2个本体是通过2个“锁销”按“剪切”形式连接在锚链上的，克服了现有配重块“张拉”型连接的缺点。锁销所受载荷主要为剪切力，轴向的张紧力则很小甚至可以忽略。从连接的传力途径上，采用“剪切”型连接能有效弥补螺栓螺纹受力的弱点，提高配重块的安全度。

锁销型配重块锁销失效主要有螺母松脱造成锁销从孔中脱落、锁销被剪断、锁紧凸块断裂情况。只要采取常规的防松措施，螺母和锁紧螺栓就不会松脱。只要保证锁紧销和凸块具有足够的强度、不破断，销锁失效就不会发生。

锁销型配重的“中心定位销”贯穿2个本体中央，穿过置于锚链槽内的链环。中心定位销具有定位功能，也能承受拉力，是进一步保证配重块可靠性的“第二道防线”。

只有这2道防线都破坏，配重块才会脱落失效。

2.3放松构造措施

(1)对连接孔的加工精度进行严格控制，保证装配到位后结构整体受力均匀，防止在位使用时各部件松动、相互碰撞。

(2)对连接件进行特制——连接件的加工精度高于A级螺栓水平，不做表面热处理以保证连接件的机械性能。

(3)采用有效的防松动措施——销端部挤压或扩张方案。

在螺纹端的端部车出一段管的截面形式，安装螺母后采用从内向外挤压的方式将端部管头压变形，以实现限制螺母松动的目的。配重块放松构造措施如图7所示。

图7 配重块放松构造措施

2.4锁销型系泊锚链配重块缺点

锁销型系泊锚链配重块相对于现有的配重块方案来讲，由于材质要求高，铸造质量要求高，加工精度要求高，因此成本也相对略高。

3 结论

通过认真研究HYSY116FPSO系泊系统2011、2012年水下检测报告，分析了螺栓压紧对开型配重块失效的机理，在此基础上改进并设计出锁销型系泊锚链配重块。该配重块从设计、连接形式和放松措施上彻底弥补了原来配重块的不足，既解决了螺栓压紧对开型配重块脱落的难题，又方便了安装，以确保系泊系统寿命期间的安全性和可靠性。虽然该形式配重块在成本上相对于原配重块略高，但增加幅度不会超过20%，从项目安全的角度来讲是完全可以接受的。

[1]杨天笑，欧阳雄，陈如江，等.番禺油田系泊锚链配重块修复工程[J].中国海洋平台,2012,(6):5-10.

[2]严明，刘学涛，杨凯东，李鹏.配重块脱落对海洋石油111系泊系统的影响分析[J].中国造船，2012,(A02):106-111.

[3]杨天笑，黄三平，欧阳雄，陈池.海上浮式油轮系泊锚链用配重块：中国，201120564732.5[P].2012-09-05.

2013-12-15

杨天笑(1980-)，男，工程师，主要负责组织、实施开展海上油气田关键设施和水下设施运营期的维护和维修工程等工作。

U674.38

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