黄海龙，姜宇飞，廖立斌，李兰杰，郭永婕，沈 健，崔 敬

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

随着我国海洋石油工业水平的提高，海洋油气开发逐渐由浅海走向深海。FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生产储油装置）以其机动灵活性和本身具备油气处理储存能力的特点，越来越多地应用到深海油气开发工程[1]。

FPSO通过滑环连接在单点结构上，形成单点系泊系统，从而使滑环起到轴承的作用，帮助FPSO围绕单点360°回转，以降低风浪流对FPSO的影响[2]（图1）。滑环作为连接轴承，长期处于旋转状态，极易发生故障，需要定期进行拆装保养。常见的滑环高约1.5 m、重约9 t，需要使用专门的支撑框架进行拆装。

现有的滑环支撑框架一般为四边形整体框架，尺寸较大，不利于运输和海上吊装，而且支撑框架为整体结构，滑环只能从支撑框架顶部的较小开口进出，容易造成滑环法兰面磕碰，影响滑环的密封性能（图2）。另外现有的滑环支撑框架在使用时只能将滑环放置于支撑框架的底座上，滑环底部的配件只能在滑环从支撑框架中吊出并安装在单点结构上之后再进行二次装配和滑环性能海上调试，导致海上工作量大、时间长、滑环性能调试风险较高。

因此，设计一种小巧灵活、能够匹配不同尺寸的滑环、方便滑环进出且支持滑环提前装配调试的支撑框架，将会对FPSO的滑环拆装保养起到重要意义。

图1 FPSO单点系泊系统

图2 传统滑环支撑框架

1 支撑框架结构设计

1.1 确定设计目标

首先支撑框架在携带滑环进行吊装时，要满足结构强度要求；其次支撑框架需要设计成活动式，方便滑环的进出，避免磕碰法兰；再次支撑框架内设计滑环承托支架，使滑环及其底部配件能在支撑框架内完成装配和调试，减小海上工作量；最后在满足以上目标的情况下，优化支撑框架形状，使尺寸尽量缩小，方便运输和吊装。

1.2 确定结构形式

支撑框架主要由十字底座、多边形框架和滑环承托支架组成，十字底座为2根H形钢焊接而成（图 3）。

多边形框架由4根方钢管立柱、2层多边形水平框和内嵌式吊点组成（图4）。多边形框架为分体结构，一侧是固定式，一侧是活动式，固定侧与活动侧依靠合页连接和螺栓连接，活动侧的立柱下部是断开形式，由螺栓进行连接。其中4根方钢管立柱与2层多边形水平框焊接连接，4个内嵌式吊点焊接在4根方钢管立柱顶端的内侧，用于支撑框架吊装，还可用于滑环置于支撑框架内运输时对滑环进行绑扎固定。

图3 支撑框架整体结构

图4 多边形框架

滑环承托支架由4根斜向方钢管和1个法兰面焊接而成（图5）。滑环承托支架4根斜向方钢管底部通过螺栓与十字底座连接，可以根据不同尺寸的滑环预制相应尺寸的滑环承托支架。

2 支撑框架工作原理（图6）

图5 滑环承托支架

图6 支撑框架工作原理

（1）预制与滑环尺寸相配套的滑环承托支架，将滑环承托支架用螺栓连接在支撑框架十字底座上。

（2）松开多边形框架活动侧的所有螺栓，将多边形框架活动侧绕着合页旋转打开。

（3）将滑环放置于滑环承托支架的法兰面上，并用螺栓将其固定，随后利用滑环承托支架下面的空间安装滑环底部配件和对滑环进行调试，使滑环性能达到要求。

（4）将多边形框架活动侧绕着合页旋转关闭，再将活动侧的所有螺栓紧固。

（5）在内嵌式吊点上布置索具，将携带滑环的支撑框架吊装至单点上。

（6）打开多边形框架活动侧，松开法兰面上的螺栓，取出滑环，回收支撑框架。

图7 支撑框架结构尺寸

3 支撑框架强度性能分析

以渤海某油田单点更换旧滑环为例，校核携带滑环的支撑框架吊装强度。

3.1 建立仿真模型

支撑框架高度2.8 m，宽度2.436 m，需要携带的旧滑环重约9.18 t（图7）。

利用SACS钢结构分析软件对支撑框架和吊装索具进行建模（图 8）。

对模型中的吊钩点999上实施全约束的边界条件，在模型中的滑环位置00上施加集中力-90 kN来模拟旧滑环的重量，对支撑框架自重添加1.05倍的不确定系数。由于此次分析的是开阔海域吊装强度，因此校核与吊点相连的构件时需要添加2倍动荷载系数，校核其他构件时需添加1.35倍动荷载系数[3]。

图8 3D模型

3.2 吊装仿真结果

对基本工况进行组合（表1）。将组合好的工况输入软件，计算完成后进入后处理中查看结果。支撑框架强度结果如表2所示，支撑框架最大节点位移结果如表3所示。其中，支撑框架最大UC值为实际应力值与许用应力值之比。

表1 工况组合及受力分析

表2 组合荷载COM1条件下的支撑框架强度

从表3可以看出，在考虑1.05倍不确定系数和2倍动荷载系数情况下，支撑框架最大UC值（实际应力值与许用应力值之比）为 0.30（＜1），最大节点位移为-0.051 2 cm（较小），满足规范要求。仿真结果表明此种结构形式的滑环支撑框架能够满足吊装强度要求。

表3 最大节点位移结果

4 总结

采用分体结构形式设计的多边形活动支撑框架，不仅可使滑环快速装卸，而且避免了滑环法兰面的磕碰，同时支撑框架内设计可拆卸式滑环承托支架满足滑环及其底部配件提前装配调试，从而有效的提高海上施工效率。并运用钢结构分析软件SACS进行吊装强度分析，仿真结果均符合要求，能满足滑环在支撑框架内的吊装要求。