孫金麗，吳志星，郭志芳，潘 銳，趙瑞云

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

某深水油田項目3個井口產(chǎn)的油通過海底管線輸送到新建的FPSO，處理成合格原油后，合格原油存儲在FPSO的儲油艙內(nèi)，定期卸貨到穿梭油輪。目前海上石油開采產(chǎn)生的伴生氣除了少量用于發(fā)電和供熱外，大部分沒有被合理利用。伴生氣富含甲烷、乙烷、丙烷、丙烯、丁烷等碳?xì)浠衔?，其中C3、C4是可以進(jìn)行回收的有效成分[1]，也是清潔環(huán)保、應(yīng)用廣泛的重要燃料和化工原料。開展FPSO浮式LPG回收系統(tǒng)的國產(chǎn)化研究，擺脫國外相關(guān)技術(shù)壟斷，實現(xiàn)該項技術(shù)完全國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，對減少資源浪費和環(huán)境污染，提高油田產(chǎn)能，提高經(jīng)濟(jì)效益都具有較大的意義。

1 項目背景

該浮式LPG回收系統(tǒng)設(shè)置在深水油田新建的FPSO上，F(xiàn)PSO原油處理設(shè)備多、管線密集，可利用空間有限，而新增的浮式LPG回收系統(tǒng)撬塊多達(dá)7個，撬塊尺寸大、重量重、安裝位置高，對應(yīng)的管線多達(dá)138根。如何在有限的空間里，在遵循有關(guān)規(guī)范的前提下，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備布設(shè)，是總體設(shè)計時面對的難題。浮式LPG回收系統(tǒng)作為高技術(shù)含量、高附加值、高危險性的海洋工程裝備[2]，是首個國產(chǎn)化設(shè)計、建造、安裝的海上LPG回收系統(tǒng)。由于首次設(shè)計在布置工藝等方面前瞻性不夠，隨著詳細(xì)設(shè)計的深入開展，不斷發(fā)生各項變更，結(jié)構(gòu)設(shè)計返工。又局限于各種制約因素，只能對結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點進(jìn)行加強(qiáng)，設(shè)計非常規(guī)的組合梁以及訂制非標(biāo)徑厚比的水平支撐和豎直支撐。

2 總體布置局限性影響分析

2.1 雙塔影響

該浮式LPG回收系統(tǒng)處于FPSO搖擺工況下，脫丁烷塔為FPSO至高點?；A(chǔ)設(shè)計階段，脫乙烷塔、脫丁烷塔高度分別為21.50 m、25.50 m，后期詳細(xì)設(shè)計階段，從增加系統(tǒng)安全性及可靠性的方面考慮，改進(jìn)方案及措施，脫乙烷塔、脫丁烷塔高度分別增加至28.40 m、32.59 m，其內(nèi)徑由原來的1.6 m、1.3 m統(tǒng)一更改為1.4 m，屬于FPSO上典型的浮式細(xì)長塔高聳結(jié)構(gòu)。

此油田地處南海東部珠江口盆地，海況惡劣，浮式LPG回收系統(tǒng)自身六自由度搖蕩巨大，脫丁烷塔塔高32.59 m，而塔體直徑僅有1.4 m。極端工況下僅依靠自身支撐時,塔頂撓度大于H/200(H為塔高)，因此增加LPG工藝模塊框架對雙塔體的側(cè)向支撐尤為必要，主要作用是限制雙塔水平位移，使其在正常操作要求的合理范圍內(nèi)，同時又保證雙塔體升溫時可在豎向自由伸縮而不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)間的溫度變形應(yīng)力。

在基礎(chǔ)設(shè)計階段，未考慮扶塔和模塊集成，僅布置基本配套設(shè)備，因而基礎(chǔ)設(shè)計為2層平臺結(jié)構(gòu)。增加的扶塔功能，對LPG工藝模塊自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響巨大。圖1為浮式LPG回收系統(tǒng)示意圖，其中LPG工藝模塊利用長圓孔鞍座式滑動機(jī)構(gòu)扶塔和銷軸式導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)扶塔支撐脫乙烷塔、脫丁烷塔，此扶塔設(shè)計在國內(nèi)屬首創(chuàng)。LPG 工藝模塊高26.3 m，LPG 工藝模塊頂層標(biāo)高受到各類設(shè)備布置和管線的限制，考慮扶塔最佳位置，長圓孔鞍座式滑動機(jī)構(gòu)扶塔應(yīng)布置在脫丁烷塔、脫乙烷塔塔高的2/3處，銷軸式導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)扶塔應(yīng)布置在脫丁烷塔塔高的1/3。又綜合考慮設(shè)備、管道等因素，最終長圓孔鞍座式滑動機(jī)構(gòu)扶塔和銷軸式導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)扶塔位置統(tǒng)一在21.5 m處，本項目框架高度決定了扶塔位置并不在最佳位置，給LPG工藝模塊框架的計算和扶塔結(jié)構(gòu)疲勞計算提出了更苛刻的要求。

圖1 浮式LPG回收系統(tǒng)示意圖

雙塔上部設(shè)置扶塔裝置，與LPG 工藝模塊連接在一起。連接部位不僅考慮載荷的傳遞，而且要考慮載荷的周期性變化。雙塔的剛度、周期與LPG 模塊結(jié)構(gòu)的剛度、周期不同，雙塔和LPG 工藝模塊對不同的海況產(chǎn)生的響應(yīng)不同。塔器的疲勞分析不能單獨進(jìn)行，需要與LPG 工藝模塊結(jié)構(gòu)一起做整體復(fù)雜疲勞分析。

2.2 設(shè)備尺寸變化的影響

項目的專業(yè)配合與協(xié)同極其重要，相互間的需求與原則應(yīng)充分溝通。脫乙烷塔、脫丁烷塔作為浮式LPG回收系統(tǒng)的核心部件，塔器的尺寸最終確定后才可進(jìn)行后續(xù)塔內(nèi)器件的設(shè)計，進(jìn)而進(jìn)行脫丁烷塔回流罐、加熱器等設(shè)備的設(shè)計，包括設(shè)備尺寸、設(shè)備管口方位、設(shè)備負(fù)荷能力、系統(tǒng)總體控制等，而這些，直接決定LPG工藝模塊的結(jié)構(gòu)總體布置。LPG工藝模塊共有7臺設(shè)備，其名稱及布置見表1，其中設(shè)備底座標(biāo)高為設(shè)備相對于LPG工藝模塊結(jié)構(gòu)位置。

表1 工藝模塊設(shè)備名稱及布置

LPG工藝模塊層數(shù)的確定以及各層層間距的確定，主要考慮設(shè)備數(shù)量，設(shè)備的操作空間，設(shè)備必需的高度，電纜和管線的放置，結(jié)構(gòu)梁自身強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形所要求的最大高度，管線布置的需要。工藝設(shè)備按照施工流程緊湊布置，高度方向要符合工藝先后順序和工藝液位差要求，主要為以下3點：①塔底加熱器管線處塔盤高度應(yīng)高于加熱器內(nèi)部堰板高度；②塔頂冷凝器高度高于回流罐的高度；③回流罐高度高于回流泵中心線的高度。

LPG工藝模塊各水平片輪廓尺寸確定直接取決于上部設(shè)備的布置和干濕重。整橇處理設(shè)施緊靠管廊設(shè)施布置，利于工藝管線進(jìn)出，根據(jù)此設(shè)備尺寸和管線布置綜合確定LPG工藝模塊水平片尺寸，盡可能設(shè)備和結(jié)構(gòu)對稱布置，利于重控和吊裝。注意，脫乙烷塔加熱器(再沸器)、脫丁烷塔加熱器(再沸器)和脫丁烷塔塔頂冷凝器設(shè)備尺寸需考慮管束檢修方案，管束從殼程中抽出后需旋轉(zhuǎn)90°，橫移至平臺邊緣并送到底層甲板檢修區(qū)，LPG工藝模塊需預(yù)留出抽芯空間，需配合規(guī)劃出設(shè)備抽芯吊裝的走向以及抽芯路徑空間占位模型，設(shè)置倒鏈軌道梁，以及下放路徑中可拆卸梁，并鋪設(shè)卡子固定的鋼格柵，管束由倒鏈下放至底層模塊甲板。

2.3 集成度提高的影響

在詳細(xì)設(shè)計階段，考慮到FPSO空間緊張，要求LPG工藝模塊高度集成，結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，需要考慮因素較多，工藝設(shè)計較為復(fù)雜。浮式LPG回收系統(tǒng)要求LPG工藝模塊成橇設(shè)計，因成橇范圍擴(kuò)大，LPG工藝模塊結(jié)構(gòu)修改而修改浮式LPG回收系統(tǒng)的總體規(guī)劃、雙塔操作平臺、雙塔人孔、管線走向布局、管廊設(shè)計，塔器與模塊結(jié)構(gòu)之間的支反力后期多次反復(fù)核算。這些互相影響的因素，比如管道布置影響水平片選用型材、后期組合工字鋼只能改變翼緣和腹板的厚度來提高其強(qiáng)度、型鋼高度基本無法更改等，均需要在設(shè)計中予以考慮。

LPG工藝模塊上部設(shè)備及管線、閥門較多，基本載荷工況涉及到船體六自由度運動載荷、風(fēng)載荷、吊裝運輸、支座變形等?？紤]載荷組合工況下，進(jìn)行正常服役及極端環(huán)境的靜力計算、吊裝分析計算、疲勞計算，最終LPG工藝模塊設(shè)計為6層高的模塊結(jié)構(gòu)，尺寸為8.3 m×10.0 m×21.5 m，增加了橇塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造、吊裝、運輸?shù)碾y度。

2.4 布置方式的影響

浮式LPG回收系統(tǒng)北側(cè)和東側(cè)均為管廊，西側(cè)為油氣處理、公用系統(tǒng)設(shè)施，考慮LPG的高危性，浮式LPG回收系統(tǒng)布置在FPSO船首，4臺LPG儲罐于東側(cè)船首布置。緊挨LPG儲罐為浮式LPG回收系統(tǒng)。從整船工藝流程考慮，浮式LPG回收系統(tǒng)的原料進(jìn)出管線、熱油管線、放空管線等系統(tǒng)物料進(jìn)出口宜成排集中布置在浮式LPG回收系統(tǒng)北側(cè)，LPG產(chǎn)品輸出管線宜布置在東側(cè)。這樣布置成排美觀，便于管線管理。

LPG回收系統(tǒng)的細(xì)長高聳雙塔結(jié)構(gòu)，對船體六自由度運動的響應(yīng)顯得尤為重要。脫乙烷塔、脫丁烷塔近似布置在FPSO船體中軸線，緊靠船中間管廊布置，塔間距5 300 mm，中軸線布置大大降低了船體六自由度運動對塔結(jié)構(gòu)和塔工藝流程影響。

浮式LPG回收系統(tǒng)除雙塔外，其余設(shè)備設(shè)施組成一個工藝處理小模塊，工藝模塊最終設(shè)計為6個立柱的6層模塊結(jié)構(gòu)。模塊尺寸主要由設(shè)備和管線及工藝要求確定，由于FPSO空間受限，導(dǎo)致LPG長寬受限，模塊長度方向未沿著船體縱軸線方向。通過懸臂桁架將LPG工藝模塊與雙塔連接，并且依靠結(jié)構(gòu)短向剛度去支撐，從而給LPG框架結(jié)構(gòu)的靜力、疲勞等計算提出了新的要求。

此FPSO非普通船只，其保證15年不進(jìn)塢的強(qiáng)大單點系泊有其自身的運動特點，在浮式LPG回收系統(tǒng)整體的布置上應(yīng)充分考慮。

3 優(yōu)化設(shè)計

浮式LPG回收系統(tǒng)設(shè)計初期考慮不周難以避免，需不斷總結(jié)，掌握復(fù)雜載荷作用下，搖擺塔器等關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計技術(shù)，在高安全性、高緊湊型要求的FPSO上集成LPG模塊。

LPG工藝模塊與雙塔后期整合在一起進(jìn)行設(shè)計分析，后期優(yōu)化設(shè)計可以將此浮式LPG回收系統(tǒng)和船體支架連接設(shè)計。目前LPG模塊與脫乙烷塔、脫丁烷塔均位于FPSO上部模塊上。后期可考慮修改管廊位置，增加LPG工藝模塊與脫乙烷塔、脫丁烷塔的空間，從而可以將扶塔結(jié)構(gòu)設(shè)計成生根于上部模塊上，將LPG工藝模塊和雙塔連接成有機(jī)整體。LPG工藝模塊的水平片可以直接作為雙塔上操作平臺。另外，作為首個國產(chǎn)化項目，設(shè)計中關(guān)注于LPG工藝模塊對雙塔的扶持，忽略了塔與塔間、塔與LPG工藝模塊三者間的進(jìn)一步整合，后期優(yōu)化設(shè)計中也可進(jìn)行方案比選。