楊 健，郗厚巖，王 屹，高 飛，賈 鋒

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116013）

單點系泊系統(tǒng)是利用塔架或浮筒安裝錨鏈等系泊結構將浮式生產儲油裝置（FPSO）連接至固定或浮式結構上，在風浪流等外部荷載環(huán)境作用下，通過位移偏移來提供水平回復力的一種系泊方式。軟剛臂單點系泊系統(tǒng)為塔架式系泊系統(tǒng)結構的一種。鉸接結構是單點系泊系統(tǒng)的核心部件，具有設計難度大、制造工藝復雜等特點，一直被國外幾家公司，如SBM公司、SOFEC公司和Blue water公司作為核心技術長期封鎖和壟斷［1-4］，設備價格高昂，供貨周期長。因此打破國外技術壟斷，實現鉸接頭國產化意義重大。近年來，國內學者對單點系泊系統(tǒng)進行了相關研究。金鋒等［4-5］通過保辛多體動力模型計算得到系泊系統(tǒng)的系泊力，胡勇等［2］通過建立ADAMS模型分析單點系泊系統(tǒng)的運動特性，但僅針對單點系泊系統(tǒng)進行整體分析。

筆者參考BZ-28-2S單點系泊系統(tǒng)的數據資料［6］，依據不同的工況條件，采用有限元ANSYS分析軟件對單點系泊系統(tǒng)的鉸接結構進行有限元仿真分析，得到每個鉸接接頭的分析結果，可為鉸接結構的研發(fā)設計提供參考，有助于打破國外壟斷，掌握單點系泊系統(tǒng)的核心技術，不斷提高單點系泊系統(tǒng)的設計、建造能力。

1 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)簡介

軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的定位能力是保證FPSO船體海上油氣安全作業(yè)的關鍵。軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的系泊原理類似彈簧系統(tǒng)，在海洋環(huán)境荷載風浪流的作用下，利用Yoke壓載艙內注水配重為FPSO船體提供水平回復力，將FPSO船體拉近或者推離單點系泊平臺，從而完成系泊定位功能。

軟剛臂單點系泊系統(tǒng)鉸接點位置分布情況見圖1，鉸接點自由度見表 1。表 1中x、y、z分別為x、y、z 軸方向移動的自由度，Rx、Ry、Rz分別為繞x、y、z軸方向轉動的自由度，×表示限制該方向的運動約束，√表示允許該方向的運動約束。

圖1 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)鉸接點位置分布圖

表1 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)鉸接點自由度

FPSO船體與系泊支架剛性連接。Arm link上端與系泊支架通過雙鉸軸相連接，采用U型聯(lián)軸節(jié)結構形式，釋放橫搖和縱搖2個方向的自由度約束。Arm link下端與Yoke壓載艙通過三鉸接軸相連接，采用U型聯(lián)軸節(jié)結構形式，釋放橫搖、縱搖和軸向轉動3個方向的自由度約束。Yoke壓載艙另一端與單點轉塔通過主鉸接結構和滑環(huán)相連接，釋放橫搖、艏搖和滑環(huán)回轉3個方向的自由度約束。

2 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)力學模型

系泊剛度K是表征單點系泊系統(tǒng)系泊能力的核心指標，依據美國石油協(xié)會（API）推薦的系泊力計算方法［7］，系泊剛度由 FPSO船體所承受環(huán)境力、FPSO船體縱蕩的高低頻運動位移值以及系泊系統(tǒng)的特性曲線決定，理論計算復雜。筆者將軟剛臂單點系泊系統(tǒng)模型簡化為靜態(tài)的結構力學模型（圖2），依據軟剛臂單點系泊系統(tǒng)結構幾何關系以及力和力矩平衡關系，推導出系泊系統(tǒng)的水平回復力，最終得到系泊剛度值［8-10］。

圖2 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)結構簡化力學模型

軟剛臂單點系泊系統(tǒng)結構之間存在以下幾何關系：

式（1）～式（2）中，L為FPSO船體與系泊塔架之間的水平距離，LY3為Yoke壓載艙兩端點的軸向距離，LR為系泊腿兩端點的軸向距離，HAC為Yoke壓載艙鉸接點C與系泊腿鉸接點A之間的垂直距離，m；α為 B、C兩點連線與水平面之間的夾角，β為B、C兩點連線與Yoke壓載艙軸線之間的夾角，γ為系泊腿兩鉸接點連線與垂直線之間的夾角，（°）。

軟剛臂單點系泊系統(tǒng)力及力矩平衡關系：

式（3）～式（5）中，RAx、RAz分別為系泊腿受到的FPSO 船體支架在 x、z方向的回復力，RCx、RCz分別為系泊塔架與Yoke壓載艙連接處所受x、z方向的力，GR為系泊腿的重量，GB為Yoke壓載艙內注水配重的重量，GY為 Yoke壓載艙的重量，N；LY1為鉸接點C到Yoke壓載艙重心之間的軸向距離，LY2為鉸接點C到Yoke壓載艙注水配重重心之間的軸向距離，m。

依據式（5）推導出A點水平回復力RAx：

則系泊剛度K為：

式中，x1為FPSO船體離開平衡位置后與Arm link垂直狀態(tài)之間的距離，m。

3 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)鉸接點有限元計算分析

3.1 材料性能

考慮軟剛臂單點系泊系統(tǒng)長期承受風浪流等交變載荷、海水腐蝕性高及溫差大等環(huán)境特點，初步確定鉸接頭材料選用可適應低溫環(huán)境的鐵素體類低溫鋼 ASTM A352 LCC［11-12］。聯(lián)結軸主體選用壓力容器用經淬火和回火真空處理的碳素鋼與合金鋼鍛件ASTM SA508［13］，聯(lián)結軸表面鍍有鎳鉻鐵合金材料，具有耐腐蝕性好、強度高及抗氧化性能良好等特點［14］。軟剛臂單點系泊系統(tǒng)零部件材料性能見表 2［15］。

表2 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)零部件材料性能

3.2 載荷工況

軟剛臂單點系泊系統(tǒng)上、下部鉸接點不同工況載荷見表3。表3中Fleg2=FL2+Fy2。上、下部鉸接點局部坐標系及旋轉方向示意圖見圖3和圖4。圖3和圖4中Fx為鉸接點縱搖軸作用在Yoke壓載艙上的x向載荷，Fz為鉸接點受到橫搖銷軸的z向載荷。

圖3 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)上部鉸接點局部坐標系及旋轉方向示圖

圖4 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)下部鉸接點局部坐標系及旋轉方向示圖

表3 軟剛臂單點系泊系統(tǒng)上下部鉸接點不同工況載荷

3.3 有限元結果分析

3.3.1 上部鉸接點

將4組典型工況的上部鉸接點載荷數據作為輸入量，采用ANSYS有限元分析軟件計算得到了鉸接頭、聯(lián)結軸的應力和變形，見表4。表4中σmax為最大正應力，τmax為最大切應力。分析表3和表4的數據，發(fā)現系泊腿的軸向力Fleg對鉸接點強度和剛度影響較為明顯。工況1下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)上部鉸接點正應力云圖見圖5。

圖5 工況1下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)上部鉸接點正應力云圖

表4 不同工況下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)鉸接點對應應力及變形

按照SY/T 10032—2000《單點系泊裝置建造與入級規(guī)范》［16］，設計中選取鉸接頭的安全系數為1.67，切應力安全系數為2.5，得到許用應力［σhinge］=165 MPa、許用切應力［τhinge］=110 MPa。工況1、工況3下鉸接頭的最大正應力分別為241.01 MPa、212 MPa，均大于［σhinge］；工況 1、工況3下鉸接頭的最大切應力分別為139 MPa、122 MPa，均大于［τhinge］，說明上部鉸接點配合孔內表面區(qū)域存在應力集中。對鉸接頭模型進行倒角處理后，鉸接頭的最大正應力σmax=162 MPa＜［σhinge］、最大切應力 τmax=94 MPa＜［τhinge］，鉸接點設計滿足輸入數據和強度要求。因此，設計鉸接頭時可對配合孔棱邊進行倒角處理，以避免產生應力集中。

設計中選聯(lián)結軸的安全系數為1.67，切應力安全系數為 2.5，得到許用應力［σshaft］=206 MPa、許用切應力［τshaft］=138 MPa。工況1下聯(lián)結軸的最大正應力σmax=133 MPa＜［σshaft］，最大切應力τmax=73 MPa＜［τshaft］，說明設計的聯(lián)結軸能夠滿足鉸接點的設計指標以及強度和剛度要求。

3.3.2 下部鉸接點

有限元分析計算得到的軟剛臂單點系泊系統(tǒng)下部鉸接點不同工況對應的應力和變形見表4。工況1下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)下部鉸接點正應力云圖見圖6。

圖6 工況1下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)下部鉸接點正應力云圖

從表4數據看出，4種工況下下部鉸接點鉸接頭所受最大正應力均大于 ［σhinge］=165 MPa，最大切應力均大于或逼近［τhinge］=110 MPa，說明下部鉸接點配合孔內表面區(qū)域存在應力集中。對鉸接頭模型進行倒角處理后，鉸接頭最大正應力σmax=137 MPa＜［σhinge］、 最大切應力 τmax=78 MPa＜［τhinge］，鉸接點設計滿足強度和剛度要求。因此，設計鉸接頭時可對配合孔棱邊進行倒角處理，以消除應力集中。工況1中，聯(lián)結軸所受最大正應力 σmax=133 MPa＜［σshaft］=142 MPa，聯(lián)結軸設計結構滿足強度和剛度要求。

依據上部鉸接點、下部鉸接點的受力載荷，結合4種典型工況，由應力計算結果可知，在系泊腿所受載荷相近的前提下，下部鉸接點所受最大正應力為260 MPa，上部鉸接點所受最大正應力為241.01 MPa，下部鉸接點最大變形量7.6 mm，上部鉸接點最大變形量8.3 mm，表明在相同工況下，系泊腿下部鉸接點比上部鉸接點更易產生疲勞損壞。

4 結語

鉸接結構是單點系泊系統(tǒng)的核心部件，開展對軟剛臂單點系泊系統(tǒng)鉸接結構的計算分析，可為鉸接結構的材料選型、工藝研究提供支持，研究結果表明，①4種不同工況下，鉸接點配合孔內表面區(qū)域應力均較大，存在應力集中。對模型進行倒角處理后，鉸接點設計滿足輸入數據、強度和剛度要求，驗證了鉸接結構尺寸和材料的合理性。②4種不同工況下，來自系泊腿的軸向力對鉸接點強度和剛度影響較為明顯。③在輸入計算指標相近的前提下，系泊腿下部鉸接點產生的應力比上部鉸接點的大，下部鉸接點更容易產生疲勞損壞。