內轉塔式單點系泊系統設計方法研究

白雪平，李 達，范 模，易 叢，鄒 星

(中海油研究總院，北京 100027)

隨著國內海洋事業的不斷發展，海洋開發逐漸轉向東海和南中國海海域，FPSO 作為海上油氣田的主要生產設施，對海上油田開采起著至關重要的作用。根據不同的海域和海況條件，目前世界上的FPSO 主要采用以下三種定位方式:單點系泊系統、多點系泊系統以及動力定位系統。在世界上環境條件最惡劣的三大海域(北海、墨西哥灣和南中國海)，幾乎所有的FPSO 都配置內轉塔式單點系泊系統。雖然南中國海由于風浪流等環境參數極為惡劣，環境條件的方向性不明顯，但內轉塔式單點系泊系統在南中國海具有多年安全生產的經驗，因此其成為了南中國海FPSO 定位的最佳選擇。內轉塔式單點系泊系統承擔著FPSO 定位、油氣水生產及信號傳輸功能，并使FPSO 具有了風向標效應，這樣FPSO 能夠隨著風浪流進行360°回轉，且在各種風浪流作用下FPSO 的受力最小［1］。

圖1 恩平24-2 油田主要工程設施Fig.1 The main engineering facility of Enping 24-2 oilfield

以恩平24-2 油田FPSO 單點系泊系統為例，介紹內轉塔式單點系泊系統的設計方法，為今后南中國海內轉塔式單點系泊系統設計提供一定的借鑒。恩平24-2 油田位于南中國海珠江口盆地北部坳陷帶西南緣恩平凹陷南部，在地理上屬于南中國海北部大陸架，油田所在海域水深約90 m。根據恩平24-2 油田開發的需要，其主要工程設施確定為:1 座8 腿鉆采平臺，設計年限25年;1 艘15 萬噸級FPSO 及1 套單點系泊系統，設計年限30年;1 條2.2 km 海底混輸軟管，動態段與靜態段靠水下基盤連接，設計年限25年;1 條2.2 km 海底復合電纜，設計年限25年(如圖1 所示)。

1 單點系泊系統總體規劃

1.1 單點的選型

單點系泊系統設計和FPSO 船體設計是一個相互配合的過程，單點系泊系統的總體布置和重量直接影響著FPSO 船體甲板布置和船體性能，同時船體的性能又影響著單點系泊纜的受力。目前，單點設計均由單點公司承擔，且由于專利件較多，其核心技術仍為單點公司所壟斷。從以往中海油新建FPSO 的實際情況來看，一般都在基本設計階段后期才開始啟動單點招標工作，而此時船體已經進行到基本設計，這樣給船體設計帶來一定的障礙，因此在基本設計階段甚至更早(概念設計)開展單點初步設計顯得尤為重要。恩平24-2油田開發項目在基本設計階段開展了單點的初步設計，這是中海油建造FPSO 項目中首次在基本設計階段開展相關工作。

恩平24-2 FPSO 所在區域水深為87.1 m，其具備油氣水生產處理、原油儲存和外輸、電力供應等功能，船體主要設計參數如表1 所示。

表1 恩平24-2 FPSO 船體主要設計參數Tab.1 The main design parameters of the EP24-2 FPSO 參數

南中國海共有9 艘FPSO，均為內轉塔式單點系泊系統，其中有4 艘新建FPSO 為內轉塔式永久單點系泊系統，臺風期間FPSO 不解脫，但關井、停產、人員撤離。由于其具備在南中國海操作維護經驗豐富、適應極端海況能力強、通道數量限制低等優勢，確定為恩平24-2 FPSO 的單點系泊型式［2-3］。眾所周知，南中國海屬于臺風頻發區，FPSO 頻繁地解脫和回接必然帶來油田長時間的停產和高昂的回接費用，為了應對南中國海緊急狀況和維修的需要，內轉塔式單點應盡量設計成具有解脫功能:解脫程序為人工操作，保證24 小時內解脫，因此，針對南中國海惡劣的環境條件，具有解脫功能的內轉塔式永久系泊系統是最適宜南中國海FPSO的單點形式［4］，它既能抵抗南中國海惡劣的環境條件，又能在突發或者維修情況下能快速解脫，同時也是恩平24-2 油田兼顧經濟性、技術可行性和安全性的最佳選擇。

根據恩平24-2 油田開發方案，兼顧區域開發的潛在需求，進一步完善了單點的功能:根據FPSO 的處理能力，以及周邊油田的輸送需求，單點液體滑環數量確定為1 用2 備;根據FPSO 上最大的電力輸送能力，35kV 高壓電滑環確定為1 用1 備;根據平臺與FPSO 間通訊要求，通訊滑環確定為1 套，含36 路信號;根據油田生產安全和海域基礎資料搜集的需求，設置1 套在線監測系統，監測風浪流環境條件、FPSO 運動軌跡以及單點系泊纜的受力，為生產維護提供指導，為以后項目積累原始數據。

1.2 單點總體布置

根據單點廠家的不同，南中國海FPSO 的滑環模塊有兩種布置:一是布置在船體甲板上(SBM/SOFEC/BLUEWATER 公司);二是布置在船艙內(APL 公司)。對于布置在船體甲板上的滑環模塊，由于維修和操作在露天進行，便于維修和操作，但占用空間較大，甲板布置緊張，且容易受風浪影響;而布置在船艙內的滑環模塊由于操作空間相對封閉，不利于安全，但能節省空間，有利于甲板布置，且易于建造和安裝。在恩平24-2 FPSO 初步設計階段，考慮易于檢驗、維護、維修，以及FPSO 有富裕的甲板面積，因此推薦將滑環模塊布置在艏樓甲板上。

根據恩平24-2 單點初步研究成果，內轉塔永久式單點系泊系統由單點浮筒、分離器、轉塔結構、立管甲板、收球甲板、滑環模塊和龍門結構組成(如圖2 和圖3 所示)，系泊纜、立管和電纜在安裝時預先連接固定在浮筒上。單點艙月池直徑約9 m，滑環模塊布置在甲板上，浮筒、分離器和轉塔結構位于船體單點艙內。由于系泊纜、立管和電纜自重較大，使得浮筒直徑較大，為10.5 m;單點浮筒自重為402 t，凈浮力約350 t;浮筒與上部結構的鎖緊結構為常規設計的鑄造件。系泊纜布置和錨鏈拖拉布置確定了內轉塔尺寸，初步設計階段規劃出內轉塔直徑為7 m;由于較大的系泊荷載，內轉塔安裝精度非常重要，需要配置較大的滾珠軸承(直徑為7.8 m);此外單點艙、船體甲板處主軸承和下部軸承處均需要加強。

圖2 單點組成Fig.2 Combination of single point system

圖3 單點總體布置示意Fig.3 General arrangement of single point system

1.3 單點解脫和回接

內轉塔式系泊系統一般可以分為永久式系泊系統和可解脫式系泊系統，這兩種單點系泊系統在南中國海都應用很成功，近幾年由于技術可行且油田生產效率高，永久式單點系泊系統被大量采用;可解脫式系泊系統需要匹配可自航FPSO，每年僅使用幾次航行，FPSO 投資大，效能低。恩平24-2 FPSO 采用帶解脫裝置的永久式系泊系統，主要考慮是:一旦環境條件超過設計工況后，也能解脫;二是FPSO 需要解脫進塢維修后再連接時，各系泊纜無需再進行一次海上連接，通過錨機提拉浮筒而實現整體連接，在較短時間內完成海上解脫和回接工作，從而縮短了油田的停產時間。它與傳統意義上可解脫式單點系泊系統有些區別，不需要采用快速解脫裝置;它的不足之處是投資大，使用機會少。

綜合考慮到南中國海海域環境條件和工程船的操作限制，單點的解脫和回接限制環境條件為:有義波高2 m，1 分鐘平均風速10 m/s，表層流速為0.5 m/s。針對恩平24-2 單點浮筒，采用Orcaflex 軟件進行動態分析，從圖4 所示的分析結果發現:浮筒位于水面以下15 m 處，單點浮筒所需要的絞車力達到最大為530 t，同時由于FPSO 的偏移大大影響了錨機的能力，因此建議解脫和回接時FPSO 的最小吃水應為15 m，以減少絞車力，并盡量使浮筒與FPSO 之間的相對距離最小。單點浮筒解脫時，浮筒內充入壓載水，系泊纜、立管和電纜將連接在浮筒轉盤上，考慮到結構的自身重力和浮力作用，從圖5 中顯示浮筒位于水面以下40 m 處達到平衡，而且單點浮筒從水面以下15 m 解脫至40 m 處所需時間約為15 s。

圖4 不同浪向下系泊絞車最大張力Fig.4 Winch dynamic tension in different wave headings

圖5 浮筒解脫后的軌跡圖Fig.5 Dropped buoy orbit

2 單點系泊系統設計方法研究

2.1 單點系泊系統設計方法

從南中國海多條FPSO 的單點故障中不難發現，單點系泊系統的主要破壞形式是系泊纜的破環，而究其主要原因則是原有單點系泊系統的設計缺陷和惡劣海況的頻發。因此，設計階段需結合目標海域海況特點，采用最優的設計方法來進行系泊系統評估。

針對恩平24-2 油田的特性，單點系泊系統設計難點在于:

1)采用500年一遇環境條件設計。由于最近幾年南中國海FPSO 頻發的單點事故及惡劣海況時有發生，甚至會出現超過百年一遇的極端環境條件。按照500年一遇的極端環境條件，即有義波高Hs為14.2 m，流速2.3 m/s，風速58 m/s，可以使新建FPSO 適應南中國海不同區域惡劣海況的要求，有效降低惡劣海況下FPSO 安全事故發生的可能性，但FPSO 將經受較強的波流耦合作用，波浪慢漂力將會很大，將會使得系泊纜的尺寸增大。

2)安裝海域水深淺。恩平24-2 油田水深只有87.1 m，加上500年一遇的惡劣環境條件，系泊系統設計時必須考慮淺水的影響，這樣恩平單點系泊系統就成為最難設計的系泊系統:懸鏈線效應將無法發揮其長處，在FPSO 運動的作用下，懸鏈線將會迅速全部拉緊，拉力將成指數增長。

3)由于單點具有解脫功能，因此系泊系統設計還需考慮解脫和回接工況的各種要求。

各個系泊系統設計規范［5］都對設計方法進行了相關的規定，對于采用動力分析方法的安全系數，各規范規定幾乎一致，對于完整狀態的安全系數須不小于1.67，破損狀態安全系數不小于1.25。恩平24-2 內轉塔式單點系泊分析初步設計階段采用了準動力分析方法，使用時域和頻域綜合分析的方法求得計算結果，系泊纜的張力是按導纜孔處的準靜力響應而得到，此方法對于淺水系泊系統具有足夠的精度，在南中國海FPSO系泊系統設計中得到了較好的應用，但恩平24-2 海域單點系泊系統分析需考慮淺水和五百年一遇的惡劣環境條件，對于系泊纜的張力，需進行動力放大得到系泊纜的動力響應結果。此外，在系泊纜張力滿足規范所要求的最小安全系數的前提下，應盡量減少FPSO 的位移，降低動態立管和電纜的設計難度。

2.2 系泊系統總體布置

對于內轉塔式系泊系統，系泊纜的布置可以采用兩種模式:分組模式和均布系泊模式。這兩種形式的布置方式在南中國海FPSO 上均有使用，但相關研究結果表明:分組式系泊的最大張力比均布式系泊小20%;分組式系泊的FPSO 在惡劣環境下的最大偏移量比均布式小5%，因此分組式系泊模式有更多的冗余防止系泊失效。另外，采用分組式系泊，組與組之間有較大的空間來布置立管和電纜。

由于南中國海臺風的方向性是多變的，它會以意想不到的方向到達FPSO 所在海域，這將導致均布式系泊系統不再滿足設計要求而損壞，因此恩平24-2 系泊系統設計綜合考慮極端環境條件、立管和電纜布置的需要、海上安裝工程量等因素，采用3 組×4 根系泊纜布置(如圖6 和圖7 所示)，組與組之間的夾角是120°。

圖6 系泊系統總體布置Fig.6 General arrangement of mooring system

圖7 單點系泊系統立體圖Fig.7 Effect drawing of mooring system

2.3 系泊纜設計

系泊纜的組成取決于環境條件和水深，其有兩種組合形式:①錨鏈和鋼纜;②錨鏈和合成纖維纜。聚酯纜是目前在工程中使用最多的合成纖維纜，根據研究結果表明，對于深水、環境條件惡劣的系泊系統，錨鏈和聚酯纜組合的系泊纜是最經濟的，聚酯纜的優越性將隨著水深的增加而增加。由于恩平24-2 FPSO 屬于淺水永久系泊，系泊纜需長久與海底接觸，而聚酯纜具有拉力特性，且容易產生蠕變，對淺水系泊的整體性是不利的，因此恩平24-2 單點采用錨鏈和鋼纜組合的系泊纜，既能降低系泊纜重量，提高系泊性能，又能在一定程度上減少工程投資。

由于系泊纜的長度與水深、FPSO 噸位、環境條件、系泊纜的構造和錨的形式有密切關系，因此也是系泊分析一個優化的技術指標。恩平24-2 單點系泊系統屬于淺水系泊，系泊纜自身幾何變形引起懸鏈線形狀的變化是有限的，此外為了防止在錨點處產生上拔力，因此需要足夠長的系泊纜，以使部分系泊纜臥地來補償FPSO 的運動，降低系泊纜的動載荷。錨鏈由于其重量大，恢復力大，耐摩擦，且與FPSO 相連一端需使用止鏈器，所以考慮在系泊纜的兩端采用錨鏈。鋼纜由于其重量輕且價格便宜，工程應用較廣，而對于懸鏈線部分，采用鋼纜，尤其在FPSO 解脫時，將減少系泊纜的重量，但是鋼纜不耐磨，加上淺水，鋼纜的使用就有其局限性，另外也將帶來系泊系統額外的復雜性和安裝難度，因此系泊纜懸鏈線部分不考慮使用鋼纜，只在臥地纜部分考慮鋼纜。對于臥地部分的鋼纜，即使在大風暴情況下，可能會從海底拉起，但此時系泊纜處于幾乎拉直狀態，觸地點處的鋼纜彎曲將會很小。綜合考慮錨鏈和鋼纜的特性，因此恩平24-2 單點系泊纜采用錨鏈—鋼纜—錨鏈的組合，根據設計成果得知，除了702 m 臥底鋼纜外，其他均為錨鏈，半徑1 200 m(如圖8 所示)。

在系泊分析時系泊錨鏈(系泊鋼纜由于有保護套，不考慮腐蝕裕量)破斷強度要根據相應設計年限的腐蝕裕量進行折減，在腐蝕裕量的考慮上，不同規范有不同的要求。事實上，根據南中國海操作維護經驗，錨鏈腐蝕問題并不嚴重。綜合規范規定、南中國海使用經驗等因素，確定了錨鏈腐蝕裕量按照0.3 mm/a 設計，并根據要求定期檢測，腐蝕達到更換條件時及時更換。

圖8 系泊纜的組成Fig.8 Combination of mooring line

系泊系統剛度決定了系泊纜受力和船體的偏移，剛度太大，會產生更大的系泊力;剛度太小，浮體運動劇烈，因此剛度要適中，且剛度曲線應盡可能平滑，圖9 為恩平24-2 FPSO 滿載工況下的系泊系統剛度曲線。由于淺水惡劣環境條件下，波流耦合作用將帶來較大的慢漂運動，這樣系泊纜張力將會很大。為了增加單點系泊系統的恢復力，降低FPSO 的偏移和系泊纜受力，防止錨點處的上拔力，需對系泊纜進行適當增加配重，可增加臥地纜重量，縮短臥地纜的長度。通過對單位長度配重塊重量的敏感性分析，得出隨著單位長度重量的增加，FPSO 的偏移量減小，而在系泊纜完整狀態下系泊纜的平均受力有所增加，極限張力卻有所下降，綜合考慮系泊纜的受力和FPSO 的偏移，初步設計階段考慮單位長度配重塊重量為1.3 t。根據單點系泊系統分析方法，系泊系統分析結果如表2 所示，安全系數滿足規范要求［6］，FPSO 的偏移量滿足動態立管和電纜的設計要求。對于配重塊的結構設計，如果設計不當很容易導致在未來的使用過程中脫落，從而降低系泊系統的能力，從南中國海單點故障中不難發現，FPSO 存在配重塊丟失的現象，因此配重塊連接形式的選擇就變得尤為重要。恩平24-2 單點初步設計階段，考慮配重塊制造能力和系泊纜組成，選用的配重塊形式如圖10 所示。

表2 恩平24-2 單點系泊系統分析結果Tab.2 Results of EP24-2 mooring system

圖9 滿載工況下系泊系統剛度曲線Fig.9 Stiffness curve of mooring system in the full condition

圖10 配重塊形式Fig.10 The shape of weight

恩平24-2 系泊纜的設計年限為30年，因此系泊纜需長時間經受南中國海惡劣環境條件的考驗，系泊纜的疲勞問題也將發生，而系泊纜的疲勞壽命基本上與設計年限成正比，過大的設計年限將導致系泊系統材質選擇困難，從而增大系泊纜投資。系泊系統的疲勞分析一般采用T-N 曲線方法，且應該考慮所有設計工況對疲勞損傷影響明顯的荷載。針對恩平24-2 FPSO 具有單點系泊的船體，應考慮風向標效應，進行浪向分析，以計入慢漂和波浪偏離船艏的影響;考慮環境參數的概率分布，以反映實際場址以及系泊條件的影響。在分析時需結合目標海域各方向下的波浪超越概率和風浪流的概率分布進行全方位的篩選［7］。根據本文的研究，得出恩平24-2 系泊系統最小疲勞壽命為467.5 a，滿足規范要求。從南中國海系泊纜疲勞破壞原因中發現，過去的系泊系統中靠近海底段的系纜端部未安裝限彎接頭，導致靠近海底的系泊纜重復性與海底碰撞造成磨損，加速銹蝕，易于產生疲勞損傷。為避免類似情況的發生，在恩平24-2 單點初步設計階段，考慮在系泊纜靠近海底的端部安裝限彎接頭，提高關鍵節點的疲勞壽命。此外適當優化確定系泊鋼纜長度避免出現鋼纜常在海底附近上下運動，并且在系泊鋼纜外部加裝抗磨損性能良好的塑料護套，以改善系泊系統設計，延緩系泊纜的損耗速度。

錨的設計需要根據錨點處的土壤條件和水深來決定，根據南中國海FPSO 多年的操作經驗和安全性來考慮，樁錨具有技術成熟、中海油有實際建造安裝經驗等優勢，樁錨作為設計方案首選，且樁錨能承受很大的抗拔力和抗側移力，隨著時間的推移它也非常牢固［8］。綜合系泊纜處的受力和地質條件，選擇樁錨直徑約200 cm(60 寸)，入泥深度為39 m，單根樁重約44 t［9］。

2.4 動態立管和電纜設計

考慮到動態立管和電纜不是用于FPSO 的定位，因此動態立管和電纜只需滿足規范最低要求的百年一遇極端環境條件即可。針對動態立管和電纜的評估，同樣存在著惡劣環境條件和淺水所帶來的設計難題，同時立管和電纜的設計還受著FPSO 偏移的影響。此外，立管和電纜在任何惡劣環境條件下都不能和海底及系泊纜碰撞，因此動態立管和電纜的設計形式，在初步設計階段主要是從技術可行性、性能、費用和安裝等方面進行選擇:懸鏈線、Lazy Wave、Steep S 形式從技術上不可行，原因是懸鏈線形式不能適應FPSO 在淺水中較大的偏移和運動;Lazy Wave 形式在橫向上沒有足夠的約束，在大波流作用下，觸地點附近將產生較大的彎曲;Steep S 形式需布置中水浮筒和立管基盤來降低形狀的復雜性和高費用，并且在浮筒解脫后立管和電纜有觸底的可能。因此，動態立管和電纜的形式只能從Steep Wave 和Lazy S 中選擇，如表3 所示。

表3 Steep Wave 和Lazy S 形式比選Tab.3 Comparative results between Steep Wave and Lazy S

綜合考慮技術可靠性、復雜性、安裝和維修，采用帶浮子的Steep Wave 形式可以保證動態立管和電纜的彎曲半徑符合設計要求［10］，并不出現觸底現象，適合淺水惡劣海況下動態立管和電纜的設計。

3 結 語

以恩平24-2 油田開發工程FPSO 內轉塔式單點系泊系統為例，提出了內轉塔式單點總體布置方案以及設計方法，指出了淺水系泊、動態立管和電纜的設計難點，得出如下的結論與建議:

1)南中國海作為世界上環境條件惡劣的三大海域之一，是臺風多發區，對FPSO 的設計、建造和操作帶來較大的挑戰。內轉塔式永久單點系泊系統由于具備在南中國海操作維護經驗豐富、適應極端海況能力強、通道數量限制低等優勢，確定為恩平24-2 FPSO 的單點系泊型式，同時考慮到南中國海環境條件越來越惡劣，在環境預報超過500年一遇或者突發、維修情況時，具有解脫功能的內轉塔式永久單點系泊系統是最能滿足中海油的需求，也是恩平24-2 單點形式的最佳選擇。

2)恩平單點系泊系統初步設計階段是由中海油首次完成，單點系泊系統采用了3 組×4 根系泊纜布置，系泊纜是由錨鏈—鋼纜—錨鏈組合，系泊纜半徑為1 200 m，只在臥地80 米長錨鏈上增加配重塊以提高系泊纜的性能、采用樁錨作為系泊纜的基礎、采用帶浮子的Steep Wave 形式的動態立管和電纜形狀。設計方案和成果，滿足國內外相關規范和標準的要求。

3)由于單點設計與船體設計具有相關性，建議在船體概念設計階段同時開展單點初步設計，這樣單點初步設計成果可用于單點系泊系統、動態軟管和電纜招標，并能為EPCI 提供強有力的技術支持，也能為國內單點的技術發展積累設計經驗，不再受制于國外單點公司。

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