南海單點系泊系統故障分析

南海單點系泊系統故障分析

黃佳，范模，王忠暢，梁文洲，李達，王麗勤

(中海油研究總院，北京 100028)

摘要：對中國南海的內轉塔單點系泊系統在使用過程中出現的故障進行總結，對其中一些典型的故障成因進行分析，就提高單點系泊系統安全可靠性提出改進建議。

關鍵詞：單點系泊；內轉塔；故障；改進措施

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.025

中圖分類號：U653.2；P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0088-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一黃佳(1987-)，男，學士，工程師

Abstract:The major failures happened in operation of the internal turret singe point systems in south sea are analyzed statistically. The reasons causing the typical failures are investigated to offer some proposals and suggestions to improve safety and reliability of the sing point mooring system.

修回日期：2015-09-01

資助項目：中海油項目

(CV00C-KJ125ZDXM08LTD03ZJ2012)

研究方向:FPSO、浮式平臺等設計及研究

E-mail:huangjia@cnooc.com.cn

單點系泊系統(single point mooring system)，其最大的優勢在于允許所系泊的FPSO等船體圍繞系泊點作360°的風標旋轉，從而使得船體始終迎向風、浪、流的合力方向，處于最小受力狀態，同時，也減小了船體的運動響應及船體所受的系泊載荷。

內轉塔式單點系泊裝置是單點系泊系統的一種，該系統將單點系泊系統設置在FPSO艏部的船體內，通過若干錨鏈(或組合纜)將FPSO系泊于指定位置，錨端采用大抓力錨(或錨樁，或吸力錨)固定于海底。海底到水面之間的管線、電纜、控制管線等采用柔性連接，再通過旋轉機構與FPSO連接。其適用水深范圍大，目前在50～1 500 m都有工程實例。其可系泊FPSO的噸位范圍大，系泊性能和抗風浪能力強，具備15～20年以上連續不間斷生產的能力，適用于大型海上油田開發。在我國南海的單點系泊系統均采用內轉塔形式。

然而，在國內外的使用過程中，單點系泊系統出現了各類故障，嚴重的會導致油田停產，帶來重大經濟損失。影響系泊系統安全性的主要因素包括客觀因素和主觀因素。其中，前者主要為環境條件，包括風、浪、流載荷、船體吃水、船齡老化及磨損等；后者主要涉及操作及監管過程中的人為失誤[1]。本文對中國南海單點系泊系統在使用過程中出現的故障進行梳理，對其中一些后果較嚴重的故障進行分析，就提高單點系泊系統安全性提出相應改進建議。

1故障情況

自2001-2011年間，全球涉及系泊系統安全性的工程事故發生了超過20起之多[2]見表1，這引起了整個海洋工程界對于系泊系統安全性的廣泛關注。

在表1中所列的21起系泊事故中，整個系泊系統失效的事故至少有8起，其中個別事故中船體產生了大范圍的漂移。此外，即使只有單根錨鏈失效，也可能引起嚴重的后果。比如，引起船體漂移、立管斷裂、被迫停產，甚至可能會泄漏少量碳氫化合物等，這是由于單根錨鏈的失效，通常會加重其他錨鏈的負擔，從而引起連鎖破壞。

我國南海油田按海域分為南海東部和南海西部，目前共有9艘FPSO在役。南海東部海域油田浮式設施包括“海洋石油103”(南海發現)、“海洋石油104”(南海盛開，FSOU)、“海洋石油106”(南海開拓)、“海洋石油107”(南海勝利)、“海洋石油111”、“海洋石油115”，以及最新投入生產的“海洋石油118”(恩平FPSO)在內的共7艘FPSO。南海西部海域油田浮式設施包括“海洋石油110”(南海奮進)和“海洋石油116”2艘FPSO。南海目前在役的FPSO均使用內轉塔單點形式。

常見的內轉塔式系泊系統主要有3種：浮筒式轉塔系泊系統(BTM)、沉沒式轉塔裝卸系統(STL)，以及沉沒式轉塔生產系統(STP)[3]。自1997年STP結構首次安裝在陸豐22-1油田上以來，該單點形式以其布局緊湊，結構簡單靈活的特點，越來越受到廣泛的關注和使用[4]。目前在我國南海所使用的轉塔式系泊系統中，STP占主導地位。結構形式示意見圖1。

表1　2000-2011年間全世界系泊系統事故統計

注：鑒于一些事故并未見諸報道，故實際發生的事故可能更多。

圖1　STP結構形式示意

2故障原因

在長期生產過程中，南海的FPSO單點系泊系統出現了各類故障。

本文對南海單點故障進行梳理，針對其中一些后果較嚴重的故障進行分析。其中由于臺風引起的系泊纜及立管重大故障2起(“海洋石油103”，“海洋石油107”)，由于設計缺陷引起的系泊系統故障2起(“海洋石油107”、“海洋石油111”)，由于設計缺陷引起的轉塔結構故障1起(“海洋石油110”)，由于建造及安裝過程中的人為因素故障1起(“海洋石油115”)。

2.1環境條件惡劣難以準確預報，且超過單點的設計標準

臺風屬于極端環境條件，其特點為破壞性極強卻又難以準確預報，易導致系泊纜斷裂，使得船體發生較大漂移，從而引起立管破壞，這種故障需要很長時間的停工修復，損失較為嚴重。

“海洋石油103”(南海發現號)2009年9月14日遭遇“巨爵”臺風，風速達35 m/s。單點未能及時進行解脫引發事故。事故中FPSO最遠漂移722 m，導致系泊錨纜斷4根，水下生產立管和電纜損壞。

“海洋石油107”(南海勝利號)原本系泊系統即有缺陷，計劃開始系泊搶修項目前，在2006年5月17日遇到超過百年一遇的強臺風，超過單點設計標準。造成斷6根錨纜，水下生產立管損壞，被迫停產維修。

此外，海洋石油106(南海開拓號)、海洋石油110(南海奮進號)系泊系統也曾因臺風出現部分損傷。

2.2設計缺陷引起的系泊系統及轉塔損傷及故障

設計時考慮不周或受限于當時的設計理念，系泊系統在部分節點存在應力集中、過度疲勞等情況。設計環境條件低于實際環境條件等。通常情況下，錨鏈的破壞大多發生在分段的接頭處，或者材料不連續的地方。例如，系泊索與船體連接的導纜孔；系泊索不同分段(如鏈和纜)之間的連接處；系泊索與地面接觸的地方等。系泊結構在設計和分析的時候，通常假定為只承受拉應力，忽略其壓力、彎曲應力和扭轉應力。然而，正是這些在設計中被忽略的應力，直接或間接導致系泊結構的破壞。

“海洋石油107”(南海勝利號)在臺風事故發生前就存在系泊纜的缺陷。多條系泊纜出現斷絲，陰極保護電壓不足。原計劃在2006年6月開始更換已斷絲的系泊鋼纜。結果在計劃開始系泊搶修項目前，遇到超過百年一遇的強臺風，FPSO系泊系統發生極其嚴重的損壞事故。系泊纜斷絲主要發生在系泊系纜上、下鋼纜與中水浮筒連接處附近，其主要原因是波浪和內波流作用下產生的疲勞損傷。損壞最嚴重的2根錨鏈與主波向和內波流方向基本垂直，而與主波向和內波流方向基本平行的方向上的錨鏈損傷很輕或沒有損傷。此外系纜中間浮筒支撐結構設計不合理，當浮筒繞系纜軸心擺動時，系纜將跟浮筒同步轉動。

“海洋石油111”除了出現系泊纜松股、斷絲等情況外，還有配重塊破損、脫落的故障。配重塊本身重量較大，由于系泊鏈的上下運動產生的沖擊載荷較大，使配重塊產生疲勞損壞。配重塊接觸面之間無固定在沖擊過程中容易產生位移，而形成附加的剪切應力，增加了螺栓以及配重塊破損的可能性。當FPSO發生位移或升沉運動時，配重塊隨系泊纜上下運動，與海底發生碰撞，承受較大的與海底產生的沖擊載荷，當FPSO運動較為劇烈時配重塊承受的沖擊載荷將更大。此外由于連接螺栓結構形式及材質的問題，螺栓腐蝕破壞、螺栓孔損壞等，都是配重塊大量脫落的成因。

2005年9月25日“海洋石油110”遭遇超強臺風(氣象預報2 min平均風速為55 m/s)，單點轉塔結構受損。圓錐體形STP浮筒下沉4 cm，單點艙進水。從系統可靠度設計理論看，設計需要改進。目前單點系統保證STP浮筒與船體不發生轉動的惟一措施是上下接合環之間的靜摩擦；該靜摩擦力又是靠預緊提升力實現的。一旦預緊提升力減小，STP浮筒與船體就面臨轉動的風險。對于這一點作業方和設計公司原先都沒有認清。自該條FPSO投產以來直至發生故障，鎖緊裝置液壓活塞缸的壓力從來沒有調升過，預緊提升力無法維持所需的大小。

2.3建造及安裝過程中的缺陷引起的系泊系統故障

海洋石油115錨泊系統于2007/2008完成海上安裝，在2009年以及2010年的檢測中發現兩個問題：#3錨纜27～40 m處有斷絲；#2錨纜相比其他錨纜較為松弛，#2系纜的著泥點距STP中心距離較#1和#3近30 m，系泊角度偏差較大。

經過分析，系纜受損的原因為外力機械磨損，通過各方面記錄認定#3系泊纜受損原因為FPSO油船回接單點系泊系統時與工程船擦碰所致。

此外，安裝過程中出現失誤，導致#2系纜的系固點偏移原位置30 m，進而使得#1、#2、#3系纜松緊度不一，使整個系泊系統無法達到設計定位能力。

2.4系泊系統腐蝕退化、疲勞損傷等

系泊系統超期服役、腐蝕退化及疲勞等損傷是一個長期積累的過程，表現為系泊鏈的銹蝕，系泊纜的斷絲等，通常不會在第一時間爆發出來，若缺陷及故障不能及時排除，會給安全造成重大隱患。

譬如，“海洋石油103”(南海發現號)于1990年改裝成FPSO，船體與單點設計服務壽命都是10年。截至2009年，浮筒與系泊纜已經使用了19年，屬于超期服役，但浮筒與系泊纜從未進行大檢和延壽工作。在2009年9月14日遭遇臺風時，系泊纜多根發生斷裂。

2.5維護維修不及時

“海洋石油107”原計劃最早在2006年6月開始更換已斷絲的系泊鋼纜。結果2006年5月19日，在計劃開始系泊搶修項目前，遇到超過百年一遇的強臺風，系泊系統發生極其嚴重的損壞事故。

而如能對系泊系統定期維護，及時更換出現缺陷的系泊纜及其他系泊構件，則能避免此類重大事故。作為典型案例，2009年9月14日，“海洋石油106”(南海開拓號)也遭遇“巨爵”號臺風正面襲擊。當時南海開拓號FPSO新換2根鋼纜，且正好與該臺風產生的波浪荷載作用方基本一致，使其成功經受最大94 kn強風的考驗。

3改進方案

通過故障分析，認為可以從以下幾方面著手加以改進，在今后單點系泊系統的使用過程中減少故障率，避免重大損失。

1)增加環境條件預報精度。在南海油田增加海上(現場)氣象預報站，增加氣象預報頻次；在(海上)現場增加海流和海浪的觀測設備；在臺風應急反應中加大現場管理人員的決策和參與力度。

2)根據南海實際環境條件選擇單點類型。南海海域環境條件比較惡劣，且隨著技術的更新，推薦采用內轉塔式系泊系統，對于新建FPSO，系泊系統按照臺風期間不解脫標準進行設計；但建議采用可解脫裝置，其技術成熟、使用情況良好，且海總對于這種系泊系統有相當多的操作經驗，另外系泊系統的布置建議采用分組型式，相對于單根錨鏈散布型式能夠提高系泊系統的可靠性。

3)完善系泊系統設計。過去為了節省系泊系統的鋼材，會根據當地海域的環境條件的方向性設計系泊系統。但是由于臺風的方向是多變的，會以意想不到的方向到達FPSO所在海域，這將導致方向性設計的系泊系統不再滿足設計要求而損壞。建議單點設計應考慮實際的環境條件方向組合。

過去的系泊系統的靠近海底段的系纜端部未安裝限彎接頭，導致在靠近海底的系纜重復性的與海底碰撞造成磨損，加速銹蝕，易于產生疲勞損傷。在未來的設計中，建議在此區域均安裝限彎接頭，保護系纜。此外，適當優化確定系泊鋼索長度可以避免出現鋼索與錨鏈連接處與海底不斷發生碰撞。系泊鋼索外部加裝抗磨損性能良好的塑料護套也能產生一定的保護作用。

在系纜需要安裝浮筒的設計案例中，將系泊鋼索中間接頭下面的三角板改為萬向接頭，與一個圓柱型連接板組合的結構，保證讓水中浮筒能繞兩段系泊鋼索端接頭的中心連線自由轉動，同時也讓中間浮筒前后擺動，可有效減緩系泊纜與浮筒連接處的疲勞損傷。

此外，在對錨鏈結構進行設計時，應考慮如何在不更換整根錨鏈的前提下，方便地對存在問題的部分進行更換。船上的絞盤等裝置在錨鏈最初安裝后，仍應定期保養以保證其始終能夠順利工作。

配重塊的結構設計不當，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。可優化設計配重塊形式；或者直接焊接配重塊，而不采用螺栓連接的方式。

4)定期進行安全檢測，加強維護。為提高系泊系統的安全性。當下最有效的方式是采取嚴格的檢查、監督機制，有效評估系泊系統的安全狀況和老化形勢，并對系泊系統的張拉狀態進行持續不斷的監測。

與船體連接的頂端鏈以及鋼纜部分最容易老化，遭受破壞的概率最大，因此在檢測時需要重點關注。此外，對于整根系泊錨鏈來說，重量不連續的地方也極易受到破壞。以下4個部位作為“破壞臨界區域”，需要定期進行仔細檢查：導纜孔處的頂端鏈、鋼纜部分、連接處及與海底接觸部分[5]。

在檢測的具體操作層面面，除了用ROV進行外觀檢測之外，還要利用潛水員進行CVI或NDT檢測，主要包括：浮筒、錨鏈，水下基盤整體外觀、涂層情況及陽極塊損耗和電位測量，錨鏈完整性狀況、有無銷子脫落及斷絲等。以上檢測如果海生物密集需先清理海生物。還可在船體與單點的錨纜上增加監測設備，如應力傳感器，錨鏈傾角儀等。

5)安裝并有效利用單點在線監測系統。

很多系泊系統并未安裝用于評估系泊安全性的監測裝置，一些船級社的規范中對此也無明確要求。然而，安裝這樣的監測裝置，其成本并不是很高，但卻可以有效控制系泊系統失效的發生概率，降低泄露風險，保證人身安全，減少系泊系統故障后長時間維修所引起的經濟損失。

常用的檢測裝置有：①通過載荷單元直接測量張力變化；②通過傾角儀測量傾角并推算張力。兩類裝置都可以最終得到錨鏈張力數據，并將其應用到錨鏈分析中，從而確定錨鏈實際狀態。

監測裝置的安裝設計應該交由系泊工程師承擔，保證安裝的監測裝置在使用有效期內具有充足的可靠性。此外，要求負責監測的工作人員對一些物理現象具有深入的理解和認知，否則將可能導致記錄的數據有誤或不完整，使相應的監測裝置無法發揮其應有的作用。

6)完善安裝程序及責任機制。單點系泊系統安裝時，提前做好安裝計劃，加強安裝過程中的管理與監督，做到每一步安裝準確、到位，避免安裝失誤的產生，避免在安裝過程中工程船對系泊纜的刮碰事故。

7)提前準備備件。近幾年來因按照常規工程方法考慮更換受損鋼索設計方案而經常遇到材料備件采辦交貨期長和施工船舶資源動員準備時間長等困難，導致無法及時落實各項應急搶修補救措施。可提前購置一條備用鋼索及一組備用接頭構件,以備不時之需。

參考文獻

[1] 楊光,翁海龍,劉敏.單點系泊結構及安全事故分析[J].珠江水運,2000(11):20～22.

[2] MA K.T.,DUGGAL A.A historical review on integrity issues of permanent mooring systems[C].OTC24025, Houston,2013.

[3] 劉志剛,何炎平.FPSO 轉塔系泊系統的技術特征及發展趨勢[J].中國海洋平臺,2006,21(5):1-6.

[4] LI H,CHEN Y,XIE W,et al.Installation of STP mooring system and FPSO hookup in south china Sea[C]∥Beijing, China: International Offshore and Polar Engineering Conference，2010.

[5] MELIS C., JEAN P., VARGAS P.. Out-of-plane bending testing of chain links[C]∥OMAE2005-67353. Greece, 2005.

Failure Analysis and Improvement of Single

Point Mooring Systems in South Sea

HUANG Jia, FAN Mo, WANG Zhong-chang, LIANG Wen-zhou, LI Da, WANG Li-qin

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Key words: single point mooring; internal turret; failure; improvement measure