FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)因素分析

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計既要具有良好的順應(yīng)性，以避免對FPSO產(chǎn)生過大的力，又要具有足夠的剛度，以避免過大的偏移造成立管損壞。從作業(yè)模式與設(shè)計環(huán)境條件、單點和多點系泊、系泊線布置、系泊線組成、轉(zhuǎn)塔位置的影響、計算狀態(tài)和方法等方面說明系泊系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的因素。

1 作業(yè)模式與設(shè)計環(huán)境條件

1.1 作業(yè)模式

作業(yè)模式主要有兩種：解脫、拖走避風(fēng)和不解脫，停產(chǎn)/堅持生產(chǎn)。作業(yè)模式的確定需要考慮極端海況條件。

1.1.1 極端海況條件

世界海域有2種極端海況條件[1]。

1)冬季風(fēng)暴。冬季風(fēng)暴發(fā)生在英國北海、挪威海和加拿大東部海域，通常作用的時間長、波及的區(qū)域廣。但是，風(fēng)速很少超過44.76 m/s，比較穩(wěn)定，并可以預(yù)測。冬季風(fēng)暴的設(shè)計波高大于熱帶氣旋，因為它作用的時間比“快速移動”的熱帶氣旋長得多。不適合采用油田停產(chǎn)、FPSO解脫、人員撤離的作業(yè)模式。

2)熱帶氣旋(颶風(fēng)或臺風(fēng))。熱帶氣旋與冬季風(fēng)暴截然不同，它能夠很快從1級(38.07 m/s左右)上升到5級(79.73 m/s左右)，具有高度不確定性。由于熱帶氣旋的高度不確定性，要求系泊系統(tǒng)有較大的設(shè)計裕度，以防止超過100年一遇的海況時發(fā)生損壞。

1.1.2 解脫、拖走避風(fēng)作業(yè)模式

當(dāng)風(fēng)暴來臨時，F(xiàn)PSO停止作業(yè)、關(guān)井、與系泊系統(tǒng)解脫、拖走避風(fēng)。風(fēng)暴過后再回接、復(fù)產(chǎn)。因為多數(shù)時間環(huán)境條件良好或適中，所以這種作業(yè)模式安全、經(jīng)濟(jì)，尤其適用于二手油船改裝的FPSO。南中國海和墨西哥灣的部分FPSO采取此種作業(yè)模式。

1.1.3 不解脫，停產(chǎn)/堅持生產(chǎn)作業(yè)模式

臺風(fēng)來襲時，停產(chǎn)、人員撤離。FPSO和系泊系統(tǒng)風(fēng)暴自存，臺風(fēng)過后復(fù)產(chǎn)。南中國海新設(shè)計建造的FPSO大都采取這種作業(yè)模式。

盡管北海冬季風(fēng)暴的作用時間長，但是比較穩(wěn)定而且可以預(yù)測。即使達(dá)到甚至超過墨西哥灣颶風(fēng)的量級，也不關(guān)井，堅持生產(chǎn)作業(yè)。

1.2 設(shè)計環(huán)境條件

DNV OS E-301規(guī)范中給出了世界典型設(shè)計環(huán)境條件，臺風(fēng)期間不解脫的永久性系泊，至少按100年重現(xiàn)期的海洋環(huán)境條件設(shè)計，其中包括浮體穩(wěn)性、耐波性、總縱強(qiáng)度等均須滿足船級社規(guī)范要求，設(shè)計要求比對常規(guī)運(yùn)輸油輪的設(shè)計要求高得多。解脫的移動式系泊根據(jù)需要的環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計條件相對較低。

2 單點與多點系泊

系泊系統(tǒng)可以分為兩大類，即單點和多點。 以往大多數(shù)系泊系統(tǒng)都屬于“被動”系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)有很多動力定位系統(tǒng)(DP)和系泊系統(tǒng)一起應(yīng)用的案例。

2.1 單點

通常，F(xiàn)PSO是船形的，有較大的長寬比，對外力的方向很敏感，因而需要設(shè)計成具有風(fēng)向標(biāo)功能，使其能夠隨著風(fēng)浪方向作360°全方位回轉(zhuǎn)，始終處于迎風(fēng)浪狀態(tài)，從而大幅度減小風(fēng)、浪、流引起的環(huán)境載荷和運(yùn)動幅度。但是，單點系泊系統(tǒng)需要多個構(gòu)造復(fù)雜、價格昂貴的機(jī)械部件，諸如大軸承、旋轉(zhuǎn)接頭等。對于在環(huán)境條件惡劣海域作業(yè)的船形FPSO，宜選用單點系泊系統(tǒng)。

2.2 多點

多根系泊線在多個不同位置的點與船體連接，使得船體不能自由轉(zhuǎn)動，波向角基本保持不變。優(yōu)點是構(gòu)造簡單，初始投資和維護(hù)費(fèi)用低。如果用在海況惡劣的海域，環(huán)境力可能引起很大的船體位移和系泊載荷。多點系泊適用于對環(huán)境力的方向不太敏感或長寬比接近的FPSO，多用于半潛平臺，在環(huán)境條件溫和的海域，例如,西非、東南亞和巴西，船形FPSO也可以采用多點系泊。

3 系泊線布置

系泊系統(tǒng)最重要的組成部分是系泊線，可以通過系泊線的布置和型式選擇，來獲得優(yōu)良的系泊特性。

3.1 系泊線布置方式

3.1.1 均布模式

一般由12根系泊線組成，按均布模式排列，系泊線之間的角度為30°。這種布置方式在“海上移動式鉆井裝置”(MODU)的多點系泊系統(tǒng)中很常見。在有多根生產(chǎn)立管(和電纜)的情況下，布置可能發(fā)生沖突。

3.1.2 分組不對稱模式

一般由12根系泊線組成，分3組，每組4根系泊線，系泊線之間的角度通常為5°。在這種布置模式中，F(xiàn)PSO有兩個極端方位，即“in line”——船體中心線與一組受拉系泊線同線和“in between line”——船體中心線處于兩組受拉系泊線中間。分組布置模式具有下述優(yōu)點：

1)安全度提高了。與均布模式比較，在1根系泊線破斷的不利情況下，分組模式最大系泊線張力比均布模式約低20%，最大位移減少5%。

2)便于立管布置。組與組之間有較大的空間，可以布置數(shù)量眾多的立管。

3.2 設(shè)計考慮因素

雖然在設(shè)計上系泊線對稱布置最簡單，但性能不是最好的，設(shè)計考慮因素如下。

1)環(huán)境力的方向性：特別是當(dāng)風(fēng)暴經(jīng)常從某個特定的方向來襲時，采用不對稱布置的系泊線來抗衡這些環(huán)境力，可能更為合理。

2)水下空間布置：海底設(shè)備和海底管線可能會影響系泊線和錨的布置。

3)立管系統(tǒng)：立管是系泊線布置的限制條件，必須避免立管與系泊線系統(tǒng)發(fā)生矛盾。

4)轉(zhuǎn)塔區(qū)域的空間限制：為了獲得更多的空間，系泊線分組可能更好。

4 系泊線組成

4.1 全錨鏈

錨鏈在多年海洋工程實踐中表現(xiàn)出良好的耐久性、抗磨損能力和防止錨上拔能力。通常，用在與船或平臺的連接部位，以及與錨連接的部位。

對于深水系泊，全錨鏈系統(tǒng)的重量過大，而使船舶的載重量大幅度降低，系泊系統(tǒng)的剛度、恢復(fù)力也大幅度降低，并要求很高的初始預(yù)張力。因此，深水系泊不采用全錨鏈系統(tǒng)。

錨鏈分為有檔鏈(stud)的和無檔鏈(studless)兩種。有檔鏈具有堅固、可靠、易于裝卸的特點，常用在相對較淺的水域。但是，橫檔可能導(dǎo)致局部疲勞，如失去一個橫檔將會在連接處產(chǎn)生較高的彎曲力矩。因此，永久性系泊系統(tǒng)更傾向于采用無檔鏈。

在水深小于100 m時，可以考慮采用全錨鏈的系泊線。

4.2 全鋼纜

在等強(qiáng)度條件下，鋼纜單位長度的重量僅為錨鏈的1/3～1/5。在同樣預(yù)張力的情況下，能夠提供較大的恢復(fù)力。隨著水深增大，這個優(yōu)點顯得尤為重要。但是，其抗摩擦能力遠(yuǎn)不如錨鏈。因而，永久性系泊系統(tǒng)很少采用全鋼纜系統(tǒng)。

4.3 組合式

系泊線由錨鏈、鋼纜或合成纖維纜組合而成。在錨鏈-鋼纜組合中，錨鏈與錨連接，這樣做有利于防止系泊線與海底的磨損，以及防止錨上拔。通過錨鏈和鋼纜的恰當(dāng)搭配來達(dá)到：減小對預(yù)張力的要求；產(chǎn)生大的恢復(fù)力；提高錨的抓持力；增大抗海底磨損的能力。

組合系泊線已成為深水系泊的優(yōu)選方案。在超深水(水深>1 500 m)海域，傳統(tǒng)的錨鏈-鋼纜組合也顯得太重，并且系統(tǒng)的剛度低、海底占地面積大，因而不再受歡迎。 “張緊的纖維纜系泊系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生，ABS于1999年制訂了相應(yīng)的指南。

5 轉(zhuǎn)塔位置的影響

轉(zhuǎn)塔在船上的位置，對設(shè)計的影響很大。以南中國海和北海的FPSO為例，說明轉(zhuǎn)塔位置選擇時應(yīng)考慮的問題。

5.1 轉(zhuǎn)塔位置差異

1)南海西江油田。南海西江油田的FPSO(海洋石油115)，轉(zhuǎn)塔距船艏20.4 m，不足船長的1/10，F(xiàn)PSO具有良好的風(fēng)向標(biāo)功能。該FPSO臺風(fēng)期間不解脫，人員撤離，無動力定位系統(tǒng)。

2)北海油田。轉(zhuǎn)塔布置在距艏1/3船長處，F(xiàn)PSO的風(fēng)向標(biāo)功能幾乎喪失殆盡，而不得不依靠DP協(xié)助轉(zhuǎn)向[2]，導(dǎo)致增加設(shè)備、增加初投資、增加動力消耗和管理環(huán)節(jié)。但是，實踐結(jié)果表明，系泊線張力大幅度減小，安全系數(shù)可提高15%～18%。對于北海特殊的(長時間)冬季風(fēng)暴條件，F(xiàn)PSO不解脫，常年堅持生產(chǎn)，這種選擇是合理的。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，這種轉(zhuǎn)塔布置不適用于臺風(fēng)期間關(guān)井、停產(chǎn)、人員撤離的管理模式，因為屆時DP沒有了動力來源。

5.2 設(shè)計考慮

在選擇轉(zhuǎn)塔位置時，應(yīng)綜合考慮以下因素。

1)當(dāng)為船型FPSO設(shè)計轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)時，除了考慮風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)外，還應(yīng)考慮對立管使用壽命和系泊線張力的影響。轉(zhuǎn)塔距船中越遠(yuǎn)，風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)越好，即使在與風(fēng)、浪、流不同向情況下，也很容易轉(zhuǎn)到環(huán)境力最小的方位上。轉(zhuǎn)塔距船中越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)塔處的垂向運(yùn)動幅度越大。船上各部位的縱搖(pitch)運(yùn)動幅度與距船中的距離成正比。這將給立管和系泊系統(tǒng)帶來十分不利的影響。轉(zhuǎn)塔在船上的相對位置，是立管和系泊線設(shè)計最重要的參數(shù)之一。

2)深海和超深海的FPSO，立管系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)的工程投資與船體(包括結(jié)構(gòu)、機(jī)、電設(shè)備)相當(dāng)。減小立管、系泊系統(tǒng)的運(yùn)動、受力，延長其使用壽命，顯得十分重要。

3)完全風(fēng)向標(biāo)功能的FPSO比用DP協(xié)助調(diào)整方位的FPSO，具有明顯的投資省，運(yùn)營、維護(hù)成本低的優(yōu)勢。

6 計算分析狀態(tài)和方法

6.1 分析狀態(tài)

系泊系統(tǒng)一般分析下述3種狀態(tài)：

1)完好狀態(tài)。所有構(gòu)件完好無損。

2)破損狀態(tài)。1根系泊線破損或失效。

3)瞬時狀態(tài)。1根系泊線破損，F(xiàn)PSO到達(dá)新的平衡狀態(tài)之前。

6.2 分析方法

研究分析系泊系統(tǒng)的運(yùn)動和受力涉及的主要理論有船舶流體靜力、流體動力、波浪理論。目前已經(jīng)開發(fā)出多個計算機(jī)軟件，船級社對系泊系統(tǒng)的設(shè)計、建造和入級也有專門的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。單點或多點系泊系統(tǒng)的設(shè)計計算分析方法越來越趨于成熟。單點系泊系統(tǒng)的運(yùn)動和受力的計算分析方法主要有準(zhǔn)靜力法和準(zhǔn)動力法兩種。至于全動力法，尚處在發(fā)展階段。

6.2.1 準(zhǔn)靜力法

由于準(zhǔn)靜力法簡單易行而廣泛地應(yīng)用于淺水、移動式系泊系統(tǒng)，如原油進(jìn)出口終端、鉆井平臺、鋪管船等。渤海灣“友誼”和“明珠”FPSO，茂名原油進(jìn)口終端(CALM)的系泊系統(tǒng)設(shè)計，采用的就是準(zhǔn)靜力法。對于深水、永久性系泊系統(tǒng)，這種方法僅用于初步設(shè)計階段，不推薦用于最終設(shè)計階段。特點如下。

1)準(zhǔn)靜力分析通常針對線性問題，在運(yùn)動方程里使用了線性化了的系統(tǒng)剛度，即將載荷—位移靜特性曲線平均位移處的剛度(切線的斜率)作為系泊系統(tǒng)的剛度。

2)波浪的動載荷，通過確定的船舶靜位移予以考慮。

3)風(fēng)力、流力和定常波浪漂移力按靜力考慮，使船舶產(chǎn)生平均位移。將波頻一階和低頻二階波浪力產(chǎn)生的動位移，合理地模擬成靜位移，與平均位移疊加，形成總位移。

4)不考慮流體作用于系泊線上的載荷。

5)僅考慮船上系纜點水平運(yùn)動，忽略系纜點的垂向運(yùn)動。

在準(zhǔn)靜力分析中，同向環(huán)境條件的假設(shè)是偏于保守的；考慮不確定因素，采用較大的安全系數(shù)；沒有體現(xiàn)某些重要的動力特性。

6.2.2 準(zhǔn)動力法

隨著水深的增加，系泊線的質(zhì)量、阻尼和流體加速度隨時間變化的影響顯得越來越重要，必須在設(shè)計中予以考慮。南中國海的FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計，多數(shù)采用準(zhǔn)動力法。準(zhǔn)動力分析比準(zhǔn)靜力分析要復(fù)雜得多，特點如下。

1)準(zhǔn)動力分析通常針對非線性問題，在運(yùn)動方程里分別使用每個水平偏移量所對應(yīng)的系泊系統(tǒng)剛度。

2)通常采用時域分析。可以模擬波頻和低頻船舶受力和運(yùn)動響應(yīng)，而將風(fēng)力和流力模擬成定常力，不考慮系泊線本身的動力特性。

3)運(yùn)動方程進(jìn)行時域積分。計算分析中考慮了與浮體有關(guān)的附加質(zhì)量和阻尼的影響。

4)考慮流體作用于系泊線上的載荷。

5)考慮船上系纜點6個自由度的運(yùn)動。通常在系泊纜平面內(nèi)，考慮系纜點的垂向和水平向2個運(yùn)動就足夠了。

目前，有多種動力分析方法，他們之間的區(qū)別在于處理非線性的程度。

6.2.3 全動力法

對于深水和惡劣環(huán)境條件下的系泊系統(tǒng)，系泊線和船體之間的相互作用是不容忽視的，系泊線和流體之間相對運(yùn)動引起的流體動力阻尼效應(yīng)對船體的運(yùn)動和受力以及系泊線載荷的影響同樣是不容忽視的。因此，需要采用船體與系泊系統(tǒng)耦合的分析方法來綜合考慮上述影響。在這種情況下，系泊線動力特性對船體運(yùn)動的影響包含在時域解內(nèi)，將系泊線劃分為許多個“桿單元”來求解系泊線與流體的相對運(yùn)動，考慮質(zhì)量、阻尼和剛度的影響。

全動力分析還不很完善，在系泊線阻尼取值問題上尚存在分歧，處在發(fā)展階段。

6.3 建議的分析方法和狀態(tài)

表1 建議的分析方法和狀態(tài)

7 結(jié)論

FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計首先需要根據(jù)油田開發(fā)計劃、作業(yè)環(huán)境條件等，明確作業(yè)模式；進(jìn)而確定設(shè)計環(huán)境條件，設(shè)計環(huán)境條件是系泊系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)；根據(jù)設(shè)計環(huán)境條件和作業(yè)區(qū)域特點(水深、允許偏移量等)，確定單點和多點系泊的選擇、系泊線布置和組成、轉(zhuǎn)塔位置等；確定環(huán)境載荷，船體的運(yùn)動響應(yīng)以及系泊系統(tǒng)的運(yùn)動和受力，是計算分析的首要任務(wù)，永久性系泊建議采用準(zhǔn)動力法，移動式系泊建議采用準(zhǔn)靜力法。

[1] 金曉劍.FPSO最佳實踐與推薦做法[J].中國石油大學(xué)出版社,2012.

[2] 譚家翔.海上油氣浮式生產(chǎn)裝置[J].石油工業(yè)出版社,2014.