FPSO系泊系統失效原因探討

孫恪成，李 牧，李 鵬，鄧 欣

(中海油能源發展股份有限公司 天津 300450)

1 研究背景

FPSO(Floating Production Storage and Offloceding)是集生產、儲油、卸油為一體的海上浮式生產儲卸油裝置。如表1所示，目前中國海域共有 13艘FPSO在役，5艘FPSO已經退役(包括擱置)，另有1艘FPSO在建(海洋石油119，預計2020年投產)[1]。

由于南海海況惡劣，目前布置的FPSO基本都采用單點系泊裝置。

如表2所示，在我國渤海海域，到目前為止，布置的FPSO均采用軟鋼臂系泊系統，包括水下軟剛臂和水上軟剛臂2種類型，其中布置海域水深最小為18m，最大為 32m。塔架是該種系泊系統的關鍵受力結構，已經發生過由于塔架損壞引起的事故。

表1 南海海域FPSO系泊形式統計Tab.1 Statistics of FPSO mooring forms in South China Sea

表2 渤海海域FPSO系泊形式統計Tab.2 Statistics of FPSO mooring forms in Bohai Sea

在FPSO幾十年的發展過程中，盡管技術手段不斷提高，水下系泊系統的監測、檢驗仍然存在很多困難，系泊系統故障仍是浮體的主要風險因素。本文對系泊系統故障進行了梳理，旨在為系泊系統的監測以及完整性管理提供參考。

2 FPSO系泊系統失效統計

Ma等[2]對全世界范圍內2001—2011年10年間的FPSO系泊系統故障進行了統計，共有21艘FPSO系泊系統故障記錄。對全球各海域FPSO作業數量和統計的發生系泊系統故障數量進行總結，如表3所示。

表3 全球各海域 FPSO作業數量和統計的發生系泊系統故障數量Tab.3 Number of FPSO operations and number of mooring system failures in global seas

通過表3可以看出，在惡劣海況區域(受臺風和冬季風暴影響)，例如北海、墨西哥灣，FPSO 故障率介于20%～30%之間，受影響的FPSO約占全球總數的 1/3。

在溫和海況區域，如南美洲、非洲和東南亞南部，FPSO故障率均小于 10%，而世界上大部分FPSO在這里作業，約 150艘。巴西擁有世界上最多的55艘FPSO(約占全球總量的1/4)，而其僅有2起系泊系統故障案例[3-4]。

對 FPSO系泊系統故障各案例的具體損害構件進行了統計，如表4所示。

表4 FPSO系泊系統故障各案例的具體損害構件統計Tab.4 Statistics of specific damaged components in each case of FPSO mooring system failures

①多數系泊系統失效和錨鏈有關，分析原因如下：錨鏈由于其較強的承受磨損和彎曲的能力，通常布置于受較強約束之處，如頂端錨鏈與底端錨鏈，這些錨鏈受到了更強的腐蝕，增加了疲勞失效和極限載荷失效的風險。由于材料屬性原因，錨鏈的疲勞強度遠比其他錨鏈構件低。此外，使用有檔錨鏈的連接檔由于材料、腐蝕等因素容易導致檔丟失，檔丟失后錨鏈疲勞壽命會大幅降低。

②連接構件主要有 2項弱點：在制造過程，由于連接構件使用數量較少，非系列的生產使得質量參差不齊；在安裝時，作為系纜連接構件，可能會存在不恰當安裝、錯誤固定等問題。

③鋼纜相比錨鏈損傷的概率小一些。鋼纜通常布置在受力較小的區域并擁有更長的疲勞壽命，不合理的設計會在鋼纜連接頭的末端引起局部扭曲；安裝問題主要包括保護層損壞、安裝過度彎曲等，如果出現安裝問題，鑒于安裝工序的類似性，其余系泊纜繩鋼纜部分均可能出現同類問題。

④纖維纜由于其材料特殊性，非常容易在安裝過程受到損傷。比如 Girasol FPSO系泊系統故障案例中，纖維纜布置時與木質甲板相接觸，木屑被不慎帶入纖維纜中，從而導致纖維纜纜絲不斷損壞。

⑤軟剛臂失效在歷史上僅有1例記錄，為海洋石油 113FPSO轉塔倒塌。需要注意的是一共只有 9艘FPSO，1艘FLNG，2艘FSRU和4艘FSO裝備了軟剛臂。這些僅是所有 FPSO的一小部分(3%的FPSO)，因此軟剛臂失效的可能性仍非常高，約有1/9的機率會坍塌，而受損的機率就更高了。

3 FPSO系泊系統故障原因

如表5所示，FPSO系泊系統故障主要有以下幾方面因素：安裝、設計、制造、疲勞、極端載荷、老化。

表5 FPSO系泊系統故障各因素比例Tab.5 Proportion of factors of FPSO mooring system failures

根據故障因素統計，老化占比最高，達到 24%，包括錨鏈腐蝕(12%)和鋼絲繩和錨桿的長期退化(12%)，均為導致失效的主要根本原因；其次是安裝、制造和材料以及純疲勞引起的失效(各占 20%)；設計原因和極端原因較為少見。

①安裝：錨鏈構件安裝錯誤(系纜扭曲、連接頭鎖止錯誤、掛鉤錯誤)；安裝導致的設備老化(鋼纜保護層上切口——最顯著例子為EGINA FPSO，纖維纜上切口導致碎屑進入纖維纜——如 GirasolFPSO)；運輸時的固定問題(如PAZFLOR FPSO拖航過程，采用不恰當的系纜固定導纜器，導致鋼鐵的陰極腐蝕，導纜器隨之松動，往復性裝機FPSO船體導致損壞)；安裝時的鋼纜過度彎曲等。

上述安裝問題都會影響系泊系統未來的完整性，大多數情況可以通過適當的審查、跟蹤運輸和安裝程序來防止，通過在安裝期間和安裝后的適當檢查來確定。如果這些問題沒有及時發現，可能導致系泊系統部件的更快退化，最終導致系泊系統故障發生。至少有1/6的故障案例報告了此類問題。

②設計：設計欠缺而導致的失效較為罕見，多數是源于計算能力的缺乏。一為在設計時未考慮所有的情形(例如 Volve FPSO在設計時并未考慮斷裂負荷)；或者計算的程度不到位(Norne FPSO曾應用強度不足的鏈，導致線纜失效)；再有設計不足曾發生在Blind Faith FPSO上，其連接頭設計錯誤導致連接頭的斷開。近二十年來，設計檢驗的能力已得到長足發展。從 20世紀 90年代的少量簡易計算工具、方法，到當下已具備幾千種不同海況的動態計算方案。這解釋了疲勞失效多數發生在老型 FPSO上的原因——當時的疲勞計算只有 100種海洋環境案例。現今提倡重新評估老型浮體的疲勞情況(尤其是指2010年前)，用以在最新技術的幫助下檢查實際疲勞情況，確定設計疲勞年限。

③制造：制造中產生的問題是早期失效的主要原因之一，現已認定多項制造和材料方面的原因，例如，低韌度導致斷裂；錨鏈連接處焊接瑕疵未被發現；不合適的材料選擇導致腐蝕。

④疲勞：疲勞是系泊系統故障發生的另一主要原因。安裝和制造問題常常是疲勞失效的起始原因；腐蝕對于疲勞也有著加速作用；而計算驗證的不足也導致了大量的此類疲勞失效案例。

⑤極限載荷：極限載荷失效是在極端環境和最終失效下發生的。縱觀 10年來的 FPSO案例，極端情況下 5個案例中僅有 2個案例證明是由于環境載荷過大錨鏈超出設計載荷值導致破斷，為“南海勝利”FPSO和Banff FPSO。相關原因可歸結為當時在超出設計準許范圍的海況下作業。至于其他的案例，即使在極端情況下的失效，也是由多方面因素導致，例如：“南海發現”FPSO的失敗源于在臺風到來時無法斷連；Gryphon Alpha FPSO和Volve FPSO是因為設計缺陷。對于“南海勝利”FPSO 案例，鋼絲索的老化也被認為是根本原因，即使相關海洋環境數據之嚴苛遠超設計準許，人們仍懷疑設計的安全系數是否緩沖了整個系統的過載。

極限負載失效在新型FPSO中較為罕見。當我們關注服役時間比較久的FPSO時，會發現船錨受載過高導致的船舶走錨現象十分普遍，其原因在于大量地將拖曳錨作為錨點。因此，對于較新的FPSO，其從設計上避免了錨點成為FPSO的弱點。

⑥系纜老化將引發2種現象：錨鏈與連接頭間的腐化以及鋼纜的長久性老化，它們各占全體根本失效原因的 12%[5]，同時也成為發生系纜替換的主要根源。

4 總 結

隨著海上油田規模的不斷擴大和新油田的勘探開發，未來我國服役的 FPSO數量會進一步增加。系泊系統的完整性關系到 FPSO作業安全，本文對FPSO系泊系統故障及其原因進行了統計分析，以期為FPSO系泊系統管理提供參考。