可解脫內轉塔單點系統與關鍵技術

董 璐， 朱為全， 高 巍

(北京高泰深海技術有限公司，北京 102029)

0 引 言

單點系泊目前是浮式生產儲油輪(FPSO)最常用的系泊方式之一。1952年11月，美國人Laurent H. J Brackx申請為海上船只和水上飛機進行系泊和加油的設施的專利，該專利以浮筒作為系泊裝置，是單點系泊系統的開端。1956年12月，Erwin S. Griebe在紐約申請的單點系統專利第一次在浮筒中包含了月池結構，成為懸鏈腿錨泊系統(catenary anchor leg mooring，CALM)的開端。1959年，IMODCO公司設計了第一套為瑞典軍方服務的CALM系統，真正將單點系泊系統投入實際工程(見圖1)。

懸鏈腿錨泊系統的形式為一個浮筒用多根錨鏈錨泊于海底，FPSO或者卸油油輪通過系泊大纜系泊于浮筒上面的轉臺，可繞浮筒做360°旋轉。CALM從早期的滾輪軌道式CALM(bogey wheel CALM)到后來應用較多的轉臺式CALM(turntable CALM)(見圖2)和轉塔式CALM(turret type CALM)，其適用水深范圍不斷增大，能力不斷提高，是目前應用最廣泛的單點系統。

1977年，世界上第一艘FPSO采用單系泊腿定位，立管為剛性立管。

圖1 單錨腿鋼臂系泊系統Fig.1 SALM

圖2 轉臺式CALMFig.2 Turntable CALM

圖3 單點系泊系統的分類Fig.3 Classification of single point mooring systems

1972年，SBM公司成功研制出了世界上第一套通過軟桅連接的單點浮筒系泊(single buoy storage， SBM)系統，并陸續成功研制出了單錨腿儲運系統(single anchor leg system, SALS)和外轉塔系統(external turret SPM system)。1985年，SBM公司在一艘14萬噸的浮式儲油輪的船尾安裝了一個外轉塔，正式將轉塔系泊這一概念應用于實際。1986年，SBM公司進一步完善可解脫單點系統，并將其應用于澳大利亞西北海岸的Jabiru油田開發中。

圖1為單錨腿鋼臂系泊系統。圖2為轉臺式CALM。圖3為單點系泊系統的分類。

轉塔系泊系統通常由轉塔、液體傳輸系統、轉塔旋轉系統或轉臺以及連接系統四個部分組成。轉塔既是FPSO的系泊點，也是立管和其他線纜系統經海底井口到達船體甲板的通道。它與甲板設施相對固定，保證在惡劣海況下FPSO與水下井口保持聯系，轉塔系統是單點系泊技術的核心。

與其他眾多系泊方式相比，轉塔系泊系統具有如下優勢：

(1) 結構緊湊簡單。

(2) 受波浪載荷影響小，適用于惡劣海況條件。

(3) 適用水深范圍較廣。

(4) 具有快速的解脫和回接功能，便于維修。

按轉塔所處位置的差異，轉塔系泊系統可分為外轉塔式(external turret，ET)和內轉塔式(internal turret，IT)。

1 外轉塔單點系泊系統

可解脫立管式外轉塔系泊系統(external dis-connectable riser turret mooring system，RTM)，最早出現于1986年，主要由外伸轉塔、鉸接頭連接器、圓柱形系泊立管、系泊鏈、萬向接頭、旋轉接頭及機械連接裝置組成(見圖4)。RTM制造簡單，安裝方便，具備解脫和回接能力，適用于環境條件較為溫和的海域，主要劣勢是整個立管和系泊系統在解脫后，立柱系統浮力較大并浮于水面，受波浪的影響較大，回接作業存在風險。

(a) (b) (c)

目前現役的外轉塔類型多為永久式懸臂外轉塔(external cantilever turret，ECT)(見圖5)，其主要特征是在船首安裝旋轉軸承和轉塔的外伸懸臂鋼結構，該懸臂支撐轉塔及滑環組結構使其遠離水面。

圖5 懸臂式外轉塔系統

ECT一般安裝在船首外側，船體整體改造量小，船體艙容不受影響。轉塔可單獨建造并與船體懸臂梁結構總成，最終與FPSO船體一同進行安裝，工期有優勢。轉塔檢修、維護方便。但外伸懸臂結構一般較長，同時轉塔位于水面之上使得柔性立管和臍帶系統與轉塔連接位置容易腐蝕并受波浪的影響較大。一般認為，ECT主要適用于淺海油田以及中等以下海況的作業區。

目前世界上最大的外轉塔系統是由SOFEC公司設計建造的Fluminense FPSO懸臂式外轉塔系統，它于2003年8月部署在巴西坎普斯灣的Bijupira and Salema油田，連接18根立管和臍帶系統，采用聚酯纜張緊式系泊系統進行系泊定位。

2 內轉塔單點系泊系統

在FPSO的單點系統中，內轉塔系統的應用最為廣泛。內轉塔系統一般布置在船首或近船首的船中位置，轉塔直徑可根據船體能力和開發要求進行設計。內轉塔以整體集成形式嵌入船體中，立管系統以及相關設備可以得到很好的保護。內轉塔的存在對船體結構造成了影響，同時也減少了艙容。內轉塔系泊FPSO的“風標效應”效果受內轉塔在船上的相對位置的制約，在環境條件惡劣的海域部署的內轉塔系統一般位于FPSO近船中位置并通過動力定位系統改善風標效應。

內轉塔系統一般適用于中等到惡劣海況區以及深水區，多見于北海和中國南海。內轉塔系統一般可分為永久式內轉塔系統和可解脫內轉塔系統兩大類。

2.1 永久內轉塔系泊系統

用于海上油田生產和儲存原油的FPSO，在作業年限內極少離開作業油田。為保證開發作業的連續性，減少停產損失，油田作業者通常希望FPSO在作業年限內持續作業，永久內轉塔系泊系統應運而生。永久內轉塔系泊系統(見圖6)大多采用百年一遇乃至于更高的海況(萬年一遇)作為設計工況，以便系泊系統、船體強度以及立管系統即使在最惡劣海況下也能保證安全，從而保證FPSO在絕大多數工況下具有正常的作業能力。

圖6 內轉塔永久系泊系統[1]Fig.6 Permanent internal turret mooring system

永久內轉塔系泊系統按照風標效應效果的不同，可分為順應式內轉塔(internal passive turret，IPT)和主動式內轉塔(internal active turret，IAT)，兩者的最大區別在于旋轉鎖緊裝置。IPT液體傳輸系統為多通道液體滑環，轉塔轉動不受約束。IAT裝備液壓裝置可以在緊急情況下鎖住單點，避免轉動。

目前世界上最大的永久內轉塔系泊系統為2007年應用在巴西坎普斯灣Marlim Leste油田的FPSO，該單點接納柔性立管數量為75根，采用9根系泊纜實現系泊定位。

2.2 可解脫內轉塔系泊系統

可解脫內轉塔系泊系統具有快速的解脫與回接功能。在極端惡劣條件下，FPSO可以迅速解脫以規避危險海況，一般用于惡劣環境、季節性颶風區和冰區油氣田開發?？山饷搩绒D塔系泊系統多采用浮筒內轉塔的形式，允許整個系泊系統先在海上與浮筒連接安裝，FPSO就位后提升浮筒。FPSO建造-改裝與系泊系統、立管鋪設同時進行，系泊系統與立管系統整體回接FPSO，從而縮短了項目投產時間。

為了不影響FPSO在工作年限內的正常作業，近年來所使用的可解脫內轉塔系泊系統也逐漸采用百年一遇海況乃至更高海況條件進行不解脫設計，從而使得可解脫內轉塔系泊系統具備臺風不解脫的能力。2002年7月投產的“南海奮進號”、2003年7月投產的“海洋石油111號”以及2014年8月投產的“海洋石油118號”，均采用了此種設計理念。

目前常見的可解脫內轉塔系泊系統主要有三種，浮筒式轉塔系泊系統(buoyant turret mooring, BTM)(見圖7)、沉沒式轉塔裝卸系統(submerged turret loading system, STL)和沉沒式轉塔生產系統(submerged turret loading production, STP)。

圖7 浮筒式轉塔系泊系統[1]

BTM由一個嵌入船首船體內部的內轉塔系統和一個蝶形系泊浮筒組成，兩者通過連接器連接。浮筒包括浮筒本體和系鏈臺(chain table)，浮筒提供足夠的浮力以承受系泊腿和立管的垂向重量。系泊纜上端連接系鏈臺，通過軸承傳遞載荷至系泊浮筒。當FPSO解脫時，連接器也解脫，浮筒由于系泊纜的垂向作用自然下沉至水面以下遠離波浪主要能量范圍的位置，以規避惡劣海況的影響。通常解脫后的浮筒連接浮標標記，回接作業時FPSO就位于浮筒上方，通過絞車經內轉塔通道將浮筒拉起并與連接裝置鎖緊，從而完成浮筒回接作業。裝備沉沒式轉塔生產系統的FPSO如圖8所示。BTM出現較早，其管匯、液體旋轉接頭和其他關鍵性部件均位于船體甲板之上，便于維護；轉塔的安裝總成可在船塢內進行，以減少海上現場安裝工作量。BTM的缺點是浮筒外露于FPSO船體外，位于船底下方，使得其在惡劣海況下受力較大，對單點軸承、船體改裝設計有一定的挑戰。

圖8 裝備沉沒式轉塔生產系統的FPSO(源自APL)[7]

STP由STL發展而來，1997年首次安裝在中國陸豐22-1油田部署的FPSO上。它是STL轉塔、系泊與多功能旋轉接頭相結合的產物，總成了系泊系統、轉塔裝置與旋轉接頭，其中旋轉接頭是STP系統的關鍵組成部分，它由液體滑環、電滑環、液壓控制接頭和電信號接頭自下而上搭接而成，是井口油、水、氣、信號和電力與船系統連接的唯一通道。

STP的主要特點有：

(1) 適用水深范圍較廣。

(2) 操作性能好，易于檢修、維護。STP系泊系統的操作包含清管器的接收、液壓系統、應急系統和原油滑環的清洗。系統操作除了故障時需人工控制外，多為自動控制或設有固定操作平臺；STP系泊系統的浮筒和轉塔均嵌入船體，能得到很好的保護，也便于檢修、維護。

(3) 結構簡單緊湊。STP系泊系統的轉軸為被動旋轉，無需驅動裝置，該設計可更好地簡化結構、優化布置；另外浮筒的結構、幾何尺寸均為標準化設計。

(4) 立管和臍帶系統所占的空間及數量可調節。

(5) 船體改裝簡易，結構影響小，且改裝時間短、成本低。

STP具有布局緊湊、結構簡單靈活的特點，適用于深水、淺水、浮冰區及需要快速解脫的作業環境，近年來得到了廣泛應用，尤其在中國，至2014年，已有6個STP在南海服役。但STP系統的旋轉接頭位于船體內，在受到良好保護的同時也限制了滑環堆的大小，因而一般只適用于中小油田生產。

3 全球單點系統的主要供應商及主要可解脫內轉塔單點系統

全球的轉塔設計機構有SBM、 APL(母公司為NOV)、SOFEC(母公司為MODEC)、LMC(London Marine Consultants)、Teekay、 Bluewater等公司。2003—2018年，在全球深水領域FPSO轉塔設計合同份額中，SBM、 NOV和MODEC三家公司共占據了市場份額的77%，其中SBM公司占比31%，NOV公司占比27%，MODEC公司占比19%，如圖9所示。以上這三家企業均擁有轉塔設計專利，表1對這三家公司的轉塔系統特點進行了對比分析。

圖9 FPSO轉塔市場份額[3]Fig.9 FPSO turret market share

表1 主要國外品牌FPSO轉塔系統特點分析Tab.1 Analysis of FPSO turret system characteristics of major foreign brands

3.1 APL公司的STP

整個STP系泊系統分為兩個主要部分，如圖10所示。

圖10 STP系泊系統結構分布[7]Fig.10 Structure distribution of STP mooring system

(1) 水下系統： 主要由轉塔浮筒、系泊錨鏈鋼纜、立管系統等組成，并將STP與海底連接。

(2) 船上系統： 由安裝于FPSO上的滑環堆總成、接頭、提升裝置、液壓鎖緊裝置等用于操作控制STP的部分組成。轉塔部分的構成如圖11所示，包括信號滑環單元、液壓旋轉軸、電滑環單元、加工處理軸等部分組成。

圖11 STP轉塔構成[7]Fig.11 STP turret composition

3.2 SBM公司的可解脫內轉塔單點系統

圖12所示為2003年SBM公司為加拿大紐芬蘭海域的White Rose設計的可解脫內轉塔單點系統，該系統連接12根立管，可適應有義波高15.5 m，譜峰周期12～16 s的海況。與STP相比，SBM公司的水下浮筒旋轉軸部分相對較高。該系統基本結構由位于船體甲板上的滑環堆及附屬設備(包括滑環組、支撐架、配管甲板)、轉塔艙(上端軸承、彈性支撐、浮筒接收器等)和水下浮筒組成。

(a)

(b)

2016年9月，服役于美國墨西哥灣Stone油田的Turritella FPSO服役水深為2 900 m，是目前世界上服役水深最深的浮式生產平臺。該FPSO采用SBM公司的可解脫內轉塔單點系統(見圖13)，浮筒直徑為25 m，高25 m重3 150噸，是目前世界上最大的可解脫浮筒，如圖13所示。

圖13 SBM公司研制的Turritella FPSO可解脫單點系統[5]Fig.13 Turritella FPSO with disconnectable IT mooring system developed by SBM

3.3 SOFEC公司的可解脫內轉塔單點系統

SOFEC公司研制的可解脫內轉塔單點系統相比STP，其轉塔的體積較大，在FPSO甲板以上有四層甲板用于布置滑環堆、井控設備以及其他控制設備。從結構強度來看，其比STP和SBM公司研制的可解脫內轉塔單點系統更強一些。它的基本構造如圖14所示。

圖14 SOFEC公司研制的可解脫內轉塔單點系統組成[1]Fig.14 Composition of disconnectable IT mooring system developed by SOFEC

4 世界范圍內FPSO分布特點與關鍵技術

4.1 世界范圍內FPSO分布特點

本文統計了當前處于服役狀態的160余艘FPSO開發油田的儲量及對應噸位情況，便于從整體上考察當前FPSO的應用情況[3，4]。

(1) 使用FPSO進行開發的油田規模涵蓋了大、中、小三種，體現出FPSO具有非常良好的適應性，能夠完成不同儲量的油田開發需求。

(2) 當前使用FPSO進行開發的油田規模以中、小型為主，這跟海上油田勘探發現的特點有關，大型特大型的整裝油田發現比較少。

(3) 油田儲量規模在一定程度上決定了FPSO的噸位情況，小于15萬噸的FPSO能夠適應中、小油田的開發要求，中、大型油田開發則需要25萬噸以上的FPSO。

(a)

(b)圖15(a)FPSO服役油田規模分布(b)FPSO噸位與油田規模的關系(下)[3，4]Fig.15 (a) FPSO seroiced oil field reserve distribution (b) Relationship between FPSO’s DWT and field reserve

與前面所述油田規模相對應的是當前FPSO噸位以15萬噸以下為主，數量占總數的50%。大型FPSO占總數的20%。從具體噸位來看，主要集中在10萬～15萬噸和25萬～30萬噸(見圖16)。

具體到各個海區FPSO的應用情況如下：

(1) 西非、巴西、亞太、北海是當前最主要的FPSO應用區域，基本上各占據總數的1/4。受多方面因素影響，墨西哥灣尤其是美國墨西哥灣，FPSO應用得較少，但近年來取得了突破。

(2) 從應用FPSO的油田儲量來看，北海、亞太以中、小型油田為主，相應的，FPSO噸位也以15萬噸為主；巴西、西非近年來發現了多個大型油田，應用FPSO進行開發的油田儲量以大、中型為主，相應FPSO噸位也以大型為主。

(3) 從FPSO類型來看，北海以新造FPSO為主，巴西以改造FPSO為主，其他地區新建FPSO與改造FPSO均有應用，這除了與油田開發方案有關以外，更多地取決于當地的環境條件。

如圖17所示本文比較了6個典型海區的環境條件與對應FPSO部署特點。

圖16 FPSO噸位分布[3]Fig.16 Distribution of FPSO’s DWT

圖17 FPSO主要應用海域環境特點與對應FPSO部署特點

(1) 北海，尤其是臨近北大西洋的海域環境條件非常惡劣，FPSO須采用內轉塔形式來實現風向標效應。為了更好地傳遞系泊載荷，內轉塔通常位于結構較強的船中附近，一般可配以動力定位系統來更好地實現風向標效果。這要求FPSO根據環境條件要求、內轉塔位置要求進行針對性的設計。該海域的FPSO絕大多數為新建可解脫內轉塔FPSO。

(2) 墨西哥灣南部環境較為溫和，且以淺水油田為主，這里應用的FPSO多為外轉塔改裝FPSO。一方面美國墨西哥灣沿岸環境惡劣，該海域開發程度較高，對于FPSO的需求較低。另一方面由于FPSO在一定時間內會存儲大量易燃易爆品，并與人同處一艘船，因此相關監管部門對于FPSO的安全性存在一定的疑慮。近年來，FPSO在美國墨西哥灣的應用取得了突破。2012年，BW FPSO在此部署，其形式為內轉塔油輪改裝的FPSO。為了滿足相關安全要求，該FPSO為可解脫式，這也將是FPSO在美國墨西哥灣應用的趨勢。

(3) 巴西海域環境溫和，溫和的環境條件對于系泊系統和船體結構要求不高，這里應用的FPSO以油輪改造為主，多采用散布式系泊與外轉塔系泊。

(4) 西非的情況與巴西沿岸類似，不同的是該海域有涌浪環境的存在，該海域的FPSO既有油輪改造的，也有一定數量新建的，多采用散布式系泊。

(5) 中國南海北部環境惡劣，常有臺風過境，油田生產時間較長，以15萬噸級的新造FPSO為主，一般為能夠抵抗極端環境的不可解脫內轉塔FPSO，但隨著近年來極端臺風的增多，新投產的FPSO多具備快速解脫裝置，一方面在一般極端環境下能保證不停產，另一方面在特別極端環境來臨時能解脫，以保證安全。

(6) 亞太其他地區環境條件都較為溫和，故多應用外轉塔、內轉塔油輪改造FPSO。

4.2 中國部署的FPSO情況

中國是FPSO的應用大國，中海油現擁有17艘FPSO，在今后南海油氣田開發過程中，FPSO是不可缺乏的開發模式，但是在FPSO單點技術方面，國內企業的研究仍處于前期。單點的設計和制造能力基本都掌握在SBM、 NOV、 SOFEC、 Bluewater等國外企業手中。由于技術壁壘較高，并已形成品牌和案例效應，因此這些公司已經形成了單點市場的寡頭壟斷。

突破單點設計技術，開展單點系統深化研究，最終實現單點產品國產化是中國南海開發的迫切需要。單點系統具有高科技、高投資、高風險、高回報的特點。如大型單點投資額度高達數億美元，經濟效益巨大。掌握單點技術和國產化是實現“降本增效”的有效途徑，也是國內企業步入國際FPSO總包項目的必要條件。

FPSO是我國南海的油田開發中主流的生產方式。目前，中海油擁有世界上最大的FPSO船隊?！安澈Ｓ颜x號”是我國自己建造的第一艘FPSO,于1989年投產，用于開發渤海灣BZ(渤中)28-1油田。緊隨著“渤海長青號”“渤海明珠號”“渤海世紀號”“海洋石油112”和“海洋石油113”相繼在渤海灣投入使用。中海油FPSO的布署基本情況如表2所示。目前，我國在南海部署(包括部署過及計劃部署)的FPSO全部為內轉塔FPSO，其中絕大多數是新建的，可解脫單點系統全部為APL公司(現NOV公司)的產品。

表2 我國境內現有FPSO統計

4.3 內轉塔單點系統關鍵技術與國產化

內轉塔單點系統的關鍵技術如圖18所示，主要包括立管設計分析、轉塔系統設計、液體滑環設計、主軸承設計、單點系統建造集成。立管設計分析須根據油田生產要求以及總體開發要求進行布置和設計。轉塔系統應根據系泊系統、船體特點、油田生產要求進行總體布置設計、設備選型、單點結構分析和龍門結構分析等，并將設計載荷提供給滑環供應商和軸承供應商。滑環與軸承供應商應根據設計要求進行產品設計。

滑環系統特別是液體滑環系統是單點系統的最核心部件。液體滑環系統的關鍵技術包括設計技術、制造技術與檢測技術。最核心的技術是動密封技術、驅動抗傾覆技術與智能檢測技術。

圖18 內轉塔單點系統關鍵技術Fig.18 key technology of sigle point system of IT

圖19 液滑環關鍵技術

北京高泰公司在內轉塔單點系統設計領域深耕多年，基本掌握了單點總體設計、單點系泊系統設計、單點系統載荷設計技術，通過恩平FPSO單點系統基本設計、參與文萊CALM單點的EPCI總包以及相關科研項目，積累了一定的單點工程經驗，并初步打通了可靠的單點系統上下游產品供應鏈。

在關鍵設備領域，國內液滑環制造商已經能夠完成相關設計工作，在制造方面與檢測方面均能夠達到設計要求，但還缺乏相關試驗的驗證。國內頂尖的軸承廠商具備世界級的設計制造能力，在單點軸承領域，國內廠商完全能夠滿足要求。

目前，內轉塔單點系統(包括可解脫內轉塔單點系統)具備了初步的國產化能力，系統總成、建造與試驗是未來內轉塔單點系統國產化的最大挑戰。

5 結 語

目前，世界范圍內單點系統還處于專利技術壟斷的階段。中國境內部署的FPSO數量位居世界第四，而這些處于運行狀態的FPSO上所安裝的單點系統均為國外產品。作為FPSO建設工程中附加值最高的產品，單點系統無疑是體現一個國家海洋工程制造業水平的尖端產品。單點系統的國產化是建設海洋強國，保證國家能源安全，提高國內海洋工程制造業水平所需要重點研發和攻關的產品。

可喜的是，目前國內在液滑環、小直徑液體滑環、軸承產品以及CALM總裝上已經取得了部分突破，在內轉塔系統設計領域已經能夠達到基本設計深度，國內相關配套廠商的產品在技術指標上已經能夠滿足要求。相信未來單點系統的國產化、大型化一定能夠取得突破，更好地支撐國內海洋油氣和海洋工程行業的發展。