永久系泊FPSO在極端天氣下的防損策略

楊軼

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

FPSO由于其海域適 應性強、可解脫、可重復利用、經濟性好等諸多優勢，廣泛應用于海洋石油開發生產,極端天氣的出現會對永久系泊FPSO產生重大影響，甚至重大威脅。為此，針對極端天氣會導致FPSO及系泊系統損壞、生產中斷并造成巨大經濟損失的問題，分析應對措施，提高FPSO在極端天氣下的防損能力。

1 FPSO設計環境條件

FPSO通過單點系泊系統固定在海上，可隨風浪流的作用進行360°的自由旋轉，同常規船舶相比，FPSO對環境有更大的依賴性，作為FPSO設計的先決條件，對目標海域的環境條件進行調查和分析是十分必要的。FPSO設計所關注的環境條件主要是風、浪、流。南海海域和渤海海域分別采用100年一遇和50年一遇環境條件設計，部分FPSO設計環境條件見表1。

表1 渤海、南海FPSO設計環境

2 極端天氣對FPSO的影響

極端天氣是指天氣的狀態嚴重偏離其平均態，在統計意義上屬于不易發生的小概率事件，但隨著全球氣候變暖，而且是這么快速的、迅速的變暖，顯然打破了過去的氣候格局。大氣環境的改變會影響到氣候狀況相應的變化，歷史上百年一遇的小概率事件可能發展成為幾十年、甚至幾年一遇的常態事件。

極端天氣對FPSO存在以下影響，當FPSO系泊在單點系泊系統上時，如果波浪是規則的，則除了產生與波浪頻率一致的搖蕩運動外，還伴有浮體平均位置的偏移；如果波浪是不規則的，則伴有長周期的漂移運動，這一運動的頻率遠較不規則波的特征頻率為低，而且振蕩運動的平均位置也將不在浮體原先的平衡位置上，產生了漂移。當不同方向風浪流共同作用時，FPSO船體長期受到風浪流載荷影響，反復產生浮、沉、蕩、傾、搖運動，在不斷運動中找尋平衡位置，系泊系統和船體承載很大的橫向力、縱向力和回轉力矩，極易造成FPSO及單點系泊系統疲勞損傷。若超過安全載荷，FPSO可能拽離系泊系統，造成FPSO失控漂移或單點系泊系統損毀，失控漂移的FPSO承載風浪流載荷的能力大大降低，在失控漂移過程中可能撞毀其他設施，如過往船只、井口平臺等，導致溢油、船舶碰撞、火災爆炸、人員傷亡等次生事故。近年來，發生的幾起事故雖未造成人員傷亡，但直接經濟損失和間接經濟損失都很大。1995年“渤海明珠號”單點YOKE壓載艙尖頂戳破艏尖艙；1997年“渤海明珠號”單點YOKE橫撐梁斷裂；2000年“渤海友誼號”單點主軸承破裂；2005年“南海奮進”單點液壓緊固裝置損壞4個、單點艙進水；2006年，“南海勝利”錨纜斷7根，未斷裂的3條錨系受損嚴重，被迫停產塢修；2009年“南海發現”錨纜被拉斷4根，3個海底基盤分別遭到移位或變形破壞；2009年，“海洋石油113”水下軟剛臂系泊塔倒塌；2011年，“渤海長青號”軟剛臂系泊單點損壞，被迫停產解脫。

3 防損策略

3.1 實施持續性檢驗計劃，提高結構可靠性

每5年1個周期，對FPSO分別實施年度檢驗、中間檢驗、換證檢驗和必要的附加檢驗。船東或油田作業者應根據檢驗合同、入級檢驗規范，結合生產和設備實際，與驗船師協商制定檢驗周期的持續性檢驗計劃，嚴格按計劃檢查、維護、檢驗關鍵設備和系統。臺風季節前后，增加水下檢驗頻次，對單點系泊系統的錨鏈、船體水下結構等進行重點檢驗，及時發現各種潛在損害，對受損部分進行技術分析，查找損壞原因并予以修復和更換，提高結構的可靠性。如果超過FPSO設計壽命還需繼續使用，應委托權威機構按最新環境載荷進行延壽評估，對關鍵結構進行必要的更換或加強，或者將FPSO降級使用。

3.2 優化配載，降低系泊力

由于FPSO及系泊系統強度設計基于風、浪、流、配載等最不利條件組合，所以，通過優化配載，減少靜水彎矩可提高波浪彎矩余量，使FPSO承受更大的環境載荷。以南海某FPSO為例，通過建立水動力模型，利用NAPA和Ariane軟件，以所在海域百年一遇環境條件(見表2，采用JONSWAP波譜)為依據，計算FPSO在不同環境條件和不同裝載工況的最大系泊力(見圖1)和浮筒系固錨鏈承受的最大張力(見表3)。對于永久系泊FPSO單點系泊系統在極限環境荷載作用下的安全特性、系泊力監測和分析，主流方法主要通過數值模擬、模型試驗及現場實測。

表2 南海某FPSO所在海域百年一遇環境條件

表3 不同海況和不同裝載工況下錨鏈線所承受的最大張力分布 kN

圖1 不同海況和不同裝載工況下FPSO系泊力分布

系泊系統中系泊張力受FPSO船體位移影響較大，而船體位移又與吃水深度有關。吃水過深會加大船體受到的波浪力及海流力，此情況不利于船舶運動；吃水過淺會造成船體的受風面積過大，船體運動隨之增加。在相同環境條件下，不同裝載工況導致FPSO承受的系泊力差異較大，海況B1最為明顯，不同裝載工況導致FPSO系泊力差異高達64.8%；最安全的狀態(錨鏈張力最小)處于空載和滿載之間的某個裝載工況(lC7或lC9)下。在FPSO儲油量及環境條件一定的情況下，通過優化配載，將貨油合理分配到不同的貨油艙并調整邊艙壓載水，可有效減小系泊力，lC9/lC7或相近裝載工況系泊力較小。系泊系統錨鏈最大張力發生在海況B1、滿載(lC1)工況下，除A1海況外，其余海況滿載工況下系泊力都很大。所以，極端天氣下應盡量避免滿載，保證FPSO彎矩和剪力在安全值范圍內。

3.3 提前做好設施設備的預緊加固

對永久系泊FPSO，臺風季節前后要對單點系泊系統的鋼絲、浮筒、卸扣、掛耳等進行重點檢查，調整檢驗、檢測周期，撤臺前，重點檢查/關閉水密門、窗、通風口，關閉甲板上所有因修理而打開的艙口和通風孔以及水密門，維持水密完整性；拆除甲板上的腳手架、作業工棚及其他臨時搭設的建構筑物，減少受風面積，用鋼絲繩綁扎固定好甲板上可移動的甲板料箱等移動物體，減少沖擊載荷對船體的不良影響。

3.4 提高設計標準

自2000年以來，在我國登陸的超強臺風就有18個。2014年“威馬遜”、2016年“莫蘭蒂”中心風力超過17級,遠遠超過現役FPSO設計環境條件(極限抗風能力62.2 m/s)，突破了百年一遇重現期。為提高FPSO自存能力，以下3方面值得深入探討：①提高FPSO設計建造標準，以最新實測風浪數據為準，或將重現期從百年一遇提高到五百年一遇甚至千年一遇，可大大提高FPSO自存能力。如SBM公司為一超大型LNG船設計永久系泊轉塔可抵御澳大利亞海域萬年一遇環境條件；②與廠家討論FPSO安全解脫的環境條件，對現有系泊系統進行改造，實現快速解脫功能，在遭遇臺風前，快速解脫后拖航避臺。但此舉需要功率拖船的協助配合，拖船動員、拖航方案審查等準備工作，會耗費大量時間；③新/改建FPSO按航行船舶設計、建造，帶動力并安裝船舶自動識別系統，遇臺風快速解脫后自航主動避臺，臺風后迅速返航、回接復產，但目前FPSO是按海上固定設施管理，如果按船舶管理，涉及相關的法規，較為復雜。

3.5 加強日常管理

FPSO應對極端天氣要堅持“十防九空也要防”的原則，安排專業人員提前評估不同設施，尤其是老舊設施的防抗臺狀態和局限性，做好針對性的防臺應急部署。對關鍵結構和設備進行摸底，重點評估單殼單底、老舊FPSO的防臺能力和局限性，提前對潛在的避臺錨地、避風港，拖航航道水深、靠泊碼頭前沿水深，碼頭系泊纜、系纜樁設計抗風能力等進行深入調研，以應對FPSO解脫后撤離避臺的可能性。針對各種應急事件，經常性開展演習演練，提高應急響應速度、縮短應急撤臺和復產時間。 持續優化防臺決策閉環管理，以從臺風生成預報至復臺完畢的全過程為主線，將整個防臺/撤臺工作全過程劃分臺風預報、預警跟蹤確認、撤臺部署決策、撤臺應急等7個階段，特別是針對1 500、1 000、500 km 3個警戒圈，按階段進行信息統計、資源落實、趨勢預判、方案擬定、響應執行。臺風季節前，召開防臺工作會議對防臺工作進行部署，檢查應急物資準備情況，如FPSO上長期配備的應急拖帶設備是否檢驗合格并隨時可用，檢查人員是否熟悉撤臺預案等，了解可用船舶、直升機等應急資源的救援能力，如直升機載客總人數、起降條件限制、機組成員總值勤時間限制，拖輪馬力等；臺風臨近前，多渠道監測災害天氣的強度和動態，跟蹤FPSO生產儲油狀態、人員動態等，按應急部署做好生產關斷和人員撤離工作。

3.6 應急信息集成管理，提升應急處置能力

FPSO存儲大量油(氣)、人員相對集中且遠離陸地，使搶險和救援的難度很大。一旦發生應急事件，時效性很重要，正確有效的應急指令能否及時下達，在很大程度上依賴于陸地應急指揮中心各個應急職能組提供給應急指揮長的信息和數據支持。通常情況下，FPSO應急需要獲取氣象信息(臺風路徑演示等)，FPSO生產儲油、人員動態，FPSO周邊可用應急資源，FPSO技術資料(設計圖紙等)，FPSO附近航道、過路船舶動態及航跡，海事局等政府主管部門聯絡信息等，待處理的信息量非常龐大。將所需信息集成化，搭建應急管理信息平臺(系統)，可為應急決策提供輔助支持，包括但不限于將收集整理后的應急基礎信息資料電子化錄入，在FPSO上安裝AIS終端、將船舶動態監控系統集成，分類建立FPSO圖紙資料便于快速查取，在FPSO上建自動氣象站、實現氣象實時數據接入，在FPSO和系泊系統安裝監測預警系統(包括FPSO姿態方位導航儀、系泊系統錨鏈傾角儀等)，實時提供現場環境參數、船體運動姿態、系泊系統受力等監測數據，上述信息數據集成到一個平臺-應急管理信息系統后，經自動檢測并匹配有關數據信息，全面提升作業公司應急處置能力。