FPSO單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

在海上油氣生產(chǎn)開(kāi)發(fā)中，F(xiàn)PSO定位于某一固定的海域，進(jìn)行長(zhǎng)期的海上油氣生產(chǎn)作業(yè)。FPSO不同于常規(guī)運(yùn)輸船舶的拋錨定位，它需要抵抗極限條件的環(huán)境荷載，在固定海域系泊時(shí)間從10幾年到20幾年不等，同時(shí)還需要與周邊平臺(tái)之間傳輸井流、電力和通信，保證一定海況下的連續(xù)安全生產(chǎn)。根據(jù)不同海域/海況條件，F(xiàn)PSO常用的系泊形式主要包括：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)(single point mooring system)、多點(diǎn)伸展系泊系統(tǒng)(spread mooring system)和動(dòng)力定位系統(tǒng)(dynamic positioning)，其中以單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的應(yīng)用最為普遍[1]。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)自20世紀(jì)40年代由美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展成為一種廣泛使用的海上系泊油船和FPSO的定位方式，對(duì)海上油田的開(kāi)發(fā)起著極為重要的作用。美國(guó)船級(jí)社(ABS)將單點(diǎn)系泊系統(tǒng)分為四大類：懸鏈浮筒式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(catenary anchor leg mooring System，CALM)、單錨腿式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(single anchor leg mooring，SALM)、塔架軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(tower soft yoke mooring)(見(jiàn)圖1)和轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(turret mooring)[2](見(jiàn)圖2)。

圖1 塔架軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

圖2 轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

1 我國(guó)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 渤海FPSO單點(diǎn)系泊應(yīng)用現(xiàn)狀

渤海海域海洋環(huán)境相對(duì)溫和，作業(yè)平均水深為18 m，最大水深為70 m。由于水深的限制不宜采用懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)，目前渤海FPSO均采用軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。另外渤海海域緯度較高，重冰年份90%以上海域被海冰覆蓋，因此單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮可解脫性能。

我國(guó)渤海使用的軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)有兩種基本形式：水上軟鋼臂和水下軟鋼臂，其主要區(qū)別在于軟鋼臂和配重相對(duì)于水面的位置。水上軟鋼臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)軟鋼臂及系泊腿鉸接點(diǎn)均在水面以上，不僅滿足常規(guī)情況下的使用，而且便于日常維護(hù)和檢修。水下軟鋼臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)采用錨鏈將FPSO與水下的軟鋼臂相連，系泊臂鉸接點(diǎn)位于系泊腿底部，可降低單點(diǎn)系泊腿的彎矩，并節(jié)省鋼材用量。從渤海軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)應(yīng)用情況來(lái)看，該系統(tǒng)技術(shù)成熟，適用于淺水FPSO系泊作業(yè)，滿足抗冰和可解脫設(shè)計(jì)要求。

1.2 南海FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

南海已開(kāi)發(fā)油田作業(yè)水深一般在90～330 m，環(huán)境條件惡劣，并且屬于臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)域。目前南海FPSO均采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性高、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，可設(shè)多通道旋轉(zhuǎn)接頭，便于維護(hù)保養(yǎng)。根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求，系泊系統(tǒng)還設(shè)計(jì)為可解脫式和不可解脫式兩種。

2 單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展，技術(shù)趨于成熟、可靠。但隨著系統(tǒng)服役時(shí)間的推移，單點(diǎn)系統(tǒng)/部件的退化不可避免，單點(diǎn)故障、事故時(shí)有發(fā)生。另外作業(yè)水深的增加和更加惡劣的環(huán)境條件，都對(duì)單點(diǎn)系泊技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。一項(xiàng)針對(duì)北海FPSO的統(tǒng)計(jì)資料顯示，平均每5.4年就有一艘FPSO系泊系統(tǒng)失效，在很多事故中都出現(xiàn)了系統(tǒng)性的損壞，而且長(zhǎng)期的故障率仍不確定[3]。我國(guó)渤海、南海也都發(fā)生過(guò)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)故障。

案例一?！澳虾倮?hào)”FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)損壞事故?！澳虾倮?hào)”是世界上第一艘舊油船改造的臺(tái)風(fēng)不解脫式FPSO，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式，單點(diǎn)有10根系泊纜，錨鏈與鋼纜直徑均為114.3 mm(25 in)，單根纜長(zhǎng)度約3 800 m。2006年流花11-1油田遭強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“珍珠”正面襲擊，使該油田作業(yè)的“南海勝利號(hào)”FPSO的7根系泊纜、3根柔性立管嚴(yán)重?fù)p壞，事故造成油田停產(chǎn)一年，F(xiàn)PSO被迫解脫、拖航并進(jìn)行塢內(nèi)大修。

案例二?！澳虾０l(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)損壞事故?！澳虾０l(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO是一艘由舊油船改造成的FPSO，于1990年改造完成投產(chǎn)于惠州油田群，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式。2009年惠州油田群受“巨爵”臺(tái)風(fēng)襲擊，“南海發(fā)現(xiàn)號(hào)”FPSO的4根系泊纜、4條柔性立管以及3個(gè)水下基盤發(fā)生移位或損壞。

案例三?！昂Ｑ笫?02”單點(diǎn)故障。“海洋石油102”FPSO服役于BZ28-2S油田，采用塔架式水上軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。2011年單點(diǎn)Yoke頭部橫搖軸承附近橫向管結(jié)構(gòu)與三腳架連接處被嚴(yán)重撕裂，橫向管結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形。事故造成清管球平臺(tái)部分管線、閥門和儀表受損，隨后油田立即停止生產(chǎn)，并解脫FPSO、更換受損系泊結(jié)構(gòu)。

分析、總結(jié)歷次單點(diǎn)事故可以發(fā)現(xiàn)，造成單點(diǎn)事故的主要原因如下。

1)極端惡劣海洋環(huán)境頻發(fā)，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)載荷，最終導(dǎo)致單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系統(tǒng)性損壞。

2)對(duì)海洋環(huán)境荷載認(rèn)識(shí)不足，國(guó)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)海域的適用性有待研究。

3)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、設(shè)施老化，導(dǎo)致系泊性能退化。

4)系泊系統(tǒng)管理體系不夠完善，尚未形成完整的單點(diǎn)全壽命管理體系。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為完整性管理的重要組成部分，通過(guò)連續(xù)、實(shí)時(shí)地測(cè)量目標(biāo)系統(tǒng)工作狀態(tài)，可為作業(yè)者決策提供參考依據(jù)；通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作性能與設(shè)計(jì)指標(biāo)，測(cè)量數(shù)據(jù)可驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣，并為今后的設(shè)計(jì)提供改進(jìn)意見(jiàn)。

2.2 軟鋼臂式單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要應(yīng)用在我國(guó)渤海淺水FPSO系泊，主要有水上軟鋼臂和水下軟鋼臂兩種形式。通過(guò)總結(jié)軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)管理經(jīng)驗(yàn)，分析、總結(jié)歷次單點(diǎn)事故原因，軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)見(jiàn)圖3、4。

圖3 水上軟鋼臂關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

圖4 水下軟鋼臂關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

環(huán)境荷載和FPSO的六自由度運(yùn)動(dòng)是引起系泊恢復(fù)力的直接原因，從系統(tǒng)分析的角度出發(fā)，除了系泊系統(tǒng)受力和系泊關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)FPSO的運(yùn)動(dòng)、位置及環(huán)境荷載等信息進(jìn)行測(cè)量。水下軟鋼臂系泊系統(tǒng)采用獨(dú)腿式系泊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度小，在外界荷載作用下易產(chǎn)生振動(dòng)。為了掌握由上部模塊振動(dòng)可能引起的滑環(huán)損傷情況，還需要監(jiān)測(cè)系泊腿上部模塊的振動(dòng)，并依此建立滑環(huán)的損傷判別模型。

1)海洋環(huán)境荷載信息測(cè)量。海洋環(huán)境荷載主要包括風(fēng)荷載、流荷載和波浪荷載，在冬季還存在冰荷載影響。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)測(cè)量環(huán)境參數(shù)信息，采用理論及數(shù)值方法計(jì)算間接得到環(huán)境荷載大小，見(jiàn)表1。

表1 海洋環(huán)境荷載信息測(cè)量

2)FPSO整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)測(cè)量。FPSO在外界荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生非常復(fù)雜的耦合運(yùn)動(dòng)，包括垂直面運(yùn)動(dòng)(橫搖、縱搖和垂蕩)和水平面運(yùn)動(dòng)(橫蕩、縱蕩和艏搖)。垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)將引起FPSO吃水、水線面、浮心和恢復(fù)力矩的改變，若某一時(shí)刻恢復(fù)力矩難以平衡風(fēng)浪流荷載引起的干擾力矩，將可能導(dǎo)致FPSO穩(wěn)性失效。水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)將引起FPSO水平位置變化，需要系泊系統(tǒng)提供恢復(fù)力來(lái)保持其平衡位置。

3)系泊系統(tǒng)受力測(cè)量。準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲得系泊系統(tǒng)受力，是整個(gè)單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。我國(guó)渤海軟鋼臂系泊系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，并未考慮到系泊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。若想直接測(cè)量系統(tǒng)受力，需要在力的傳遞路徑上增加力傳感器，這樣需要油田停產(chǎn)并對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行改造，從經(jīng)濟(jì)、安全性上來(lái)講此種方法都是不可取的。根據(jù)軟鋼臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)工作基本原理，通過(guò)測(cè)量軟鋼臂和系泊腿位置、角度變化，即可計(jì)算得到系泊系統(tǒng)受力，見(jiàn)圖5。

圖5 軟鋼臂系泊系統(tǒng)力的幾何關(guān)系示意

2.3 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于FPSO需要在固定海域進(jìn)行連續(xù)的作業(yè)，這就需要系泊系統(tǒng)保持長(zhǎng)期的工作狀態(tài)。系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命一般為20年，但是其可能承受百年一遇甚至更惡劣的極端條件，并導(dǎo)致系泊纜張力過(guò)大而損壞。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)見(jiàn)圖6。

圖6 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

海洋環(huán)境荷載信息和FPSO整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)信息也是內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的重要部分，但由于系泊形式和工作原理的不同，系泊系統(tǒng)受力測(cè)量方法和技術(shù)也不盡相同。對(duì)于轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，系泊受力測(cè)量主要有如下幾種方法[4]。

1)高精度的浮體位置測(cè)量，采用數(shù)值方法計(jì)算得到系泊系統(tǒng)受力。

2)系泊纜角度測(cè)量，根據(jù)系泊纜角度推導(dǎo)得出系泊系統(tǒng)受力。此方法需要建立系泊系統(tǒng)響應(yīng)模型，并根據(jù)測(cè)量的系泊纜角度確定系統(tǒng)整體受力。

3)系泊纜張力測(cè)量。該方法是最直接的測(cè)量方法，但由于需要在系泊纜中嵌入張力測(cè)量元件，并使之成為荷載傳遞路徑中的一部分，因此也是風(fēng)險(xiǎn)最大的一種測(cè)量方法。

4)在轉(zhuǎn)塔支撐結(jié)構(gòu)上布置測(cè)量元件，通過(guò)建立的系泊-結(jié)構(gòu)間傳遞函數(shù)，推斷系泊系統(tǒng)受力。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)受力測(cè)量技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)受力測(cè)量技術(shù)對(duì)比

注：風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分為1～5級(jí)，其中5.0代表風(fēng)險(xiǎn)最高。

由表2可見(jiàn)，高精度的浮體位置測(cè)量無(wú)論從技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)還是時(shí)間、經(jīng)濟(jì)性上來(lái)說(shuō)，都是最優(yōu)的系泊力測(cè)量方法。系泊纜角度測(cè)量雖然整體性價(jià)比也很高，但由于其測(cè)量原理的限制，僅適用于懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)受力測(cè)量，而不適用于張緊式系泊系統(tǒng)受力測(cè)量。系泊纜張力測(cè)量是最直接的測(cè)量方法，也是獲得系泊纜動(dòng)態(tài)張力的惟一方法。由于測(cè)力元件作為系泊纜荷載傳遞的組成部分，對(duì)于現(xiàn)役系泊系統(tǒng)需要將系泊纜卷起、剪斷并重新連接，從技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用綜合考慮都是不可接受的。

3 結(jié)束語(yǔ)

FPSO單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量海洋環(huán)境、FPSO運(yùn)動(dòng)和位置、系泊系統(tǒng)受力等信息，不僅可以實(shí)時(shí)反映FPSO及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)工作狀態(tài)，為作業(yè)者提供決策支持，而且還可以驗(yàn)證FP-

SO及附屬的立管、系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為今后同類型設(shè)計(jì)提供改進(jìn)支持。

目前海洋石油113、112等FPSO均已安裝了單點(diǎn)系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取了大量寶貴的現(xiàn)場(chǎng)第一手資料，為油田安全生產(chǎn)提供了重要的支持。

[1] 呂立功,景 勇,溫寶貴,等.FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的考慮[J].中國(guó)造船,2005，46(增刊):348-356.

[2] ABS.Rules for Building and Classing Single Point Moorings[S].American Bureau of Shipping,1996.

[3] Floating Production System JIP FPS Mooring Integrity[R].UK:Health and Safety Executive,2006:Research Report 444.

[4] PATERSON R B,EDWARDS R Y.A conceptual study of techniques for measuring global loads on the terra nova FPSO[R].Canada:National Research Council Canada,2000:PERD/CHC Report 20-57.