浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置單點系泊系統(tǒng)綜述

謝锏輝，楊料荃

(深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067)

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置單點系泊系統(tǒng)綜述

謝锏輝，楊料荃

(深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067)

針對國內(nèi)浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置FPSO單點系泊系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的綜述。分別介紹了懸鏈式系泊系統(tǒng)(CALM)、單錨腿系泊系統(tǒng)(SALM)、塔式軟剛臂系泊系統(tǒng)(SYS)、外轉塔式系泊系統(tǒng)(ETM)和內(nèi)轉塔式系泊系統(tǒng)(ITM)，并展望了FPSO在我國深水海洋油氣資源開發(fā)中的應用。

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置；單點系泊系統(tǒng)；軟剛臂系泊系統(tǒng)；內(nèi)轉塔系泊系統(tǒng)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)的發(fā)展歷史已有近40年。作為一種海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)，它集海上油氣生產(chǎn)、儲存和外輸以及生活、動力于一體，并通過系泊裝置長期定位于固定海域，適用于20～2 000 m不同水深及各種環(huán)境下的海況。與傳統(tǒng)的固定導管架平臺加海底管道的開采形式相比，F(xiàn)PSO具有投資低、見效快、風險小、可重復使用等特點。在遠離海岸的中、深海及邊際油田的開發(fā)中，相較于傳統(tǒng)方式，F(xiàn)PSO更具有不可比擬的優(yōu)勢。

FPSO在從事海上油氣開采作業(yè)的過程中，首先便需要具備海域長期定位與克服一定海況這兩種基本性能，因此，F(xiàn)PSO采用不同于常規(guī)船舶錨泊設備的系泊系統(tǒng)。作為FPSO設計中最為核心的技術之一，系泊系統(tǒng)的歷史其實較FPSO更為久遠。以系泊船舶是否具備風標效應區(qū)分，系泊系統(tǒng)大致可分為多點系泊(SMS)與單點系泊(SPM)兩大類。其中SMS不具備風標效應，多使用在海況較為平穩(wěn)的海域，如西非、印尼、巴西海域等。在這些海域，波浪和風向一定，F(xiàn)PSO順波浪方向布置，系泊索由船艏和船艉向西面八方展開并鏈接至海底錨樁，立管設置于船舷兩側，如巴西“Cidade de Angra dos Reis MV22”號FPSO，采用SOFEC公司設計的SMS系泊系統(tǒng)，作業(yè)水深達到2 149 m[1]。在臺風、颶風多發(fā)，海況復雜的海域，例如南中國海，像FPSO這種船舶型浮體，SMS顯然并不適合。因此，單點系泊系統(tǒng)由于其在克服惡劣海況與對不同海域的包容性方面的優(yōu)勢，成為我國海洋石油開發(fā)中FPSO的主要系泊方式。

在SMS系統(tǒng)中，系泊系統(tǒng)與立管系統(tǒng)無論從布置形式還是功能上都相對獨立，而SPM系統(tǒng)則是集定位系泊和外輸原油終端兩種作用于一體，與船舶點式連接，系泊點同時完成船舶定位與油氣輸送兩種功能，并且在風、浪、流影響下，船舶可繞系泊點做360°旋轉。對于FPSO這種縱橫向環(huán)境力相差很大的船舶型海上裝置，單點系泊顯然具備更好的優(yōu)越性。按照美國船級社(ABS)的分類，單點系泊系統(tǒng)共分為懸鏈式系泊系統(tǒng)(CALM)、單錨腿系泊系統(tǒng)(SALM)、塔式軟剛臂系泊系統(tǒng)(SYS)和轉塔式系泊系統(tǒng)(TM)，其中轉塔式系泊系統(tǒng)又可細分為外轉塔式(ET)和內(nèi)轉塔式(IT)。本文對幾種系統(tǒng)分別加以介紹。

1 懸鏈式系泊系統(tǒng)

CALM最初是作為“海上加油站”設計投產(chǎn)的。它主要是作為固定碼頭的補充或替代設備，相對于傳統(tǒng)的固定式碼頭具有投資省、見效快等優(yōu)點，被廣泛用于原油裝卸。CALM是單點系泊中數(shù)量最多的一種，也是發(fā)展時間最久、最為成功的一種類型。

CALM主要由浮筒、系泊錨鏈和輸油系統(tǒng)組成。浮筒作為系泊主體浮于水面，并通過多根呈輻射狀均布的懸鏈固定于海床，恢復力由懸鏈提供。FPSO通過系泊纜系泊于浮筒轉臺，被約束在固定海域，轉臺可使FPSO繞浮筒做360°旋轉，因此具備良好的風標效應。轉臺中心設有流體旋轉頭，旋轉頭向下連接水下軟管和輸油管匯，向上連接有漂浮軟管并通向FPSO，如圖1所示。

圖1 懸鏈式系泊系統(tǒng)Fig.1 Catenary anchor leg mooring system

1992年茂名石化公司引進了我國首個海上懸浮式25萬噸級CALM單點泊位碼頭，現(xiàn)已升級至30萬噸級別，圖1(b)是該CALM的現(xiàn)場照片。進口原油通過單點管匯卸船上岸較從湛江固定碼頭上岸每噸可節(jié)省費用約23元，自投產(chǎn)以來已累計為企業(yè)節(jié)省原油運輸成本30億元[2]?？梢?，作為固定碼頭的補充，CALM單點系統(tǒng)具備良好的經(jīng)濟效益。另外在南海北部灣潿洲西南油田群，也有CALM系泊系統(tǒng)服務。潿洲CALM系泊系統(tǒng)設計能力為6萬噸級，單點距潿洲終端處理廠2.9 km。

CALM單點系泊系統(tǒng)在碼頭、泊位和航道水深不足的近海海域有其突出的優(yōu)勢，但是隨著水深的增大，則需要更長的懸鏈，也就意味著需要更大的浮筒。雖然可用重量更輕的鋼纜代替錨鏈，但鋼纜在吸收動載荷和使用壽命上不如錨鏈，因此限制了CALM的應用水深。目前在100 m以下水深的海域，CALM多采用全錨鏈式懸鏈，而在大于100 m的中深海域，多采用鋼纜錨鏈混合的懸鏈，以綜合發(fā)揮其各自的優(yōu)勢。另外由于浮筒與FPSO通過系泊纜連接，在環(huán)境載荷下二者的響應不同，因此，環(huán)境因素也限制了其適用海域。

2 單錨腿系泊系統(tǒng)

SALM是一種構造簡單緊湊的系泊系統(tǒng)，它包括三個部分：一是由基盤和樁基或吸力錨組成的海底錨固裝置；二是由萬向接頭、錨鏈或杠件、系泊浮筒和系泊纜組成的系泊裝置；三是由基礎軟管、旋轉接頭、水下軟管和漂浮軟管等組成的輸油裝置。其組成則是通過一根錨鏈(或杠件)連接浮筒與樁基(或吸力錨)并設有萬向接頭，浮筒半浮于水面，船舶通過系泊纜與浮筒連接，船舶與浮筒可繞樁基做360°旋轉，海底管線自樁基通過柔性軟管與FPSO連接，旋轉接頭設置在樁基上，如圖2所示。

目前，世界上已有十幾套SALM系統(tǒng)投入使用，主要由SOFEC公司和APL公司生產(chǎn)。在國內(nèi)，中國船舶研究中心也開展了對于永久SALM單點系泊裝置的相關研究，并在“西江24-3”油田現(xiàn)場進行了相關的現(xiàn)場測試、模型試驗和計算分析，取得了一定的成果。SALM系泊系統(tǒng)適用水深為30～150 m，而以水深50～80 m為佳。

圖2 單錨腿系泊系統(tǒng)Fig.2 Single anchor leg mooring system

3 塔式軟剛臂系泊系統(tǒng)

傳統(tǒng)的SYS裝置實際上就是將塔式結構物固定在海床上，此塔式結構物也可稱為系泊平臺或系泊塔。FPSO上設置有系泊構架，通過系泊腿與剛臂鉸接；剛臂鉸接系泊頭，并通過萬向滑環(huán)與系泊平臺連接。FPSO可繞系泊塔隨風浪、潮流做風標旋轉，并可隨浪涌在一定的范圍內(nèi)升降搖擺，恢復力由剛臂的配重提供，配重形式分為三種：靠近FPSO配重、靠近系泊塔配重以及水下配重。系泊塔上部為軟管平臺，設有流體旋轉頭。軟管懸跨在軟剛臂上，兩端由系泊架構和軟管平臺上的弧形板提供支撐，如圖3所示。

圖3 塔式軟剛臂系泊系統(tǒng)Fig.3 Soft yoke mooring system

另外，還有一種水下軟剛臂系泊系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是由系泊塔、上部結構、剛臂、系泊腿、FPSO系泊架構及跨接軟管和電纜組成。其與傳統(tǒng)SYS的區(qū)別在于采用錨鏈式系泊腿，剛臂及其轉動裝置完全浸沒于水中并接近海床，用獨立柱式結構替代導管架，如圖4所示。相較于傳統(tǒng)的SYS，水下軟剛臂系泊裝置在系泊系統(tǒng)和塔架結構上進行了簡化，減少了鋼材用量，在節(jié)約成本的同時也減輕了系統(tǒng)重量。采用塔柱結構減少了所受冰載荷，立管設置在塔柱套管內(nèi)部，將不受環(huán)境力影響。但是，由于系統(tǒng)的關鍵系泊裝置均在水下，所以其在檢測維護等方面的要求較高。

圖4 水下軟剛臂系泊系統(tǒng)Fig.4 Underwater soft yoke mooring system

不論水上還是水下SYS系泊系統(tǒng)，其作業(yè)水深一般小于40 m[3]。在中國渤海，軟剛臂單點系泊是FPSO系泊的主流方案，工程實例較多。例如目前服務于BZ28-2S油田的海洋石油102，采用的是水上軟剛臂的單點系泊系統(tǒng)；服務于BZ25-1油田的海洋石油113，采用的是水下軟剛臂系泊系統(tǒng)，見圖5。

圖5 SYS系統(tǒng)實例Fig.5 Examples of SYS system

4 轉塔式系泊系統(tǒng)

TM的工作原理與前文所述的單點系泊方式一樣，以某種連接方式將FPSO固定于海上某一系泊點，并使其可隨環(huán)境力繞系泊點做360°旋轉，形成風標效應，降低系統(tǒng)在環(huán)境力作用下的載荷和運動響應。轉塔式單點系泊可適用于全球任何海域，相較于前文所述的單點系泊系統(tǒng)，TM對于臺風、颶風多發(fā)，無法固定波向和風向的海域具有很好的穩(wěn)定性，并且適用于各種水深海域。轉塔式單點系泊按結構形式又可分為外轉塔式(ETM)和內(nèi)轉塔式(ITM)。

鑒于我國南海惡劣的海況條件，以及深海油田的開發(fā)，轉塔式系泊系統(tǒng)必然是南海FPSO系泊的主要方式。

4.1 外轉塔式單點系泊系統(tǒng)

傳統(tǒng)的外轉塔單點系泊為立管式轉塔系統(tǒng)(RTM)。該系統(tǒng)由CALM與SALM系統(tǒng)綜合發(fā)展而來，見圖6(a)。系泊立管由錨鏈固定于海床，恢復力由剛性立管的壓載力矩傳遞，緩和了懸鏈系泊中的載荷突變。采用剛性轉塔和機械連接器代替CALM的系泊纜，使得FPSO與系泊點對環(huán)境載荷的響應趨于一致，相較于CALM，在一定程度上增強了對復雜海況的適應性。RTM雖然具備解脫與回接功能，但是由于剛性立管富余浮力的存在，在波浪影響下不利于回接。

圖6 RTM(左)與ECT(右)示意圖Fig.6 Schematic diagram of RTM and ECT

隨著對外轉塔系泊技術的改進與發(fā)展，目前世界上所使用的外轉塔系統(tǒng)多為懸臂式外轉塔系統(tǒng)(ECT)。ECT是一種永久性的單點系泊系統(tǒng)。旋轉軸承和轉塔安裝在由船艏或船艉伸出的大型懸臂鋼結構物上，旋轉軸承外圈連接到懸臂上，內(nèi)圈與塔的固定部分結合。這種結構方式使得轉塔從船艏或船艉向外延伸一段距離，并保持在水面之上。懸鏈下端固定于海床，上端連接至轉塔下部邊沿的系泊鏈終端，由懸鏈提供回復力。柔性立管由轉塔底部接入，見圖6(b)及圖7。ECT系統(tǒng)允許直接在碼頭安裝，并且不占用FPSO的甲板面積和倉容，減少了對船體的改造，便于轉塔的維修和檢查。但是轉塔位于水面之上也存在一些問題：由于柔性立管和臍帶系統(tǒng)上部可能會受到較大的波浪影響，在設計波高較高的危險海域，為不使轉塔底部系統(tǒng)發(fā)生波浪砰擊，轉塔的位置需要設計得更高；同時，為避免船體與系泊索相互碰撞，懸臂也需設計得更長。

圖7 懸臂式外轉塔系統(tǒng)Fig.7 Cantilever external turret mooring system

綜上所處，無論是RTM或是ETC，綜合經(jīng)濟性和可行性等諸多方面考慮，較適用于海況條件較平緩的海域，若在環(huán)境惡劣的海域中，由于系泊機構受力增大，將會增加投資和建造難度。外轉塔系泊裝置適用于船體內(nèi)部空間緊張以及舊油輪改造的情形，較之前面幾種系泊方式，其在波浪響應和適用水深范圍上還是具有相當明顯的優(yōu)勢的。若是在海況平穩(wěn)的海域使用，ETM無疑是一種經(jīng)濟性和穩(wěn)定性俱佳的可選方案。目前主要有SOFEC和SBM單點公司設計制造外轉塔式單點系泊裝置。

4.2 內(nèi)轉塔式單點系泊系統(tǒng)

ITM是近年國際上較為常用的單點系泊裝置。這種系統(tǒng)可靠性高、抗風浪能力強、具有良好的風標效應，根據(jù)不同的需求可設計成解脫式或不可解脫式，具備15年以上連續(xù)不間斷的生產(chǎn)能力。ITM系統(tǒng)又可分為浮動式內(nèi)轉塔系泊系統(tǒng)(BTM)和沉沒式內(nèi)轉塔系泊系統(tǒng)(STL)。

圖8 浮動式內(nèi)轉塔單點系泊系統(tǒng)Fig.8 Buoyant turrent mooring system

BTM由系泊浮筒和系泊轉臺兩部分組成，如圖8所示。浮筒包括浮筒本體和系鏈臺，系泊腿一端固定于海床，一端連接至系鏈臺。浮筒提供支撐系泊腿和立管重量的浮力，在FPSO解脫時，浮筒浮于水下一定深度的某一位置。系泊轉臺鑲嵌于FPSO的船艏位置，貫穿船體并突出于甲板以上一定高度，轉臺下部通過軸承裝置連接于船底。轉臺與浮筒由結構連接器連接，系泊載荷通過軸承傳遞至浮筒，再由系泊腿配重鏈提供回復力。

BTM相比于外轉塔單點系泊裝置，其轉塔設置在船體內(nèi)部，轉塔的安裝可以在船塢完成，大大減少了海上的施工量。另外，這種關鍵設備在船體內(nèi)部布置的形式，允許人員在惡劣海況下靠近關鍵設備對其進行維修保養(yǎng)。若是可解脫式BTM系統(tǒng)，系泊浮體沉沒于水下，相較于RTM具有更好的回接性能。雖然有諸多優(yōu)點，但由于浮筒仍然暴露在船體以外，仍會受到一定程度的環(huán)境力影響，所以限制了其在更高海況中的應用。

目前有三艘采用BTM單點系泊系統(tǒng)的FPSO服務于我國南海，包括南海勝利號、南海發(fā)現(xiàn)號以及南海開拓號，其中兩艘的照片見圖9。從外觀上看，采用BTM單點系統(tǒng)的FPSO均有一突出于甲板的轉塔結構，其中南海勝利號為不可解脫式BTM，南海發(fā)現(xiàn)號和南海開拓號為可解脫式BTM。

圖9 采用BTM的FPSO實例Fig.9 Examples of FPSO with BTM system

在BTM系統(tǒng)的基礎上，隨后發(fā)展出了一種更具優(yōu)越性的單點系泊系統(tǒng),即STL。STL在設計思路上與BTM基本一致，但是在具體結構上存在區(qū)別，主要表現(xiàn)在浮筒上。STL所采用的浮筒為圓錐型浮筒，轉塔部分依舊設置在船體內(nèi)部，在FPSO船腹與浮筒連接處設有一錐形的浮筒穴。當浮筒與轉塔連接時，浮筒將完美契合于浮筒穴內(nèi)，與船體成嵌套式鏈接，如圖10所示。這種形式使得浮筒在波浪中的受力情況優(yōu)于BTM浮筒。浮筒內(nèi)為鏈接系泊腿與立管系統(tǒng)的轉臺，外部連接設置在船體內(nèi)的轉塔，在系泊狀態(tài)時，浮筒外部可與船體一起繞轉臺轉動，解脫后，浮筒浮于水中。它具有靈活、安全、經(jīng)濟等特點。在STL系統(tǒng)的基礎上，為滿足FPSO的生產(chǎn)需求，發(fā)展出了沉沒式轉塔生產(chǎn)系統(tǒng)(STP)。STP系統(tǒng)與STL系統(tǒng)在系泊結構上相同，區(qū)別在于，STP在STL的轉塔和系泊技術的基礎上，更結合了多功能旋轉接頭。多功能旋轉接頭由生產(chǎn)集液旋轉接頭、電刷接頭、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、電力從立管內(nèi)傳至FPSO管道系統(tǒng)的唯一通道[4]。沉沒式轉塔系泊系統(tǒng)的作業(yè)水深在50～1 500 m之間，較之BTM系統(tǒng)，具有更高海況作業(yè)能力，安全性能出色。若是可解脫式，可在任意氣候條件下解脫以規(guī)避極端惡劣環(huán)境；若是不可解脫式，按百年一遇的海況設計，也可在颶風、浮冰等各種惡劣海況中安全作業(yè)。另外，其結構簡單緊湊，浮筒標準化設計并嵌入船體，在得到很好保護的同時也易于檢修和維護。

圖10 STP單點系泊系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of STL single point mooring

另外，以單系泊腿受力最大作為初始條件，經(jīng)研究顯示，系泊腿分組布置較之對等布置，其錨腿的最大張力將減少20%左右，最大偏移量減小5%[5]。因此，STP系統(tǒng)的系泊腿布置形式不同于早期BTM系統(tǒng)的對等布置，均采用分組布置。2000年后在我國南海建造并投入使用的FPSO均為采用STP浮筒的沉沒式內(nèi)轉塔單點系泊系統(tǒng)，其中包括服務于番禺油田的海洋石油111、服務于西江油田的海洋石油115、服務于文昌油田的南海奮進號以及服務于新文昌油田群的海洋石油116，其中兩艘的照片見圖11。按照我國現(xiàn)行的海洋石油作業(yè)要求，以上FPSO采用的均為不可解脫式STP單點系泊系統(tǒng)。

圖11 STP系統(tǒng)FPSO實例Fig.11 Examples of FPSO with STP with STP system

5 結 語

單點系泊系統(tǒng)的選擇首先應考慮其用途。作為海上油氣田開發(fā)工程FPSO的配套設施使用，應選擇轉塔或SYS類單點系泊；若是作為固定碼頭的補充或替代設備，則CALM和SALM更為合適。在單點形式的選擇上，并沒有絕對的優(yōu)選方案。我們應在確定其用途的基礎上，再綜合考慮水深、海況、海底土壤地貌以及經(jīng)濟性、可行性等諸多方面來選擇單點系泊的形式。

隨著海洋石油開發(fā)向深水和超深水發(fā)展，F(xiàn)PSO已然成為海洋工程的熱點。目前我國在FPSO的建造方面已經(jīng)具備自主研發(fā)和建造能力，但在FPSO海上定位方面基本上完全依賴國外單點系泊技術。本文對目前世界上采用的主要單點系泊系統(tǒng)進行了介紹。以我國FPSO單點系泊技術的使用情況看，渤海海域主要采用SYS系統(tǒng)，單點廠家為SBM或SOFEC；南海海域在2000年以前建造的FPSO單點系統(tǒng)均為BTM系統(tǒng)，而2000年以后新建單點系統(tǒng)均采用STP系統(tǒng)，單點廠家為APL。南海勝利號作為南海挑戰(zhàn)號半潛式平臺作業(yè)海區(qū)服務的FPSO，其作業(yè)水深達到300 m以上；除此之外，南海其余FPSO作業(yè)水深均小于150 m，配合導管架式平臺使用，僅發(fā)揮了FPSO的遠岸作業(yè)優(yōu)勢，并未發(fā)揮其深水優(yōu)勢。隨著我國在半潛式平臺研發(fā)建造上的突破，我國南海的FPSO必將作業(yè)于更深海域。單點系泊是中深水油氣開發(fā)工程中FPSO的核心技術，如何實現(xiàn)單點系泊系統(tǒng)的自主設計建造安裝是有待解決的問題。

[1] 沈蘇雯.深水FPSO系泊系統(tǒng)[J].中國船檢，2012(11)：74.

[2] 陳浩.淺談單點系泊技術的應用[J].中國新技術新產(chǎn)品，2012(14)：123.

[3] 劉志剛，何炎平.FPSO轉塔系泊系統(tǒng)的技術特征及發(fā)展趨勢[J].中國海洋平臺，2006(5)：1.

[4] 李展.浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)及其系泊系統(tǒng)[J].廣東造船，2006(3)：40.

[5] 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計指南: 海洋石油工程FPSO與單點系泊系統(tǒng)設計[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

ReviewofSingle-PointMooringSystemofFPSO

XIE Jian-hui，YANG Liao-quan

(COOECSubseaTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067，China)

We summarize the single-point mooring systems of floating production storage and offloading system (FPSO).The review covers catenary anchor leg mooring system,single anchor leg mooring,soft yoke mooring system,external turret mooring system,and internal turret mooring system.In the end,the application prospects of FPSO for domestic deepwater oil and gas resources development are given.

floating production storage and offloading system; single-point mooring system; soft yoke mooring system; internal turret mooring system

TE952; U656.1+26

A

2095-7297(2014)03-0189-06

2014-08-20

謝锏輝(1987—)，男，碩士，主要從事水下結構物和單點錨系的研究。