內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

白雪平，李 達(dá)，范 模，易 叢，鄒 星

(中海油研究總院，北京 100027)

隨著國(guó)內(nèi)海洋事業(yè)的不斷發(fā)展，海洋開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向東海和南中國(guó)海海域，F(xiàn)PSO 作為海上油氣田的主要生產(chǎn)設(shè)施，對(duì)海上油田開采起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)不同的海域和海況條件，目前世界上的FPSO 主要采用以下三種定位方式:單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、多點(diǎn)系泊系統(tǒng)以及動(dòng)力定位系統(tǒng)。在世界上環(huán)境條件最惡劣的三大海域(北海、墨西哥灣和南中國(guó)海)，幾乎所有的FPSO 都配置內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。雖然南中國(guó)海由于風(fēng)浪流等環(huán)境參數(shù)極為惡劣，環(huán)境條件的方向性不明顯，但內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在南中國(guó)海具有多年安全生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，因此其成為了南中國(guó)海FPSO 定位的最佳選擇。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)承擔(dān)著FPSO 定位、油氣水生產(chǎn)及信號(hào)傳輸功能，并使FPSO 具有了風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，這樣FPSO 能夠隨著風(fēng)浪流進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，且在各種風(fēng)浪流作用下FPSO 的受力最?。?］。

圖1 恩平24-2 油田主要工程設(shè)施Fig.1 The main engineering facility of Enping 24-2 oilfield

以恩平24-2 油田FPSO 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例，介紹內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為今后南中國(guó)海內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。恩平24-2 油田位于南中國(guó)海珠江口盆地北部坳陷帶西南緣恩平凹陷南部，在地理上屬于南中國(guó)海北部大陸架，油田所在海域水深約90 m。根據(jù)恩平24-2 油田開發(fā)的需要，其主要工程設(shè)施確定為:1 座8 腿鉆采平臺(tái)，設(shè)計(jì)年限25年;1 艘15 萬噸級(jí)FPSO 及1 套單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)年限30年;1 條2.2 km 海底混輸軟管，動(dòng)態(tài)段與靜態(tài)段靠水下基盤連接，設(shè)計(jì)年限25年;1 條2.2 km 海底復(fù)合電纜，設(shè)計(jì)年限25年(如圖1 所示)。

1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)總體規(guī)劃

1.1 單點(diǎn)的選型

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和FPSO 船體設(shè)計(jì)是一個(gè)相互配合的過程，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的總體布置和重量直接影響著FPSO 船體甲板布置和船體性能，同時(shí)船體的性能又影響著單點(diǎn)系泊纜的受力。目前，單點(diǎn)設(shè)計(jì)均由單點(diǎn)公司承擔(dān)，且由于專利件較多，其核心技術(shù)仍為單點(diǎn)公司所壟斷。從以往中海油新建FPSO 的實(shí)際情況來看，一般都在基本設(shè)計(jì)階段后期才開始啟動(dòng)單點(diǎn)招標(biāo)工作，而此時(shí)船體已經(jīng)進(jìn)行到基本設(shè)計(jì)，這樣給船體設(shè)計(jì)帶來一定的障礙，因此在基本設(shè)計(jì)階段甚至更早(概念設(shè)計(jì))開展單點(diǎn)初步設(shè)計(jì)顯得尤為重要。恩平24-2油田開發(fā)項(xiàng)目在基本設(shè)計(jì)階段開展了單點(diǎn)的初步設(shè)計(jì)，這是中海油建造FPSO 項(xiàng)目中首次在基本設(shè)計(jì)階段開展相關(guān)工作。

恩平24-2 FPSO 所在區(qū)域水深為87.1 m，其具備油氣水生產(chǎn)處理、原油儲(chǔ)存和外輸、電力供應(yīng)等功能，船體主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 恩平24-2 FPSO 船體主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The main design parameters of the EP24-2 FPSO 參數(shù)

南中國(guó)海共有9 艘FPSO，均為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，其中有4 艘新建FPSO 為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式永久單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，臺(tái)風(fēng)期間FPSO 不解脫，但關(guān)井、停產(chǎn)、人員撤離。由于其具備在南中國(guó)海操作維護(hù)經(jīng)驗(yàn)豐富、適應(yīng)極端海況能力強(qiáng)、通道數(shù)量限制低等優(yōu)勢(shì)，確定為恩平24-2 FPSO 的單點(diǎn)系泊型式［2-3］。眾所周知，南中國(guó)海屬于臺(tái)風(fēng)頻發(fā)區(qū)，F(xiàn)PSO 頻繁地解脫和回接必然帶來油田長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)和高昂的回接費(fèi)用，為了應(yīng)對(duì)南中國(guó)海緊急狀況和維修的需要，內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成具有解脫功能:解脫程序?yàn)槿斯げ僮?，保證24 小時(shí)內(nèi)解脫，因此，針對(duì)南中國(guó)海惡劣的環(huán)境條件，具有解脫功能的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式永久系泊系統(tǒng)是最適宜南中國(guó)海FPSO的單點(diǎn)形式［4］，它既能抵抗南中國(guó)海惡劣的環(huán)境條件，又能在突發(fā)或者維修情況下能快速解脫，同時(shí)也是恩平24-2 油田兼顧經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性和安全性的最佳選擇。

根據(jù)恩平24-2 油田開發(fā)方案，兼顧區(qū)域開發(fā)的潛在需求，進(jìn)一步完善了單點(diǎn)的功能:根據(jù)FPSO 的處理能力，以及周邊油田的輸送需求，單點(diǎn)液體滑環(huán)數(shù)量確定為1 用2 備;根據(jù)FPSO 上最大的電力輸送能力，35kV 高壓電滑環(huán)確定為1 用1 備;根據(jù)平臺(tái)與FPSO 間通訊要求，通訊滑環(huán)確定為1 套，含36 路信號(hào);根據(jù)油田生產(chǎn)安全和海域基礎(chǔ)資料搜集的需求，設(shè)置1 套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)風(fēng)浪流環(huán)境條件、FPSO 運(yùn)動(dòng)軌跡以及單點(diǎn)系泊纜的受力，為生產(chǎn)維護(hù)提供指導(dǎo)，為以后項(xiàng)目積累原始數(shù)據(jù)。

1.2 單點(diǎn)總體布置

根據(jù)單點(diǎn)廠家的不同，南中國(guó)海FPSO 的滑環(huán)模塊有兩種布置:一是布置在船體甲板上(SBM/SOFEC/BLUEWATER 公司);二是布置在船艙內(nèi)(APL 公司)。對(duì)于布置在船體甲板上的滑環(huán)模塊，由于維修和操作在露天進(jìn)行，便于維修和操作，但占用空間較大，甲板布置緊張，且容易受風(fēng)浪影響;而布置在船艙內(nèi)的滑環(huán)模塊由于操作空間相對(duì)封閉，不利于安全，但能節(jié)省空間，有利于甲板布置，且易于建造和安裝。在恩平24-2 FPSO 初步設(shè)計(jì)階段，考慮易于檢驗(yàn)、維護(hù)、維修，以及FPSO 有富裕的甲板面積，因此推薦將滑環(huán)模塊布置在艏樓甲板上。

根據(jù)恩平24-2 單點(diǎn)初步研究成果，內(nèi)轉(zhuǎn)塔永久式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)由單點(diǎn)浮筒、分離器、轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)、立管甲板、收球甲板、滑環(huán)模塊和龍門結(jié)構(gòu)組成(如圖2 和圖3 所示)，系泊纜、立管和電纜在安裝時(shí)預(yù)先連接固定在浮筒上。單點(diǎn)艙月池直徑約9 m，滑環(huán)模塊布置在甲板上，浮筒、分離器和轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)位于船體單點(diǎn)艙內(nèi)。由于系泊纜、立管和電纜自重較大，使得浮筒直徑較大，為10.5 m;單點(diǎn)浮筒自重為402 t，凈浮力約350 t;浮筒與上部結(jié)構(gòu)的鎖緊結(jié)構(gòu)為常規(guī)設(shè)計(jì)的鑄造件。系泊纜布置和錨鏈拖拉布置確定了內(nèi)轉(zhuǎn)塔尺寸，初步設(shè)計(jì)階段規(guī)劃出內(nèi)轉(zhuǎn)塔直徑為7 m;由于較大的系泊荷載，內(nèi)轉(zhuǎn)塔安裝精度非常重要，需要配置較大的滾珠軸承(直徑為7.8 m);此外單點(diǎn)艙、船體甲板處主軸承和下部軸承處均需要加強(qiáng)。

圖2 單點(diǎn)組成Fig.2 Combination of single point system

圖3 單點(diǎn)總體布置示意Fig.3 General arrangement of single point system

1.3 單點(diǎn)解脫和回接

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)一般可以分為永久式系泊系統(tǒng)和可解脫式系泊系統(tǒng)，這兩種單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在南中國(guó)海都應(yīng)用很成功，近幾年由于技術(shù)可行且油田生產(chǎn)效率高，永久式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)被大量采用;可解脫式系泊系統(tǒng)需要匹配可自航FPSO，每年僅使用幾次航行，F(xiàn)PSO 投資大，效能低。恩平24-2 FPSO 采用帶解脫裝置的永久式系泊系統(tǒng)，主要考慮是:一旦環(huán)境條件超過設(shè)計(jì)工況后，也能解脫;二是FPSO 需要解脫進(jìn)塢維修后再連接時(shí)，各系泊纜無需再進(jìn)行一次海上連接，通過錨機(jī)提拉浮筒而實(shí)現(xiàn)整體連接，在較短時(shí)間內(nèi)完成海上解脫和回接工作，從而縮短了油田的停產(chǎn)時(shí)間。它與傳統(tǒng)意義上可解脫式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)有些區(qū)別，不需要采用快速解脫裝置;它的不足之處是投資大，使用機(jī)會(huì)少。

綜合考慮到南中國(guó)海海域環(huán)境條件和工程船的操作限制，單點(diǎn)的解脫和回接限制環(huán)境條件為:有義波高2 m，1 分鐘平均風(fēng)速10 m/s，表層流速為0.5 m/s。針對(duì)恩平24-2 單點(diǎn)浮筒，采用Orcaflex 軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，從圖4 所示的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):浮筒位于水面以下15 m 處，單點(diǎn)浮筒所需要的絞車力達(dá)到最大為530 t，同時(shí)由于FPSO 的偏移大大影響了錨機(jī)的能力，因此建議解脫和回接時(shí)FPSO 的最小吃水應(yīng)為15 m，以減少絞車力，并盡量使浮筒與FPSO 之間的相對(duì)距離最小。單點(diǎn)浮筒解脫時(shí)，浮筒內(nèi)充入壓載水，系泊纜、立管和電纜將連接在浮筒轉(zhuǎn)盤上，考慮到結(jié)構(gòu)的自身重力和浮力作用，從圖5 中顯示浮筒位于水面以下40 m 處達(dá)到平衡，而且單點(diǎn)浮筒從水面以下15 m 解脫至40 m 處所需時(shí)間約為15 s。

圖4 不同浪向下系泊絞車最大張力Fig.4 Winch dynamic tension in different wave headings

圖5 浮筒解脫后的軌跡圖Fig.5 Dropped buoy orbit

2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

2.1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

從南中國(guó)海多條FPSO 的單點(diǎn)故障中不難發(fā)現(xiàn)，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的主要破壞形式是系泊纜的破環(huán)，而究其主要原因則是原有單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷和惡劣海況的頻發(fā)。因此，設(shè)計(jì)階段需結(jié)合目標(biāo)海域海況特點(diǎn)，采用最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行系泊系統(tǒng)評(píng)估。

針對(duì)恩平24-2 油田的特性，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于:

1)采用500年一遇環(huán)境條件設(shè)計(jì)。由于最近幾年南中國(guó)海FPSO 頻發(fā)的單點(diǎn)事故及惡劣海況時(shí)有發(fā)生，甚至?xí)霈F(xiàn)超過百年一遇的極端環(huán)境條件。按照500年一遇的極端環(huán)境條件，即有義波高Hs為14.2 m，流速2.3 m/s，風(fēng)速58 m/s，可以使新建FPSO 適應(yīng)南中國(guó)海不同區(qū)域惡劣海況的要求，有效降低惡劣海況下FPSO 安全事故發(fā)生的可能性，但FPSO 將經(jīng)受較強(qiáng)的波流耦合作用，波浪慢漂力將會(huì)很大，將會(huì)使得系泊纜的尺寸增大。

2)安裝海域水深淺。恩平24-2 油田水深只有87.1 m，加上500年一遇的惡劣環(huán)境條件，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮淺水的影響，這樣恩平單點(diǎn)系泊系統(tǒng)就成為最難設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng):懸鏈線效應(yīng)將無法發(fā)揮其長(zhǎng)處，在FPSO 運(yùn)動(dòng)的作用下，懸鏈線將會(huì)迅速全部拉緊，拉力將成指數(shù)增長(zhǎng)。

3)由于單點(diǎn)具有解脫功能，因此系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需考慮解脫和回接工況的各種要求。

各個(gè)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［5］都對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)的規(guī)定，對(duì)于采用動(dòng)力分析方法的安全系數(shù)，各規(guī)范規(guī)定幾乎一致，對(duì)于完整狀態(tài)的安全系數(shù)須不小于1.67，破損狀態(tài)安全系數(shù)不小于1.25。恩平24-2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊分析初步設(shè)計(jì)階段采用了準(zhǔn)動(dòng)力分析方法，使用時(shí)域和頻域綜合分析的方法求得計(jì)算結(jié)果，系泊纜的張力是按導(dǎo)纜孔處的準(zhǔn)靜力響應(yīng)而得到，此方法對(duì)于淺水系泊系統(tǒng)具有足夠的精度，在南中國(guó)海FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了較好的應(yīng)用，但恩平24-2 海域單點(diǎn)系泊系統(tǒng)分析需考慮淺水和五百年一遇的惡劣環(huán)境條件，對(duì)于系泊纜的張力，需進(jìn)行動(dòng)力放大得到系泊纜的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果。此外，在系泊纜張力滿足規(guī)范所要求的最小安全系數(shù)的前提下，應(yīng)盡量減少FPSO 的位移，降低動(dòng)態(tài)立管和電纜的設(shè)計(jì)難度。

2.2 系泊系統(tǒng)總體布置

對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，系泊纜的布置可以采用兩種模式:分組模式和均布系泊模式。這兩種形式的布置方式在南中國(guó)海FPSO 上均有使用，但相關(guān)研究結(jié)果表明:分組式系泊的最大張力比均布式系泊小20%;分組式系泊的FPSO 在惡劣環(huán)境下的最大偏移量比均布式小5%，因此分組式系泊模式有更多的冗余防止系泊失效。另外，采用分組式系泊，組與組之間有較大的空間來布置立管和電纜。

由于南中國(guó)海臺(tái)風(fēng)的方向性是多變的，它會(huì)以意想不到的方向到達(dá)FPSO 所在海域，這將導(dǎo)致均布式系泊系統(tǒng)不再滿足設(shè)計(jì)要求而損壞，因此恩平24-2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮極端環(huán)境條件、立管和電纜布置的需要、海上安裝工程量等因素，采用3 組×4 根系泊纜布置(如圖6 和圖7 所示)，組與組之間的夾角是120°。

圖6 系泊系統(tǒng)總體布置Fig.6 General arrangement of mooring system

圖7 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)立體圖Fig.7 Effect drawing of mooring system

2.3 系泊纜設(shè)計(jì)

系泊纜的組成取決于環(huán)境條件和水深，其有兩種組合形式:①錨鏈和鋼纜;②錨鏈和合成纖維纜。聚酯纜是目前在工程中使用最多的合成纖維纜，根據(jù)研究結(jié)果表明，對(duì)于深水、環(huán)境條件惡劣的系泊系統(tǒng)，錨鏈和聚酯纜組合的系泊纜是最經(jīng)濟(jì)的，聚酯纜的優(yōu)越性將隨著水深的增加而增加。由于恩平24-2 FPSO 屬于淺水永久系泊，系泊纜需長(zhǎng)久與海底接觸，而聚酯纜具有拉力特性，且容易產(chǎn)生蠕變，對(duì)淺水系泊的整體性是不利的，因此恩平24-2 單點(diǎn)采用錨鏈和鋼纜組合的系泊纜，既能降低系泊纜重量，提高系泊性能，又能在一定程度上減少工程投資。

由于系泊纜的長(zhǎng)度與水深、FPSO 噸位、環(huán)境條件、系泊纜的構(gòu)造和錨的形式有密切關(guān)系，因此也是系泊分析一個(gè)優(yōu)化的技術(shù)指標(biāo)。恩平24-2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)屬于淺水系泊，系泊纜自身幾何變形引起懸鏈線形狀的變化是有限的，此外為了防止在錨點(diǎn)處產(chǎn)生上拔力，因此需要足夠長(zhǎng)的系泊纜，以使部分系泊纜臥地來補(bǔ)償FPSO 的運(yùn)動(dòng)，降低系泊纜的動(dòng)載荷。錨鏈由于其重量大，恢復(fù)力大，耐摩擦，且與FPSO 相連一端需使用止鏈器，所以考慮在系泊纜的兩端采用錨鏈。鋼纜由于其重量輕且價(jià)格便宜，工程應(yīng)用較廣，而對(duì)于懸鏈線部分，采用鋼纜，尤其在FPSO 解脫時(shí)，將減少系泊纜的重量，但是鋼纜不耐磨，加上淺水，鋼纜的使用就有其局限性，另外也將帶來系泊系統(tǒng)額外的復(fù)雜性和安裝難度，因此系泊纜懸鏈線部分不考慮使用鋼纜，只在臥地纜部分考慮鋼纜。對(duì)于臥地部分的鋼纜，即使在大風(fēng)暴情況下，可能會(huì)從海底拉起，但此時(shí)系泊纜處于幾乎拉直狀態(tài)，觸地點(diǎn)處的鋼纜彎曲將會(huì)很小。綜合考慮錨鏈和鋼纜的特性，因此恩平24-2 單點(diǎn)系泊纜采用錨鏈—鋼纜—錨鏈的組合，根據(jù)設(shè)計(jì)成果得知，除了702 m 臥底鋼纜外，其他均為錨鏈，半徑1 200 m(如圖8 所示)。

在系泊分析時(shí)系泊錨鏈(系泊鋼纜由于有保護(hù)套，不考慮腐蝕裕量)破斷強(qiáng)度要根據(jù)相應(yīng)設(shè)計(jì)年限的腐蝕裕量進(jìn)行折減，在腐蝕裕量的考慮上，不同規(guī)范有不同的要求。事實(shí)上，根據(jù)南中國(guó)海操作維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，錨鏈腐蝕問題并不嚴(yán)重。綜合規(guī)范規(guī)定、南中國(guó)海使用經(jīng)驗(yàn)等因素，確定了錨鏈腐蝕裕量按照0.3 mm/a 設(shè)計(jì)，并根據(jù)要求定期檢測(cè)，腐蝕達(dá)到更換條件時(shí)及時(shí)更換。

圖8 系泊纜的組成Fig.8 Combination of mooring line

系泊系統(tǒng)剛度決定了系泊纜受力和船體的偏移，剛度太大，會(huì)產(chǎn)生更大的系泊力;剛度太小，浮體運(yùn)動(dòng)劇烈，因此剛度要適中，且剛度曲線應(yīng)盡可能平滑，圖9 為恩平24-2 FPSO 滿載工況下的系泊系統(tǒng)剛度曲線。由于淺水惡劣環(huán)境條件下，波流耦合作用將帶來較大的慢漂運(yùn)動(dòng)，這樣系泊纜張力將會(huì)很大。為了增加單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的恢復(fù)力，降低FPSO 的偏移和系泊纜受力，防止錨點(diǎn)處的上拔力，需對(duì)系泊纜進(jìn)行適當(dāng)增加配重，可增加臥地纜重量，縮短臥地纜的長(zhǎng)度。通過對(duì)單位長(zhǎng)度配重塊重量的敏感性分析，得出隨著單位長(zhǎng)度重量的增加，F(xiàn)PSO 的偏移量減小，而在系泊纜完整狀態(tài)下系泊纜的平均受力有所增加，極限張力卻有所下降，綜合考慮系泊纜的受力和FPSO 的偏移，初步設(shè)計(jì)階段考慮單位長(zhǎng)度配重塊重量為1.3 t。根據(jù)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)分析方法，系泊系統(tǒng)分析結(jié)果如表2 所示，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求［6］，F(xiàn)PSO 的偏移量滿足動(dòng)態(tài)立管和電纜的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于配重塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)很容易導(dǎo)致在未來的使用過程中脫落，從而降低系泊系統(tǒng)的能力，從南中國(guó)海單點(diǎn)故障中不難發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PSO 存在配重塊丟失的現(xiàn)象，因此配重塊連接形式的選擇就變得尤為重要。恩平24-2 單點(diǎn)初步設(shè)計(jì)階段，考慮配重塊制造能力和系泊纜組成，選用的配重塊形式如圖10 所示。

表2 恩平24-2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)分析結(jié)果Tab.2 Results of EP24-2 mooring system

圖9 滿載工況下系泊系統(tǒng)剛度曲線Fig.9 Stiffness curve of mooring system in the full condition

圖10 配重塊形式Fig.10 The shape of weight

恩平24-2 系泊纜的設(shè)計(jì)年限為30年，因此系泊纜需長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受南中國(guó)海惡劣環(huán)境條件的考驗(yàn)，系泊纜的疲勞問題也將發(fā)生，而系泊纜的疲勞壽命基本上與設(shè)計(jì)年限成正比，過大的設(shè)計(jì)年限將導(dǎo)致系泊系統(tǒng)材質(zhì)選擇困難，從而增大系泊纜投資。系泊系統(tǒng)的疲勞分析一般采用T-N 曲線方法，且應(yīng)該考慮所有設(shè)計(jì)工況對(duì)疲勞損傷影響明顯的荷載。針對(duì)恩平24-2 FPSO 具有單點(diǎn)系泊的船體，應(yīng)考慮風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，進(jìn)行浪向分析，以計(jì)入慢漂和波浪偏離船艏的影響;考慮環(huán)境參數(shù)的概率分布，以反映實(shí)際場(chǎng)址以及系泊條件的影響。在分析時(shí)需結(jié)合目標(biāo)海域各方向下的波浪超越概率和風(fēng)浪流的概率分布進(jìn)行全方位的篩選［7］。根據(jù)本文的研究，得出恩平24-2 系泊系統(tǒng)最小疲勞壽命為467.5 a，滿足規(guī)范要求。從南中國(guó)海系泊纜疲勞破壞原因中發(fā)現(xiàn)，過去的系泊系統(tǒng)中靠近海底段的系纜端部未安裝限彎接頭，導(dǎo)致靠近海底的系泊纜重復(fù)性與海底碰撞造成磨損，加速銹蝕，易于產(chǎn)生疲勞損傷。為避免類似情況的發(fā)生，在恩平24-2 單點(diǎn)初步設(shè)計(jì)階段，考慮在系泊纜靠近海底的端部安裝限彎接頭，提高關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。此外適當(dāng)優(yōu)化確定系泊鋼纜長(zhǎng)度避免出現(xiàn)鋼纜常在海底附近上下運(yùn)動(dòng)，并且在系泊鋼纜外部加裝抗磨損性能良好的塑料護(hù)套，以改善系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，延緩系泊纜的損耗速度。

錨的設(shè)計(jì)需要根據(jù)錨點(diǎn)處的土壤條件和水深來決定，根據(jù)南中國(guó)海FPSO 多年的操作經(jīng)驗(yàn)和安全性來考慮，樁錨具有技術(shù)成熟、中海油有實(shí)際建造安裝經(jīng)驗(yàn)等優(yōu)勢(shì)，樁錨作為設(shè)計(jì)方案首選，且樁錨能承受很大的抗拔力和抗側(cè)移力，隨著時(shí)間的推移它也非常牢固［8］。綜合系泊纜處的受力和地質(zhì)條件，選擇樁錨直徑約200 cm(60 寸)，入泥深度為39 m，單根樁重約44 t［9］。

2.4 動(dòng)態(tài)立管和電纜設(shè)計(jì)

考慮到動(dòng)態(tài)立管和電纜不是用于FPSO 的定位，因此動(dòng)態(tài)立管和電纜只需滿足規(guī)范最低要求的百年一遇極端環(huán)境條件即可。針對(duì)動(dòng)態(tài)立管和電纜的評(píng)估，同樣存在著惡劣環(huán)境條件和淺水所帶來的設(shè)計(jì)難題，同時(shí)立管和電纜的設(shè)計(jì)還受著FPSO 偏移的影響。此外，立管和電纜在任何惡劣環(huán)境條件下都不能和海底及系泊纜碰撞，因此動(dòng)態(tài)立管和電纜的設(shè)計(jì)形式，在初步設(shè)計(jì)階段主要是從技術(shù)可行性、性能、費(fèi)用和安裝等方面進(jìn)行選擇:懸鏈線、Lazy Wave、Steep S 形式從技術(shù)上不可行，原因是懸鏈線形式不能適應(yīng)FPSO 在淺水中較大的偏移和運(yùn)動(dòng);Lazy Wave 形式在橫向上沒有足夠的約束，在大波流作用下，觸地點(diǎn)附近將產(chǎn)生較大的彎曲;Steep S 形式需布置中水浮筒和立管基盤來降低形狀的復(fù)雜性和高費(fèi)用，并且在浮筒解脫后立管和電纜有觸底的可能。因此，動(dòng)態(tài)立管和電纜的形式只能從Steep Wave 和Lazy S 中選擇，如表3 所示。

表3 Steep Wave 和Lazy S 形式比選Tab.3 Comparative results between Steep Wave and Lazy S

綜合考慮技術(shù)可靠性、復(fù)雜性、安裝和維修，采用帶浮子的Steep Wave 形式可以保證動(dòng)態(tài)立管和電纜的彎曲半徑符合設(shè)計(jì)要求［10］，并不出現(xiàn)觸底現(xiàn)象，適合淺水惡劣海況下動(dòng)態(tài)立管和電纜的設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 語

以恩平24-2 油田開發(fā)工程FPSO 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例，提出了內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)總體布置方案以及設(shè)計(jì)方法，指出了淺水系泊、動(dòng)態(tài)立管和電纜的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，得出如下的結(jié)論與建議:

1)南中國(guó)海作為世界上環(huán)境條件惡劣的三大海域之一，是臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，對(duì)FPSO 的設(shè)計(jì)、建造和操作帶來較大的挑戰(zhàn)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式永久單點(diǎn)系泊系統(tǒng)由于具備在南中國(guó)海操作維護(hù)經(jīng)驗(yàn)豐富、適應(yīng)極端海況能力強(qiáng)、通道數(shù)量限制低等優(yōu)勢(shì)，確定為恩平24-2 FPSO 的單點(diǎn)系泊型式，同時(shí)考慮到南中國(guó)海環(huán)境條件越來越惡劣，在環(huán)境預(yù)報(bào)超過500年一遇或者突發(fā)、維修情況時(shí)，具有解脫功能的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式永久單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是最能滿足中海油的需求，也是恩平24-2 單點(diǎn)形式的最佳選擇。

2)恩平單點(diǎn)系泊系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)階段是由中海油首次完成，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)采用了3 組×4 根系泊纜布置，系泊纜是由錨鏈—鋼纜—錨鏈組合，系泊纜半徑為1 200 m，只在臥地80 米長(zhǎng)錨鏈上增加配重塊以提高系泊纜的性能、采用樁錨作為系泊纜的基礎(chǔ)、采用帶浮子的Steep Wave 形式的動(dòng)態(tài)立管和電纜形狀。設(shè)計(jì)方案和成果，滿足國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3)由于單點(diǎn)設(shè)計(jì)與船體設(shè)計(jì)具有相關(guān)性，建議在船體概念設(shè)計(jì)階段同時(shí)開展單點(diǎn)初步設(shè)計(jì)，這樣單點(diǎn)初步設(shè)計(jì)成果可用于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)軟管和電纜招標(biāo)，并能為EPCI 提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，也能為國(guó)內(nèi)單點(diǎn)的技術(shù)發(fā)展積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不再受制于國(guó)外單點(diǎn)公司。

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