FPSO單點系泊腿更換技術(shù)研究與應(yīng)用

劉雪宜，于常寶，楊洪所，林 楊，李愛剛

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；

2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

工藝與材料

FPSO單點系泊腿更換技術(shù)研究與應(yīng)用

劉雪宜1，于常寶1，楊洪所1，林 楊2，李愛剛2

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；

2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

年檢過程中發(fā)現(xiàn)渤海油田“渤海友誼號”浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）單點系泊系統(tǒng)單點左右舷系泊腿存在故障，為消除油田安全隱患，需更換系泊腿。通過研究系泊腿的結(jié)構(gòu)形式，初步判斷故障原因，確定只更換系泊腿上半部分的工作范圍；在方案可行性研究階段，對比分析停產(chǎn)工期、風(fēng)險及施工效率等，制定在碼頭更換系泊腿的基本策略；在設(shè)計系泊腿拆卸方案時，選擇重型銷軸開銷器作為首選、金剛石繩鋸機(jī)作為備用的施工方案，最終成功完成單點系泊腿的快速更換工作，使得油田停產(chǎn)時間比原計劃縮短18d，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。該項目是解決水上軟剛臂單點系泊腿故障問題的一個典型案例，涉及策略制定、施工方案設(shè)計、海上施工與油田復(fù)產(chǎn)、冬季施工氣候窗口選擇及主線輔線施工相互配合等，對類似工程的研究具有借鑒意義。

海洋工程；FPSO單點系泊；系泊腿更換；方案對比研究；FPSO解脫連接；海上施工

1 項目背景

5萬噸級浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）“渤海友誼”號位于渤海油田南部渤中 28-1油氣田，該油田水深約為22m。“渤海友誼”號單點屬于水上軟剛臂系泊系統(tǒng)，是塔式系泊系統(tǒng)的一種，由瑞士SBM公司設(shè)計生產(chǎn)。該單點系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1，主要包括四腿導(dǎo)管架、單點系泊頭、系泊剛臂（YOKE）、系泊腿、系泊構(gòu)架和跨接軟管等[1-3]。

2013年6月，在年檢過程中發(fā)現(xiàn)“渤海友誼”號FPSO單點系泊系統(tǒng)單點左右舷系泊腿存在故障：左舷系泊腿萬向鉸接頭處轉(zhuǎn)動時發(fā)出尖銳噪聲，并伴隨有輕微振動，同時系泊腿向上竄動約15mm；右舷系泊腿萬向鉸接頭也存在類似噪聲、振動問題，且系泊腿向上竄動約 3mm。初步判斷其左右舷系泊腿推力軸承損壞，左舷系泊腿萬向鉸接頭外觀見圖2。

圖1 “渤海友誼”號單點系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 左舷系泊腿萬向鉸接頭外觀

2 系泊腿更換工程方案研究

2.1 系泊腿介紹

系泊腿是水上軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的重要組成部分，其上端連接固定在FPSO艏部的系泊構(gòu)架上，下端連接YOKE的壓載艙。系泊腿總長13m，質(zhì)量為30.8t，其主體結(jié)構(gòu)見圖3。

2.2 系泊腿更換范圍分析

如圖3所示，可從連接法蘭處將系泊腿分為上、下兩部分。FPSO解脫時，系泊腿上部分懸掛在FPSO船首的系泊支架上，下部分留在YOKE壓載艙上。初步判斷系泊腿出現(xiàn)故障的原因是推力軸承損壞，系泊腿下鉸接頭運行正常，無損檢測也未發(fā)現(xiàn)缺陷，因此確定工作范圍是只更換系泊腿上部分。如此安排能節(jié)省更換系泊腿下部分帶來的工程費用，但系泊腿上下部分不能提前試裝及新舊系泊腿匹配將是項目重大的風(fēng)險點，項目實施過程中需制定專門的風(fēng)險控制措施。

圖3 系泊腿主體結(jié)構(gòu)

盡管左舷系泊腿的故障比右舷系泊腿嚴(yán)重，但考慮到右舷系泊腿故障有可能繼續(xù)惡化，且更換系泊腿涉及油田停產(chǎn)、大型船舶資源投入及后續(xù)油田安全生產(chǎn)，決定2條系泊腿一起更換。

2.3 系泊腿更換方案研究

在項目可行性研究階段，共設(shè)計以下3套系泊腿更換方案。

1) 方案一：FPSO不解脫在線更換系泊腿。“渤海友誼”號單點設(shè)計廠家SBM公司曾建議采用該方案；2010年尼日利亞Sea Eagle FPSO右舷系泊腿曾發(fā)生類似故障，采用的方案是先用臨時錨鏈替換有故障的系泊腿，待系泊腿采辦到貨后再進(jìn)行安裝并拆除臨時錨鏈。由于系泊腿采辦到貨的時間為 10月底，而此時渤海海況惡劣，2次海上施工都需要FPSO停產(chǎn)且浮吊傍靠FPSO提供吊裝支持，因此該方案施工難度較大。

2) 方案二：FPSO解脫拖航至油田附近海域更換系泊腿。FPSO拋錨后需安排拖船24h守護(hù)，更換系泊腿需浮吊傍靠FPSO。由于 FPSO時刻處于運動狀態(tài)，影響更換系泊腿的施工效率，因此FPSO一旦走錨將危及油田其他設(shè)施，總體施工風(fēng)險較高。

3) 方案三：FPSO解脫拖航到船廠碼頭，在陸地更換系泊腿。該方案優(yōu)勢明顯，碼頭吊機(jī)可24h使用，F(xiàn)PSO在碼頭處于穩(wěn)定的系泊狀態(tài)，可通過增加系泊纜繩來抵抗惡劣天氣，受天氣的影響最小，施工風(fēng)險相對較低。

基于以上3套系泊腿更換方案的對比研究，結(jié)合“渤海友誼”號停產(chǎn)期間洗艙特檢、跨接軟管更換等其他工作，從停產(chǎn)工期、風(fēng)險、天氣待機(jī)、施工效率及工程費用等方面綜合考慮，最終選擇FPSO解脫拖航到船廠碼頭的工程方案。

3 系泊腿拆卸方案設(shè)計

由圖3可知，系泊腿通過銷軸懸掛在FPSO船首系泊支架的吊點孔中，兩者是高精密機(jī)加工件，軸與孔的配合間隙為0.15mm，且在海上服役長達(dá)10a左右，各部件可能存在腐蝕、變形及金屬粘連等情況，選擇可靠、高效的拆卸工具也是系泊腿拆卸作業(yè)方案設(shè)計的重點。

1) 方案一是使用重型銷軸開銷器，研制一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重型銷軸開銷器[4]。該開銷器采用工程常用鋼材、絲杠和液壓千斤頂?shù)炔考?gòu)成開銷器的主體（主要構(gòu)件見圖 4），通過液壓千斤頂提供動力，可輕松提供高達(dá)15000kN的頂推力來完成重型銷軸拆卸作業(yè)。該方案的優(yōu)點是比較成熟，施工經(jīng)驗較多，也可用于系泊腿的安裝，經(jīng)濟(jì)性好；缺點是開銷器是利用軸向頂推力實現(xiàn)銷軸拆卸的，若頂推力的方向控制不準(zhǔn)，或銷軸本身存在變形、潤滑不夠及金屬粘連等情況，頂推過程中容易發(fā)生銷軸受力變形、吊耳孔拉傷或銷軸卡死等風(fēng)險。

2) 方案二是使用金剛石繩鋸機(jī)，將鑲有金剛石的“串珠”套在鋼絲繩外，結(jié)合鋼絲繩的柔軟性和金剛石堅硬鋒利的切割性制成切割工具，廣泛應(yīng)用于礦山開采和石材、海洋平臺維修領(lǐng)域鋼管及大直徑零件的切割，主要由驅(qū)動裝置、進(jìn)給裝置、液壓張緊裝置、導(dǎo)向裝置、控制系統(tǒng)及液壓動力源系統(tǒng)等組成[5]。圖5為金剛石繩鋸機(jī)方案示意，金剛石繩鋸機(jī)主體安置在船首甲板上，安裝導(dǎo)向裝置和金剛石串珠繩，連接設(shè)備啟動切割，在完成2處切割之后系泊腿就能順利下放吊裝至碼頭。該方案的優(yōu)點是金剛石繩鋸機(jī)導(dǎo)向裝置安裝快捷方便，能有效避免強(qiáng)力頂推造成的機(jī)械損傷，即使是在銷軸變形的情況下也能完成切割，順利拆除系泊腿；缺點是目前國內(nèi)沒有將金剛石繩鋸機(jī)應(yīng)用于系泊腿拆除的案例，無法預(yù)計首次工程應(yīng)用可能出現(xiàn)的風(fēng)險，且該方案不能用于新系泊腿安裝，經(jīng)濟(jì)性較差。

圖4 重型銷軸開銷器主要構(gòu)件

圖5 金剛石繩鋸機(jī)方案示意

綜合考慮以上因素，最終選擇方案一作為系泊腿拆除的首選方案，方案二作為應(yīng)急方案，應(yīng)急方案在系泊腿銷軸出現(xiàn)卡死的情況時實施。

4 系泊腿更換工程方案實施

系泊腿碼頭更換方案的實施主要包括FPSO解脫拖航、碼頭更換系泊腿及FPSO回連復(fù)產(chǎn)等3個階段，對施工流程及注意事項分階段介紹如下。

4.1 FPSO解脫拖航

“渤海友誼”號FPSO已在渤中28-1油氣田服役十余年，通過前期檢修確認(rèn)FPSO解脫拖航所需關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)非常重要，這也是FPSO適拖法定檢驗的必要條件[6-8]。前期檢修工作主要包括以下4個方面：

1) 按照中國船級社《海上拖航指南》的規(guī)定，檢修拖航相關(guān)的設(shè)備與系統(tǒng)；

2) 確定FPSO解脫相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備（如絞車、排載空壓機(jī)等）的狀態(tài)，用水袋做絞車動靜載荷試驗；

3) 檢查單點平臺設(shè)備是否干擾FPSO解脫時的YOKE下放，將干擾設(shè)備現(xiàn)場標(biāo)記、FPSO解脫時拆除及FPSO回連后原樣恢復(fù)，確保FPSO解脫期間單點設(shè)備和YOKE的安全。

在FPSO停產(chǎn)、跨接軟管清洗之后，開始進(jìn)行FPSO解脫作業(yè)。由于跨接軟管電纜需要重復(fù)利用，故在拆除跨接軟管/電纜時需保證跨接軟管/電纜的最小彎曲半徑滿足要求，在FPSO船首系泊支架橫梁焊接臨時拖點，使拆除后的跨接軟管電纜在系泊支架處以“U”型懸掛，同時避免FPSO拖航拖纜與軟管發(fā)生摩擦。按照正常的FPSO解脫程序提前拴掛提升纜、系泊纜及限位拖船，然后排放YOKE壓載液，解除系泊腿法蘭螺栓，用提升纜下放YOKE入水后，F(xiàn)PSO在限位拖船的拖曳下后撤，同時解除船首纜繩完成FPSO解脫，開始拖航[9]。

4.2 碼頭更換系泊腿

圖6 系泊腿拆卸吊裝示意

FPSO拖航到船廠碼頭并完成靠泊后，開始進(jìn)行系泊腿更換作業(yè)。圖6為系泊腿拆卸吊裝示意，首先利用碼頭吊機(jī)拆除系泊腿上部平臺及其他干擾結(jié)構(gòu)，在系泊腿上部支柱上安裝支撐蓋板，在系泊腿與蓋板之間連接索具和手拉葫蘆，用手拉葫蘆將系泊腿的質(zhì)量從銷軸轉(zhuǎn)移至蓋板上，同時連接一套系泊腿吊裝索具到碼頭吊機(jī)上；然后將重型銷軸開銷器裝配到位，利用液壓千斤頂完成系泊腿銷軸的拆卸。銷軸頂推過程中，要注意保持受力水平，同時仔細(xì)觀察千斤頂加力和銷軸頂出情況，避免盲目頂推損傷吊耳孔。舊系泊腿拆卸完成之后要仔細(xì)檢查系泊支架吊耳孔內(nèi)壁，并進(jìn)行無損檢測。

FPSO靠泊碼頭期間以系泊腿更換為主線，必須在船廠完成；以其他工作（如船體清艙特檢、生產(chǎn)設(shè)備維修等）為輔線，可在海上完成；主輔線相互配合，利用船廠的碼頭資源盡可能多地完成工作。同時，密切關(guān)注氣象信息，根據(jù)氣象預(yù)報信息及早確定FPSO出港時間點，通知引航站、輪駁公司及船廠等相關(guān)方做好出港準(zhǔn)備。

4.3 FPSO回連復(fù)產(chǎn)

FPSO拖航連接是一項風(fēng)險高、難度大的大型海上施工作業(yè)，而此次FPSO連接處于氣象條件惡劣的冬季，這對項目施工管理提出了更高的要求。FPSO連接作業(yè)需要的海況條件為：有效波高＜1m，風(fēng)速＜10m/s，流速＜1kn，能見度＞3n mile，且 FPSO上線就位要求白天進(jìn)行。此外，需要的船舶資源為：1條8000HP（1HP=0.735kW，下同）的三用工作拖船，2條6000HP的三用工作拖船，1條4000HP全回轉(zhuǎn)工作拖船。主拖船將FPSO拖航到油田現(xiàn)場距離單點3n mile的安全海域，根據(jù)潮流表和風(fēng)向推算YOKE在水中漂浮的方位，確定上線方位和時間，然后通過換掛拖將FPSO從拖航狀態(tài)轉(zhuǎn)換成上線狀態(tài)，6000HP拖船分別布置在FPSO船首左右舷，8000HP拖船布置在FPSO艉部，全回轉(zhuǎn)拖船協(xié)助FPSO精確就位。在FPSO距離單點100m左右連接主系泊纜，然后依次連接交叉纜、提升纜等，提升YOKE使其出水后完成系泊腿法蘭螺栓安裝，最后向YOKE壓載艙灌注防凍液實現(xiàn)FPSO安全系泊。此次FPSO停產(chǎn)維修也更換了4根跨接軟管，跨接軟管的安裝由浮吊船完成。

4.4 實施效果

“渤海友誼”號系泊腿更換工程于2013年10月18日完成FPSO解脫，于同年10月28日完成船廠碼頭系泊腿更換，緊接著10月30日完成FPSO回連，緊接著11月4日實現(xiàn)油田復(fù)產(chǎn)。依靠優(yōu)秀的方案設(shè)計和精細(xì)化的施工管理，油田停產(chǎn)時間比原計劃縮短18d，渤中28-1油田多產(chǎn)原油約41820m3，多產(chǎn)天然氣1530m3。整個工程項目的質(zhì)量、安全及進(jìn)度均滿足業(yè)主的要求。

5 結(jié) 語

通過科學(xué)界定項目工作范圍、比選優(yōu)化基本方案及精細(xì)化施工管理，在渤中28-1油氣田高效、安全地實現(xiàn)了單點系泊腿更換，消除了FPSO安全生產(chǎn)的隱患，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。實踐結(jié)果表明：將FPSO解脫拖航至碼頭更換系泊腿的基本方案成熟可行，重型銷軸開銷器拆卸系泊腿效果良好；同時將系泊腿更換范圍界定在系泊腿上半部分能有效減少工程量和工程費用，只要確保新系泊腿的部件加工精度高，就能與舊系泊腿部件良好匹配，這對今后類似工程的研究具有借鑒意義。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會. 海洋石油工程FPSO與單點系泊系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 周國平. 海洋工程裝備關(guān)鍵技術(shù)和支撐技術(shù)分析[J]. 船舶與海洋工程，2012, 28 (1): 15-20.

[3] 劉雪宜. FPSO在YOKE損壞時的應(yīng)急解脫[J]. 石油工程建設(shè)，2013, 39 (3): 26-30.

[4] 中國海洋石油總公司，海洋石油工程股份有限公司. 重型銷軸開銷器：CN 102019550A[P]. 2011-04-20.

[5] 曹立文. 水下金剛石繩鋸機(jī)切割技術(shù)的研究與工程樣機(jī)的研制[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006.

[6] 中國船級社. 海上拖航指南：GD 02-2012[S].

[7] 劉雪宜. 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點式FPSO的拖航和連接[J]. 石油工程建設(shè)，2012, 38(6): 16-21.

[8] 宋書博. 打樁船樁架強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核計算[J]. 船舶與海洋工程，2013, 29 (4): 29-33.

[9] 田冰，劉雪宜，孫丕松. BZ油田單點系泊系統(tǒng)海上解脫[C]//中國海洋工程學(xué)會.第十四屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集. 北京：海洋出版社，2009: 1473-1477.

Research and Application of Replacement Technology for FPSO Single Point Mooring Leg

LIU Xue-yi1, YU Chang-bao1, YANG Hong-suo1，LIN Yang2, LI Ai-gang2

（1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China；2. Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China）

It was discovered during the annual inspection that malfunctions exist in both the port and starboard mooring legs of the single point mooring (SPM) system of a Floating Production Storage and Offloading Device ( FPSO ) BOHAI YOUYI located in BOHAI Bay. To eliminate the possibility of accident, the mooring legs need to be replaced. But it was decided to replace only the upper part of the mooring legs after the structure of the mooring legs was studied and the reasons behind malfunction were found. Then the leg removal plan was worked out, where the heavy overhead pin device was the first choice and the diamond wire saw was the alternative option. Finally, the replacement was successfully accomplished with the oil field downtime shortened by 18 days, which is proven to be highly beneficial. This project is a typical malfunction eliminating case of offshore soft yoke SPM leg, involving strategic planning, engineering design, offshore installation and oil production resumption, weather window selection for winter operation, collaboration between main and secondary lines and etc. It can be referred by similar projects.

offshore engineering; FPSO SPM; mooring leg replacement; scheme comparison; FPSO disconnection; offshore installation

U674.38

A

2095-4069 (2016) 06-0068-05

2015-12-08

海洋石油工程股份有限公司科研項目（E-0814P017）

劉雪宜，男，高級工程師，1980年生。2006年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計專業(yè)，現(xiàn)從事FPSO解脫連接、單點維修改造技術(shù)研究。