FPSO單點系泊系統(tǒng)安裝及回接技術(shù)

梁 稷，韋 卓，余國核，任 翔，逯晶晶

（1. 深圳中海油服深水技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067；2. 中海油服物探水下技術(shù)作業(yè)公司，天津 300451）

FPSO單點系泊系統(tǒng)安裝及回接技術(shù)

梁 稷1，韋 卓2，余國核2，任 翔2，逯晶晶2

（1. 深圳中海油服深水技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067；2. 中海油服物探水下技術(shù)作業(yè)公司，天津 300451）

單點系泊系統(tǒng)作為浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）的核心組成部分，需在FPSO進入安裝現(xiàn)場之前完成安裝，隨后FPSO進入安裝現(xiàn)場進行回接。以我國南海某具體工程項目為背景，全面、系統(tǒng)地介紹FPSO懸鏈腿單點系泊系統(tǒng)的安裝及回接方法，并采用OrcaFlex分析軟件對各個施工步驟進行相關(guān)的模擬分析。該單點系泊系統(tǒng)的整個安裝過程可分為抓地錨安裝、下段錨腿鋪設(shè)、錨腿張緊、上段錨腿鋪設(shè)、單點浮筒拖航及就位和錨系回接單點浮筒等6個階段。

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置；單點系泊系統(tǒng)；安裝及回接；OrcaFlex；動態(tài)分析

0 引 言

當前海上浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）主要采用單點-轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)（Turret Mooring）[1-2]、多點-伸展系泊系統(tǒng)（Spread Mooring）及動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning）等3種系泊系統(tǒng)，并以單點系泊（Single Point Mooring，SPM）系統(tǒng)的應(yīng)用最為普遍。單點系泊系統(tǒng)的應(yīng)用使得FPSO具有風向標的效應(yīng)，使FPSO在各種風浪流作用下的受力最小，從而保證其能在海上長時間連續(xù)工作。在海況良好的情況下（即沒有風向效應(yīng)影響），或在具有高度定向性的環(huán)境下，F(xiàn)PSO可采用多點系泊的方式。

單點系泊系統(tǒng)主要由單點浮筒、錨腿（通常由多段錨鏈及錨纜組成）和錨點（抓力錨或吸力錨等）組成（見圖1）。這里以我國南海某成功實施的具體工程為例，分別從錨點安裝、錨腿鋪設(shè)及張緊、單點浮筒就位及回接等方面入手，系統(tǒng)地介紹一種典型FPSO單點系泊系統(tǒng)的安裝方法[3]，并采用OrcaFlex軟件對安裝過程進行模擬分析[4]。

圖1 FPSO懸鏈腿單點系泊組成

1 工程基本信息

該工程的目標油田位于我國南海，作業(yè)水深約140m。所采用的FPSO單點懸鏈腿系泊系統(tǒng)包含8根均勻分布的錨腿及1個靜浮力約為588kN的單點浮筒，圖2為錨腿與單點浮筒的分布情況。

單根錨腿包含有回接鏈、上錨纜、上錨鏈、調(diào)整鏈、配重鏈、下錨纜、下錨鏈和抓地錨，具體的組成及其規(guī)格見圖3。

圖2 錨腿與單點浮筒的分布情況

圖3 單根錨腿的組成及其規(guī)格

在該項目中，單點系泊系統(tǒng)的安裝過程分為以下6個階段：

1) 抓地錨安裝；

2) 下錨鏈、下錨纜及配重鏈鋪設(shè)；

3) 錨腿張緊；

井岡山，沃野涌翠，千峰競秀。在著名的黃洋界保衛(wèi)戰(zhàn)舊址，昔日地勢險要、防守森嚴的黃洋界哨口，早已沒有了硝煙戰(zhàn)火，取而代之的是郁郁蔥蔥的樹木。只有保留下來的炮臺、滾木和紀念碑，默默地向我們述說著當年紅軍以一個營的兵力擊潰敵軍兩個團的歷史佳話。當年井岡山軍民一起插竹釘、抬石頭、挖壕溝，齊心協(xié)力、英勇奮戰(zhàn)的景象仿佛浮現(xiàn)眼前。在白色勢力的包圍中，紅軍為什么能夠克服重重困難，以少勝多，粉碎了敵人一次又一次的“圍剿”？根本原因就在于黨和軍隊得到了千百萬人民群眾真心實意的擁護和支持，形成了堅不可摧的“銅墻鐵壁”。

4) 調(diào)整鏈、上錨鏈、上錨纜及回接鏈鋪設(shè)；

5) 單點浮筒拖航及就位；

6) 錨系回接及提拉。

2 抓地錨安裝

該階段要求將主作業(yè)船甲板上的抓地錨下放至海床，并確保錨的位置和方向正確。在此過程中，除了主作業(yè)船以外，還需要一艘輔助作業(yè)船（即拖船）協(xié)助作業(yè)，其中：主作業(yè)船裝載有抓地錨及錨系其他組成部分；輔助作業(yè)船協(xié)助主作業(yè)船將抓地錨拖放至海床。該階段需特別注意選擇安全、合適的作業(yè)索具。圖4為采用OrcaFlex軟件模擬分析的抓地錨安裝模型。在該模型中，需考慮使船尾間距滿足安全作業(yè)要求，并使抓地錨模型盡量靠近著泥點，以確保包含錨腿的最大重量。模型中分別使用“6D”和“Line”單元模擬抓地錨、錨纜/鏈及索具，通過動態(tài)分析得到安裝輔助索具的最大作用力，以確定索具的規(guī)格。

圖4 抓地錨安裝模型

3 下錨鏈、下錨纜及配重鏈鋪設(shè)

在將抓地錨下放至海床后，由水下機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）觀察錨的方向是否正確，若正確，則主作業(yè)船開始鋪設(shè)錨鏈及錨纜。

1) 在鋪設(shè)下錨鏈時，錨鏈從錨鏈艙內(nèi)釋放出來，并通過控制絞車進行下放；當絞車與錨鏈的連接點到達船尾時，起升船尾處的鯊魚鉗，臨時固定錨鏈，解脫絞車鋼繩，并將其連接至錨鏈前端接近絞車的位置處；在張緊絞車使錨鏈的作用力傳遞至絞車上之后回收鯊魚鉗，通過控制絞車繼續(xù)下放錨鏈；如此一段一段地鋪設(shè)，直到下錨鏈鋪設(shè)完畢。

2) 在鋪設(shè)下錨纜時，鯊魚鉗固定在錨鏈端，從卷筒上釋放下錨纜，并將其連接至錨鏈端之后開始鋪設(shè)下錨纜，由于下錨纜已預(yù)先存儲在大絞車的卷筒上，因此通過控制大絞車即可連續(xù)鋪設(shè)下錨纜。鋪設(shè)過程中，需通過控制著泥點與入水點的水平距離（Layback）確保此過程中出現(xiàn)的最小彎曲半徑不小于錨纜最小安全彎曲半徑，且抓地錨位置不存在向上的提拉力。

3) 在鋪設(shè)配重鏈時，配重鏈下水通常需吊機或船尾A吊協(xié)助。

圖5 錨纜正常鋪設(shè)分析模型

4 錨腿張緊

因拖曳埋置錨自身的結(jié)構(gòu)特點，可將水平張緊力轉(zhuǎn)化為垂向入泥力；在錨入泥一定深度之后，錨系在土壤阻力的作用下獲得足夠的抓地力。而拖曳埋置錨自身的作用力特點，要求張緊過程不能出現(xiàn)向上的提拉力。

錨腿張緊是錨系安裝過程中非常重要的環(huán)節(jié)，為保證作業(yè)的可行性和安全性，需利用OrcaFlex軟件進行模擬分析。在分析模型中，考慮以下環(huán)境參數(shù)：

1) 有義波高s3mH= （約為蒲氏風級6級）；

2) 海況使用JONSWAP譜；

3) 為確保覆蓋給定海況下的最大響應(yīng)，測試4s，6s和8s等3個波浪周期；

4) 模擬周期為1h；

5) 分析波浪角度為0°～180°（船尾頂浪）。

采用OrcaFlex軟件進行分析，給出錨鏈張緊時輔助鏈（或纜）的規(guī)格及長度，確保有足夠的錨鏈留在海底，且錨上僅承受水平拉力；同時，給出滿足錨最小測試張力要求的系柱拉力。抓地錨作用力示意見圖6，錨系張緊模型見圖7。

圖6 抓地錨作用力示意

圖7 錨系張緊模型

5 調(diào)整鏈、上錨鏈、上錨纜及回接鏈鋪設(shè)

在所有錨腿張緊完成之后，需對抓地錨的最終位置進行確認，以計算出調(diào)整鏈的長度；此后，開始鋪設(shè)調(diào)整鏈、上錨鏈、上錨纜及回接鏈，鋪設(shè)過程與下錨鏈及下錨纜的鋪設(shè)過程相同。鋪設(shè)完成之后，連接好索具及浮球，方便ROV回收。

6 單點浮筒拖航及就位

當前應(yīng)用較多的單點浮筒主要由NOV，SBM和SOFEC等公司生產(chǎn)，通常重約400t。因各公司生產(chǎn)的單點浮筒形式不同，故推薦的安裝方法也各有不同。這里介紹的安裝方法僅適用于SOFEC公司生產(chǎn)的單點浮筒。

將單點浮筒從碼頭運至安裝位置，通常采用干拖和濕拖2種運輸模式。

1) 干拖是指將碼頭上的單點浮筒吊裝至駁船上，再由駁船運輸至安裝現(xiàn)場，并由大型起重船將其吊裝下水；

2) 濕拖是指單點浮筒在碼頭由吊機直接吊裝下水，并由拖船拖航至安裝現(xiàn)場。

以上2種方法各有優(yōu)劣，其中干拖的安全性更高、速度更快，但需要在安裝現(xiàn)場使用大型起重船，會增加項目成本。因為該項目中沒有大型起重船支持，所以采用濕拖的方式進行單點浮筒的拖航。圖8為單點浮筒拖航示意。

圖8 單點浮筒拖航示意

為配備可靠的拖航索具并驗證單點浮筒在拖航過程中的安全性，運用OrcaFlex軟件及AQWA軟件對拖航過程進行動態(tài)分析。在OrcaFlex軟件中使用6D單元模擬單點浮筒，并為其設(shè)置準確的浮筒水動力參數(shù)。該項目中單點浮筒的水動力參數(shù)通過AQWA軟件分析獲得。圖9為單點浮筒AWQA模型，圖10為單點浮筒拖航OrcaFlex分析模型，圖11為極端環(huán)境假設(shè)，表1為拖航過程中各索具所受最大拉力及浮筒最大傾角。

圖9 單點浮筒AWQA模型

圖10 單點浮筒拖航OrcaFlex分析模型

圖11 極端環(huán)境假設(shè)

表1 拖航過程中各索具所受最大拉力及浮筒最大傾角

7 錨系回接及提拉

在完成所有錨腿的鋪設(shè)之后，需依次將其回接至單點浮筒上（見圖12），并保證其不會與船舶推進器纏繞。在首次回接時，為確保作業(yè)船舶的安全，單點浮筒通常需由2艘拖船限位。系泊纜回接到浮筒上的設(shè)計條件是保持浮筒與船尾之間有10m的間距。在回接過程中，浮筒應(yīng)盡可能地保持在中心位置處[5]。為保證安裝船舶推進系統(tǒng)時有更大的安裝間隙，負責定位的拖船需將浮筒拖向需要進行連接的系泊纜處。在全部8根系泊纜回接初期，均假設(shè)浮筒能在定位拖船的作用下保持在安裝中心位置處。根據(jù)環(huán)境條件，隨著第一批4根系泊纜連接就位，定位拖船可相應(yīng)地駛離，不再對浮筒進行限位。

由于每根錨腿回接過程中浮筒的位置、傾角及錨腿受力都不相同，因此需依次對8根錨腿的回接過程進行模擬分析，得到浮筒的最大傾角及每根錨腿的受力，以確保浮筒安全并為回接索具的選擇提供指導(dǎo)。圖13為第1根錨腿及全部錨腿完成首次回接的狀態(tài)。為確保浮筒受力平衡，通常采用對角的順序進行錨腿的回接及提拉。

圖12 錨系回接模型

圖13 第1根錨腿及全部錨腿完成首次回接的狀態(tài)

在全部錨腿完成首次回接之后，開始進行提拉張緊。為使浮筒在提拉過程中盡可能地保持平衡狀態(tài)（小傾角），同時考慮到主作業(yè)船吊機的拔高及吊重能力限制，通常采用分段提拉法進行提拉張緊，提拉的高度為15～20m，同樣采用對角提拉的順序。利用Orcaflex軟件對回接和提拉的各個步驟進行靜態(tài)分析，以確定浮筒的入水深度、浮筒旋轉(zhuǎn)角度及回接荷載。圖14～圖16分別為第1次、第2次及第3次提拉過程中第8根系泊纜的提拉。

圖14 第1次提拉過程中第 8 根系泊纜的提拉

圖15 第2次提拉過程中第 8 根系泊纜的提拉

隨著回接的進行，浮筒逐漸潛入水中，浮力增大，提升力及提升時浮筒的傾角也逐漸增大。運用OrcaFlex軟件對此次提升進行分析，所得結(jié)果為：

1) 第1次提拉過程中，最大的提拉力約為75kN，最大的浮筒傾角為2.5°；

2) 第2次提拉過程中，最大的提拉力約為171kN，最大的浮筒傾角為6.5°；

3) 第3次提拉過程中，最大的提拉力約為425kN，最大的浮筒傾角為15.5°。

經(jīng)過前3次提拉，浮筒已接近最終的設(shè)計位置。最后一次提拉是微小的調(diào)整，保證浮筒最終穩(wěn)定在設(shè)計水深處，并對各錨腿傾角進行測量記錄。

經(jīng)過以上施工步驟，即完成FPSO單點系泊系統(tǒng)所有的安裝工作，最后由ROV進行完工調(diào)查錄像。后續(xù)將移入FPSO，并將單點回接至FPSO；同時，回接生產(chǎn)軟管、動力電纜及控制臍帶纜等柔性系統(tǒng)。

圖16 在第3次提拉過程中第8根系泊纜的提拉

8 結(jié) 語

當前，F(xiàn)PSO開發(fā)模式已成為一種較為成熟的海上油氣田開發(fā)模式，在我國南海得到了廣泛應(yīng)用。受限于我國南海的海況特點，此處的FPSO幾乎全部采用單點式錨泊系統(tǒng)。雖然國際上較為知名的單點系泊系統(tǒng)設(shè)計及制造廠家（APL，SBM及SOFEC等）生產(chǎn)的產(chǎn)品各有特點，對安裝的要求也各有不同，但其主要的安裝過程及可能存在的困難和風險是相似的。本文基于實際的南海工程項目，全面、系統(tǒng)地介紹FPSO單點系泊系統(tǒng)的安裝方法，并采用OrcaFlex分析軟件對安裝的各階段進行模擬分析。多年的實際應(yīng)用結(jié)果證明，F(xiàn)PSO是一種較為適合我國南海深水油氣田開發(fā)的模式，相關(guān)經(jīng)驗總結(jié)可為類似的工程項目提供借鑒。

[1] 劉志剛，何炎平. FPSO轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢[J]. 中國海洋平臺，2006, 21 (5)∶ 1-6.

[2] 薛士輝，李懷亮，胡雪峰. 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)及安裝工藝介紹[J]. 中國造船，2008, 49 (S2)∶ 243-250.

[3] 房曉明. 文昌油田單點系泊系統(tǒng)海上安裝[J]. 中國海上油氣（工程），2003, 15 (1)∶ 1-11.

[4] CONNAIRE A, KAVANAG H K, AHILAN R V, et al. Integrated mooring & riser design∶ analysis methodology[R]. 1999∶ 1-13.

[5] 胡雪峰，林影煉，陳捷俊，等. FPSO現(xiàn)場回接技術(shù)[J]. 中國造船，2010, 51 (S2)∶ 386-391.

Installation and Hook-up Technology for FPSO Single Point Mooring System

LIANG Ji1，WEI Zhuo2，YU Guo-he2，REN Xiang2，LU Jing-jing2
（1. Shenzhen COSL Deepwater Technology Co., Ltd., Shenzhen 518067, China; 2. Subsea Tech Operating Company, Geophysical COSL, Tianjin 300451, China）

Single Point Mooring (SPM) system is one of the core components of FPSO (Floating Production Storage and Offloading) facility, which should be installed before FPSO is towed into the field for subsequent hook-up. This paper systematically introduces the installation and hook-up methods of a SPM system for a specific project at the South China Sea, where OrcaFlex software is used for the simulation and analysis of each operation stage. The installation process of the SPM system consists of 6 stages, i.e. deployment of anchor, laying the lower part of anchor leg, preload of anchor leg, laying the upper part of anchor leg, towing and positioning of the single point buoy, and the hook-up between the mooring system and the sing point buoy.

FPSO; Single Point Mooring system; installation and hook-up; OrcaFlex; dynamic analysis

U674.38；TE54

A

2095-4069 (2017) 02-0018-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.02.003

2016-11-28

梁稷，男，工程師，1984年生。2007年畢業(yè)于大連理工大學工程力學專業(yè)，現(xiàn)從事海洋工程工作。