水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)解脫設(shè)計(jì)

閆斌，劉雪宜，姜學(xué)錄，譚巍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

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水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)解脫設(shè)計(jì)

閆斌，劉雪宜，姜學(xué)錄，譚巍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

以渤海海域海洋石油112 FPSO的解脫為例，設(shè)計(jì)大抓力錨與大功率拖船配合的新方法對(duì)FPSO進(jìn)行精確控位，建立水下YOKE排載系統(tǒng)以提高FPSO與YOKE分離所需的提升能力，設(shè)計(jì)水下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的解脫工藝。實(shí)踐表明，解脫工藝和方案安全可靠，實(shí)現(xiàn)了世界首例水下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)海洋石油112FPSO的解脫。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)；水下軟剛臂；解脫；控位；FPSO

水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是塔架軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中的一種[1]，是挪威APL公司2000年前后開發(fā)的新的單點(diǎn)形式，世界上共有2例工程使用的案例[2]，均在中國(guó)海域的渤海灣地區(qū)，分別于2004年在曹妃甸油田和BZ25-1油田正式投入使用[3]。2014年，因曹妃甸油田的水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)出現(xiàn)故障，必須將該系統(tǒng)中的海洋石油112 FPSO與單點(diǎn)解脫，并對(duì)原有單點(diǎn)進(jìn)行改造。以渤海海域海洋石油112FPSO的解脫為例，設(shè)計(jì)大抓力錨與大功率拖船配合的新方法對(duì)FPSO進(jìn)行精確控位，建立水下YOKE排載系統(tǒng)以提高FPSO與YOKE分離所需的提升能力，設(shè)計(jì)水下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的解脫工藝。

1 項(xiàng)目背景

水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是挪威APL公司設(shè)計(jì)開發(fā)的可解脫形式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，主要由帶有孤立塔柱的水下基盤、水下旋轉(zhuǎn)YOKE、單點(diǎn)上部組塊、系泊鏈系統(tǒng)、一艘浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)和懸空跨接軟管、電纜6大部分組成，適合最大水深為50 m。水下基盤通過(guò)3跟鋼樁固定到海底，水下旋轉(zhuǎn)YOKE通過(guò)掛鉤結(jié)構(gòu)與水下基盤連接。上部組塊安裝在基盤上的孤立塔柱內(nèi)套筒的頂部，用法蘭連接。上部組塊導(dǎo)向柱插入孤立塔柱外套筒的導(dǎo)向套筒中，這樣，上部組塊的旋轉(zhuǎn)框架、外套筒以及YOKE通過(guò)系泊鏈與FPSO連接，呈風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，繞單點(diǎn)基盤及孤立塔柱進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)。介于孤立塔柱式下水樁基礎(chǔ)單點(diǎn)和FPSO之間的YOKE和系泊錨鏈，通過(guò)萬(wàn)向鉸接頭實(shí)現(xiàn)軟剛臂功能，依靠YOKE壓載艙配重提供合適的恢復(fù)力，以保證彈性系泊的需要。見圖1。

曹妃甸油田位于渤海灣西部海域，油田水深約26 m，系泊的FPSO為海洋石油112 FPSO，具體參數(shù)為：總長(zhǎng)276.82 m，垂線間長(zhǎng)262 m，型寬51 m，型深23.6 m，滿載吃水15.6 m，設(shè)計(jì)壽命25年。2014年，曹妃甸油田為解決單點(diǎn)系泊系統(tǒng)存在的故障，計(jì)劃在原有單點(diǎn)附近新建一座單點(diǎn)，將海洋石油112FPSO與原有單點(diǎn)解脫后，直接與新建單點(diǎn)連接，以盡快恢復(fù)油田生產(chǎn)。

圖1 水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 基本要求

1)要保護(hù)水下基盤連接的海底管道、海底電纜以備后續(xù)使用，要求FPSO解脫時(shí)水下YOKE必須下放至位于海床指定位置，即FPSO船艏向?yàn)?96°，且在YOKE下放至海床時(shí)FPSO船艏左右偏移不超過(guò)3 m。

2)根據(jù)作業(yè)計(jì)劃，完成FPSO與單點(diǎn)解脫的所有施工步驟用時(shí)近72 h，需要采用可靠的方法實(shí)現(xiàn)FPSO的長(zhǎng)時(shí)間船位控制，既不能對(duì)原單點(diǎn)結(jié)構(gòu)造成次生損害，影響對(duì)原單點(diǎn)結(jié)構(gòu)故障的后續(xù)調(diào)查；又能迅速應(yīng)對(duì)氣象水文條件突變帶來(lái)的不利影響，使FPSO解脫后迅速?gòu)默F(xiàn)場(chǎng)撤離。

3)FPSO與單點(diǎn)解脫必須將FPSO與YOKE連接的系泊鏈拆除，因此需要使用FPSO船艏提升絞車將YOKE先提升至指定高度，然后拆除系泊鏈與FPSO的鏈接，最后將YOKE下放至海床。但是，YOKE及其附件自重為1 109 kN，考慮海水浮力，提升絞車對(duì)YOKE施加的向上的提升力至少應(yīng)不小于8 15.5 kN，這對(duì)于安裝使用近11年、設(shè)計(jì)提升能力為8 000 kN的絞車已超出其工作負(fù)荷。

2.1 FPSO船位控制設(shè)計(jì)

為滿足FPSO船位的精確控制，同時(shí)考慮FPSO解脫后迅速撤離作業(yè)海域，采用了大功率三用工作拖船與大抓力錨相互配合的FPSO船位控制方案，見圖2。

FPSO船艏采用2條8 940 kW(12 000 HP)、系柱拖力1 050 kN的三用工作拖船分布左右，使用拖船拖纜與FPSO船艏甲板上的拖點(diǎn)連接；采用1條8 940 kN、系柱拖力1 200 kN的三用工作拖船布置在FPSO船艉。這種方式可實(shí)現(xiàn)FPSO一定范圍內(nèi)的船位控制，并在風(fēng)向流改變時(shí)，能夠及時(shí)調(diào)整FPSO船艏受力的方向和大小。在FPSO與單點(diǎn)解脫后，將有這3艘大功率拖船采用艉拖方式拖帶FPSO快速撤離現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 FPSO解脫船位控制總體布置

FPSO船艉采用布置2個(gè)臨時(shí)大抓力錨的方式實(shí)現(xiàn)FPSO船位的精確控位。由于FPSO實(shí)現(xiàn)與單點(diǎn)解脫前，F(xiàn)PSO船艏2根系泊錨鏈仍與水下YOKE連接，使其仍可通過(guò)YOKE提供的回復(fù)力保持在系泊狀態(tài)，在2個(gè)臨時(shí)大抓力錨的輔助控位下，F(xiàn)PSO船艉的大功率拖船只需保持自持而不需對(duì)FPSO施加向船艉方向的力，避免FPSO船艉的大功率拖船拖力不穩(wěn)定造成單點(diǎn)結(jié)構(gòu)損傷。

FPSO船艉布置的臨時(shí)大抓力錨采取自重為7 t的MK5型大抓力錨、φ56×25 m錨鏈、φ50 mm×485 m鋼纜的組合布置，見圖3。錨纜與FPSO拖點(diǎn)間的連接采用安全工作載荷85 t導(dǎo)向滑輪的與φ50 mm×300 m回頭鋼纜組合的形式連接，見圖4。通過(guò)FPSO船艉的工作絞車對(duì)錨纜張緊程度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)FPSO船艏向的精確控制和動(dòng)態(tài)微調(diào)。

在設(shè)定的作業(yè)環(huán)境條件下，即風(fēng)速<11 m/s，流速<0.8 m/s，有義波高<0.75 m，采用MOSES軟件對(duì)FPSO船位控制布置進(jìn)行動(dòng)態(tài)校核[4-6]，以上布置滿足FPSO解脫的要求。

圖3 FPSO船艉與臨時(shí)大抓力錨連接形式

圖4 FPSO船尾通過(guò)導(dǎo)向滑輪與錨纜連接

2.2 YOKE壓載艙浮力提升設(shè)計(jì)

YOKE壓載艙分為左翼壓載艙、中間壓載艙和右翼壓載艙等3個(gè)部分，見圖5。左翼和右翼的壓載艙填充有密度為3.18～3.3 t/m3的混合砂漿，剩余共計(jì)68 m3的空間充滿海水。中間壓載艙中與海水環(huán)境連通，體積為122 m3。為注入常壓空氣將壓載艙中海水排出，將壓載艙原有人孔更換為帶有進(jìn)氣口和出水口的人孔蓋，見圖6。人孔蓋上的進(jìn)氣口與從FPSO船艏引至YOKE的空壓機(jī)管線連接，見圖7、8。

圖5 YOKE壓載艙分布

圖6 帶有進(jìn)氣口、出水口的人孔蓋

圖7 左翼、右翼壓載艙排載

圖8 中間壓載艙排載

在實(shí)踐操作中，以海水上浮大量氣泡為YOKE壓載艙排載完成、獲得浮力提升的標(biāo)志，可提供1 947 kN浮力，從而使YOKE提升所需的提升力由8 155 kN降至6 208 kN，處于FPSO船艏提升絞車的設(shè)計(jì)能力范圍內(nèi)。

3 FPSO的解脫作業(yè)

FPSO與水下YOKE的連接是通過(guò)系泊鏈和提升鏈構(gòu)成的,因此，在FPSO解脫時(shí)，首先要使用FPSO船艏的提升絞車通過(guò)提升鏈將水下YOKE向上提升約4 m，將嵌入FPSO船艏系泊支架的系泊錨萬(wàn)向鉸接頭移除并置于FPSO之外，然后釋放提升鏈將YOKE下放至指定位置并將提升鏈拋放至海床上，解除FPSO與水下YOKE的最后連接，最后斷開臨時(shí)大抓力錨對(duì)FPSO的控制，在3條FPSO控位拖船的控制下，拖帶FPSO撤離作業(yè)海域，完成解脫作業(yè)。

3.1 臨時(shí)大抓力錨的預(yù)布

在預(yù)定的錨位位置沿設(shè)定的錨纜走向下錨。由于FPSO船艉導(dǎo)向滑輪和工作絞車對(duì)錨纜張緊度的調(diào)整有限制，實(shí)際錨位不能超出以設(shè)定錨位為中心、半徑為20 m的設(shè)定區(qū)域。

臨時(shí)大抓力錨下錨和錨纜放纜后，使用系柱拖力不小于700 kN的三用工作拖船對(duì)大抓力錨進(jìn)行拉力試驗(yàn)，拉力試驗(yàn)應(yīng)沿設(shè)定的錨纜走向進(jìn)行，試驗(yàn)拉力為500 kN，持續(xù)保持15 min，試驗(yàn)3次，若發(fā)生溜錨或是走錨情況，應(yīng)按上述步驟和要求重新拋錨。試驗(yàn)合格后，在錨纜端掛上標(biāo)識(shí)浮標(biāo)后鋪放在海床上。

3.2 控位拖船的掛拖

在選定的氣象窗口內(nèi)，先將8 940 kW、系柱拖力1 200 kN的三用工作拖船與FPSO船艉的拖點(diǎn)連接；然后連接船艏處于上風(fēng)向的8 940 kW、系柱拖力1 050 kN的三用工作拖船，最后連接下風(fēng)向的拖船。拖船掛拖時(shí)，應(yīng)選擇流向比較穩(wěn)定的時(shí)段，并應(yīng)注意已預(yù)布的臨時(shí)大抓力錨錨纜和浮標(biāo)。分布左右，使用拖船拖纜與FPSO船艏甲板上的拖點(diǎn)連接；采用1條8 940 kW、系柱拖力1 200 kN的三用工作拖船布置在FPSO船艉。

3.3 錨纜與導(dǎo)向滑輪的連接

3條控位拖船拖帶FPSO旋轉(zhuǎn)至艏向?yàn)?96°的位置，并保持FPSO船位。輔助拖船艉應(yīng)先連接FPSO船艉上風(fēng)向側(cè)的導(dǎo)向滑輪，再連接下風(fēng)向側(cè)的導(dǎo)向滑輪。

輔助拖船船艉傍靠FPSO船艉，將預(yù)先連接好的導(dǎo)向滑輪移放至輔助拖船甲板并采取可靠固定。FPSO船艉工作絞車逐漸放松，輔助拖船攜帶導(dǎo)向滑輪和絞車鋼纜靠近錨纜浮標(biāo)位置，并在輔助拖船甲板上完成滑輪與錨纜的連接，見圖9。隨著FPSO船艉工作絞車的鋼纜逐步收緊，輔助拖船緩慢釋放導(dǎo)向滑輪，直至錨纜帶力、滑輪處于水面以上。

圖9 輔助拖船協(xié)助導(dǎo)向滑輪與錨纜的連接

為避免導(dǎo)向滑輪在與錨纜連接及張緊過(guò)程中發(fā)生反轉(zhuǎn)而使絞車鋼纜纏繞，應(yīng)選擇能夠?qū)︿摾|進(jìn)行導(dǎo)向、限位的滑輪，F(xiàn)PSO工作絞車應(yīng)選擇防轉(zhuǎn)鋼絲繩，輔助拖船在釋放滑輪時(shí)應(yīng)張緊有度、緩慢釋放。

3.4 FPSO與單點(diǎn)的解脫

3條控位拖船和2個(gè)臨時(shí)大抓力錨的控制下，使FPSO位于設(shè)定的解脫區(qū)域，即：FPSO船艏向?yàn)?96°左右。

應(yīng)先對(duì)水下YOKE壓載艙進(jìn)行排載，直至有大量氣泡從YOKE壓載艙位置翻滾冒出；同時(shí)啟動(dòng)FPSO船艏800 t提升絞車，將YOKE向上提升約4 m。然后啟動(dòng)FPSO船艏左右舷的工作絞車，將系泊鏈萬(wàn)向鉸接頭從FPSO船艏系泊支架掛接點(diǎn)移置于舷外，并充分釋放，解除FPSO與水下YOKE連接的系泊鏈，見圖10。

圖10 系泊鏈萬(wàn)向鉸接頭的移除

最后再次啟動(dòng)FPSO船艏800 t絞車將YOKE下放至海床泥面以上2 m，通過(guò)2個(gè)臨時(shí)大抓力錨和3條控位拖船將FPSO船艏向準(zhǔn)確定位在296°、左右偏移≤3 m，直至YOKE完全下放至海床。解除FPSO與提升鏈的連接，實(shí)現(xiàn)FPSO與單點(diǎn)的解脫。

在這一過(guò)程中，為縮短FPSO解脫時(shí)間，在FPSO船位進(jìn)行調(diào)整時(shí)即可開展YOKE壓載艙的排載工作；在YOKE位于海床泥面以上2 m時(shí)，應(yīng)對(duì)FPSO進(jìn)行準(zhǔn)確的控位并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保YOKE坐落在預(yù)定位置，同時(shí)，還應(yīng)格外注意FPSO與單點(diǎn)之間的距離，避免因提升鏈的解除造成FPSO突然向后移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致FPSO船位位置的短暫失控。另外，一旦YOKE完全坐落在海床上，應(yīng)快速斷開排載管線，斷開FPSO與單點(diǎn)或是YOKE間的任何連接。

3.5 FPSO撤離作業(yè)海域

FPSO與單點(diǎn)解脫后，F(xiàn)PSO船艉的控位拖船應(yīng)逐漸增加拖力，控制FPSO向296°方向緩慢后撤，撤離距離應(yīng)在20 m范圍內(nèi)。同時(shí)，F(xiàn)PSO船艉的2臺(tái)工作絞車應(yīng)快速釋放，直至連接導(dǎo)向滑輪的300 m回頭鋼纜呈松弛狀態(tài)，使用氧氣乙炔切割工具將回頭鋼纜從FPSO船舷側(cè)切斷，從而斷開FPSO與大抓力臨時(shí)錨的連接。最后，在3條控位拖船的控制下，以FPSO尾拖方式拖帶FPSO離開作業(yè)區(qū)域，完成FPSO解脫作業(yè)。

需要注意，在初始后撤的20 m范圍內(nèi)，F(xiàn)PSO后撤速度不宜過(guò)快，尤其是導(dǎo)向滑輪的300 m回頭鋼纜的切斷作業(yè)要快速果斷，避免因不及時(shí)造成FPSO撤離受阻。

4 結(jié)論

1)作為世界首例水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的解脫作業(yè)，其解脫過(guò)程精度要求高、環(huán)境條件要求嚴(yán)格、作業(yè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，需要多船舶、多體系、全方位協(xié)同配合，盡管技術(shù)難度高、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，但海洋石油112FPSO的成功、順利解脫，不僅從理論上和實(shí)踐上證明了該形式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)解脫的可行性，而且為今后該形式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了技術(shù)參考。

2)采用大抓力錨配合3條大功率三用工作拖船對(duì)FPSO實(shí)施精確控位，雖然在方案設(shè)計(jì)和施工準(zhǔn)備階段難點(diǎn)重重、工作繁多，但其可靠和精確的控位能力有效降低了海洋工程作業(yè)對(duì)環(huán)境的依賴和限制。

3)水下YOKE排載系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，不僅抵消了海生物附著YOKE的不利影響，而且有效降低了FPSO與YOKE分離對(duì)YOKE提升絞車工作能力的要求，保證了FPSO解脫作業(yè)的正常開展。

4)在水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的解脫過(guò)程中，F(xiàn)PSO船位控制、YOKE提升和下放、解除系泊鏈與FPSO的機(jī)械連接、斷開臨時(shí)大抓力錨對(duì)FPSO的控制、FPSO快速撤離等關(guān)鍵作業(yè)點(diǎn)要求準(zhǔn)確到位、一氣呵成，任何一個(gè)步驟的失誤都可能造成FPSO解脫作業(yè)的失敗。降低天氣、水文條件的不利影響，采取合理易行、簡(jiǎn)單果斷的施工操作，是實(shí)現(xiàn)水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中FPSO與單點(diǎn)解脫的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

[1] 夏華波.水下軟剛臂單點(diǎn)系泊研究[J].船海工程，2014，43(3)：166-171.

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

[3] 姜進(jìn)方.孤立塔柱式水下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)安裝連接[J].中國(guó)造船，2006，47(增刊)：452-459.

[4] 嚴(yán)明，李德斌，田冠楠.海洋石油112冬季海況單點(diǎn)系統(tǒng)受力分析[J]. 船海工程，2015，44(5)：80-87.

[5] 李淑，王樹清.基于多提分析的淺水FPSO和水下軟剛臂系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41(9)：95-102.

[6] 桂龍，唐友剛，秦堯，等.淺水FPSO限位作業(yè)系泊分析[J].海洋工程，2014，32(3)：28-44.

Design of Underwater Soft Yoke SPM Disconnection

YAN Bin, LIU Xue-yi, JIANG Xue-lu, TAN Wei

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

Taking the Haiyang Shiyou 112 FPSO disconnection in Bohai sea as an example, a new method was designed to precise control the position by tugs cooperating with high holding power anchor. The underwater yoke exhaust system was set up to enhance the hoisting capacity during FPSO separate from underwater yoke, the disconnection process of underwater soft yoke SPM (single point mooring) system was developed. Practice showed that the disconnection process are safe and reliable, and successfully achieved the first disconnection case of underwater soft yoke SPM system in the world.

single point mooring; underwater soft yoke; disconnection; station keeping; FPSO

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.035

2016-11-25

閆斌(1981—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋石油工程

U674.38

A

1671-7953(2017)04-0151-05

修回日期：2016-12-21