FPSO系泊系統(tǒng)設計相關因素分析

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

FPSO系泊系統(tǒng)設計既要具有良好的順應性，以避免對FPSO產(chǎn)生過大的力，又要具有足夠的剛度，以避免過大的偏移造成立管損壞。從作業(yè)模式與設計環(huán)境條件、單點和多點系泊、系泊線布置、系泊線組成、轉塔位置的影響、計算狀態(tài)和方法等方面說明系泊系統(tǒng)設計需要考慮的因素。

1 作業(yè)模式與設計環(huán)境條件

1.1 作業(yè)模式

作業(yè)模式主要有兩種：解脫、拖走避風和不解脫，停產(chǎn)/堅持生產(chǎn)。作業(yè)模式的確定需要考慮極端海況條件。

1.1.1 極端海況條件

世界海域有2種極端海況條件[1]。

1)冬季風暴。冬季風暴發(fā)生在英國北海、挪威海和加拿大東部海域，通常作用的時間長、波及的區(qū)域廣。但是，風速很少超過44.76 m/s，比較穩(wěn)定，并可以預測。冬季風暴的設計波高大于熱帶氣旋，因為它作用的時間比“快速移動”的熱帶氣旋長得多。不適合采用油田停產(chǎn)、FPSO解脫、人員撤離的作業(yè)模式。

2)熱帶氣旋(颶風或臺風)。熱帶氣旋與冬季風暴截然不同，它能夠很快從1級(38.07 m/s左右)上升到5級(79.73 m/s左右)，具有高度不確定性。由于熱帶氣旋的高度不確定性，要求系泊系統(tǒng)有較大的設計裕度，以防止超過100年一遇的海況時發(fā)生損壞。

1.1.2 解脫、拖走避風作業(yè)模式

當風暴來臨時，F(xiàn)PSO停止作業(yè)、關井、與系泊系統(tǒng)解脫、拖走避風。風暴過后再回接、復產(chǎn)。因為多數(shù)時間環(huán)境條件良好或適中，所以這種作業(yè)模式安全、經(jīng)濟，尤其適用于二手油船改裝的FPSO。南中國海和墨西哥灣的部分FPSO采取此種作業(yè)模式。

1.1.3 不解脫，停產(chǎn)/堅持生產(chǎn)作業(yè)模式

臺風來襲時，停產(chǎn)、人員撤離。FPSO和系泊系統(tǒng)風暴自存，臺風過后復產(chǎn)。南中國海新設計建造的FPSO大都采取這種作業(yè)模式。

盡管北海冬季風暴的作用時間長，但是比較穩(wěn)定而且可以預測。即使達到甚至超過墨西哥灣颶風的量級，也不關井，堅持生產(chǎn)作業(yè)。

1.2 設計環(huán)境條件

DNV OS E-301規(guī)范中給出了世界典型設計環(huán)境條件，臺風期間不解脫的永久性系泊，至少按100年重現(xiàn)期的海洋環(huán)境條件設計，其中包括浮體穩(wěn)性、耐波性、總縱強度等均須滿足船級社規(guī)范要求，設計要求比對常規(guī)運輸油輪的設計要求高得多。解脫的移動式系泊根據(jù)需要的環(huán)境條件進行設計，設計條件相對較低。

2 單點與多點系泊

系泊系統(tǒng)可以分為兩大類，即單點和多點。 以往大多數(shù)系泊系統(tǒng)都屬于“被動”系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)有很多動力定位系統(tǒng)(DP)和系泊系統(tǒng)一起應用的案例。

2.1 單點

通常，F(xiàn)PSO是船形的，有較大的長寬比，對外力的方向很敏感，因而需要設計成具有風向標功能，使其能夠隨著風浪方向作360°全方位回轉，始終處于迎風浪狀態(tài)，從而大幅度減小風、浪、流引起的環(huán)境載荷和運動幅度。但是，單點系泊系統(tǒng)需要多個構造復雜、價格昂貴的機械部件，諸如大軸承、旋轉接頭等。對于在環(huán)境條件惡劣海域作業(yè)的船形FPSO，宜選用單點系泊系統(tǒng)。

2.2 多點

多根系泊線在多個不同位置的點與船體連接，使得船體不能自由轉動，波向角基本保持不變。優(yōu)點是構造簡單，初始投資和維護費用低。如果用在海況惡劣的海域，環(huán)境力可能引起很大的船體位移和系泊載荷。多點系泊適用于對環(huán)境力的方向不太敏感或長寬比接近的FPSO，多用于半潛平臺，在環(huán)境條件溫和的海域，例如,西非、東南亞和巴西，船形FPSO也可以采用多點系泊。

3 系泊線布置

系泊系統(tǒng)最重要的組成部分是系泊線，可以通過系泊線的布置和型式選擇，來獲得優(yōu)良的系泊特性。

3.1 系泊線布置方式

3.1.1 均布模式

一般由12根系泊線組成，按均布模式排列，系泊線之間的角度為30°。這種布置方式在“海上移動式鉆井裝置”(MODU)的多點系泊系統(tǒng)中很常見。在有多根生產(chǎn)立管(和電纜)的情況下，布置可能發(fā)生沖突。

3.1.2 分組不對稱模式

一般由12根系泊線組成，分3組，每組4根系泊線，系泊線之間的角度通常為5°。在這種布置模式中，F(xiàn)PSO有兩個極端方位，即“in line”——船體中心線與一組受拉系泊線同線和“in between line”——船體中心線處于兩組受拉系泊線中間。分組布置模式具有下述優(yōu)點：

1)安全度提高了。與均布模式比較，在1根系泊線破斷的不利情況下，分組模式最大系泊線張力比均布模式約低20%，最大位移減少5%。

2)便于立管布置。組與組之間有較大的空間，可以布置數(shù)量眾多的立管。

3.2 設計考慮因素

雖然在設計上系泊線對稱布置最簡單，但性能不是最好的，設計考慮因素如下。

1)環(huán)境力的方向性：特別是當風暴經(jīng)常從某個特定的方向來襲時，采用不對稱布置的系泊線來抗衡這些環(huán)境力，可能更為合理。

2)水下空間布置：海底設備和海底管線可能會影響系泊線和錨的布置。

3)立管系統(tǒng)：立管是系泊線布置的限制條件，必須避免立管與系泊線系統(tǒng)發(fā)生矛盾。

4)轉塔區(qū)域的空間限制：為了獲得更多的空間，系泊線分組可能更好。

4 系泊線組成

4.1 全錨鏈

錨鏈在多年海洋工程實踐中表現(xiàn)出良好的耐久性、抗磨損能力和防止錨上拔能力。通常，用在與船或平臺的連接部位，以及與錨連接的部位。

對于深水系泊，全錨鏈系統(tǒng)的重量過大，而使船舶的載重量大幅度降低，系泊系統(tǒng)的剛度、恢復力也大幅度降低，并要求很高的初始預張力。因此，深水系泊不采用全錨鏈系統(tǒng)。

錨鏈分為有檔鏈(stud)的和無檔鏈(studless)兩種。有檔鏈具有堅固、可靠、易于裝卸的特點，常用在相對較淺的水域。但是，橫檔可能導致局部疲勞，如失去一個橫檔將會在連接處產(chǎn)生較高的彎曲力矩。因此，永久性系泊系統(tǒng)更傾向于采用無檔鏈。

在水深小于100 m時，可以考慮采用全錨鏈的系泊線。

4.2 全鋼纜

在等強度條件下，鋼纜單位長度的重量僅為錨鏈的1/3～1/5。在同樣預張力的情況下，能夠提供較大的恢復力。隨著水深增大，這個優(yōu)點顯得尤為重要。但是，其抗摩擦能力遠不如錨鏈。因而，永久性系泊系統(tǒng)很少采用全鋼纜系統(tǒng)。

4.3 組合式

系泊線由錨鏈、鋼纜或合成纖維纜組合而成。在錨鏈-鋼纜組合中，錨鏈與錨連接，這樣做有利于防止系泊線與海底的磨損，以及防止錨上拔。通過錨鏈和鋼纜的恰當搭配來達到：減小對預張力的要求；產(chǎn)生大的恢復力；提高錨的抓持力；增大抗海底磨損的能力。

組合系泊線已成為深水系泊的優(yōu)選方案。在超深水(水深>1 500 m)海域，傳統(tǒng)的錨鏈-鋼纜組合也顯得太重，并且系統(tǒng)的剛度低、海底占地面積大，因而不再受歡迎。 “張緊的纖維纜系泊系統(tǒng)”應運而生，ABS于1999年制訂了相應的指南。

5 轉塔位置的影響

轉塔在船上的位置，對設計的影響很大。以南中國海和北海的FPSO為例，說明轉塔位置選擇時應考慮的問題。

5.1 轉塔位置差異

1)南海西江油田。南海西江油田的FPSO(海洋石油115)，轉塔距船艏20.4 m，不足船長的1/10，F(xiàn)PSO具有良好的風向標功能。該FPSO臺風期間不解脫，人員撤離，無動力定位系統(tǒng)。

2)北海油田。轉塔布置在距艏1/3船長處，F(xiàn)PSO的風向標功能幾乎喪失殆盡，而不得不依靠DP協(xié)助轉向[2]，導致增加設備、增加初投資、增加動力消耗和管理環(huán)節(jié)。但是，實踐結果表明，系泊線張力大幅度減小，安全系數(shù)可提高15%～18%。對于北海特殊的(長時間)冬季風暴條件，F(xiàn)PSO不解脫，常年堅持生產(chǎn)，這種選擇是合理的。應當強調(diào)指出，這種轉塔布置不適用于臺風期間關井、停產(chǎn)、人員撤離的管理模式，因為屆時DP沒有了動力來源。

5.2 設計考慮

在選擇轉塔位置時，應綜合考慮以下因素。

1)當為船型FPSO設計轉塔系泊系統(tǒng)時，除了考慮風向標效應外，還應考慮對立管使用壽命和系泊線張力的影響。轉塔距船中越遠，風向標效應越好，即使在與風、浪、流不同向情況下，也很容易轉到環(huán)境力最小的方位上。轉塔距船中越遠，轉塔處的垂向運動幅度越大。船上各部位的縱搖(pitch)運動幅度與距船中的距離成正比。這將給立管和系泊系統(tǒng)帶來十分不利的影響。轉塔在船上的相對位置，是立管和系泊線設計最重要的參數(shù)之一。

2)深海和超深海的FPSO，立管系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)的工程投資與船體(包括結構、機、電設備)相當。減小立管、系泊系統(tǒng)的運動、受力，延長其使用壽命，顯得十分重要。

3)完全風向標功能的FPSO比用DP協(xié)助調(diào)整方位的FPSO，具有明顯的投資省，運營、維護成本低的優(yōu)勢。

6 計算分析狀態(tài)和方法

6.1 分析狀態(tài)

系泊系統(tǒng)一般分析下述3種狀態(tài)：

1)完好狀態(tài)。所有構件完好無損。

2)破損狀態(tài)。1根系泊線破損或失效。

3)瞬時狀態(tài)。1根系泊線破損，F(xiàn)PSO到達新的平衡狀態(tài)之前。

6.2 分析方法

研究分析系泊系統(tǒng)的運動和受力涉及的主要理論有船舶流體靜力、流體動力、波浪理論。目前已經(jīng)開發(fā)出多個計算機軟件，船級社對系泊系統(tǒng)的設計、建造和入級也有專門的規(guī)范標準。單點或多點系泊系統(tǒng)的設計計算分析方法越來越趨于成熟。單點系泊系統(tǒng)的運動和受力的計算分析方法主要有準靜力法和準動力法兩種。至于全動力法，尚處在發(fā)展階段。

6.2.1 準靜力法

由于準靜力法簡單易行而廣泛地應用于淺水、移動式系泊系統(tǒng)，如原油進出口終端、鉆井平臺、鋪管船等。渤海灣“友誼”和“明珠”FPSO，茂名原油進口終端(CALM)的系泊系統(tǒng)設計，采用的就是準靜力法。對于深水、永久性系泊系統(tǒng)，這種方法僅用于初步設計階段，不推薦用于最終設計階段。特點如下。

1)準靜力分析通常針對線性問題，在運動方程里使用了線性化了的系統(tǒng)剛度，即將載荷—位移靜特性曲線平均位移處的剛度(切線的斜率)作為系泊系統(tǒng)的剛度。

2)波浪的動載荷，通過確定的船舶靜位移予以考慮。

3)風力、流力和定常波浪漂移力按靜力考慮，使船舶產(chǎn)生平均位移。將波頻一階和低頻二階波浪力產(chǎn)生的動位移，合理地模擬成靜位移，與平均位移疊加，形成總位移。

4)不考慮流體作用于系泊線上的載荷。

5)僅考慮船上系纜點水平運動，忽略系纜點的垂向運動。

在準靜力分析中，同向環(huán)境條件的假設是偏于保守的；考慮不確定因素，采用較大的安全系數(shù)；沒有體現(xiàn)某些重要的動力特性。

6.2.2 準動力法

隨著水深的增加，系泊線的質(zhì)量、阻尼和流體加速度隨時間變化的影響顯得越來越重要，必須在設計中予以考慮。南中國海的FPSO系泊系統(tǒng)設計，多數(shù)采用準動力法。準動力分析比準靜力分析要復雜得多，特點如下。

1)準動力分析通常針對非線性問題，在運動方程里分別使用每個水平偏移量所對應的系泊系統(tǒng)剛度。

2)通常采用時域分析?？梢阅M波頻和低頻船舶受力和運動響應，而將風力和流力模擬成定常力，不考慮系泊線本身的動力特性。

3)運動方程進行時域積分。計算分析中考慮了與浮體有關的附加質(zhì)量和阻尼的影響。

4)考慮流體作用于系泊線上的載荷。

5)考慮船上系纜點6個自由度的運動。通常在系泊纜平面內(nèi)，考慮系纜點的垂向和水平向2個運動就足夠了。

目前，有多種動力分析方法，他們之間的區(qū)別在于處理非線性的程度。

6.2.3 全動力法

對于深水和惡劣環(huán)境條件下的系泊系統(tǒng)，系泊線和船體之間的相互作用是不容忽視的，系泊線和流體之間相對運動引起的流體動力阻尼效應對船體的運動和受力以及系泊線載荷的影響同樣是不容忽視的。因此，需要采用船體與系泊系統(tǒng)耦合的分析方法來綜合考慮上述影響。在這種情況下，系泊線動力特性對船體運動的影響包含在時域解內(nèi)，將系泊線劃分為許多個“桿單元”來求解系泊線與流體的相對運動，考慮質(zhì)量、阻尼和剛度的影響。

全動力分析還不很完善，在系泊線阻尼取值問題上尚存在分歧，處在發(fā)展階段。

6.3 建議的分析方法和狀態(tài)

表1 建議的分析方法和狀態(tài)

7 結論

FPSO系泊系統(tǒng)設計首先需要根據(jù)油田開發(fā)計劃、作業(yè)環(huán)境條件等，明確作業(yè)模式；進而確定設計環(huán)境條件，設計環(huán)境條件是系泊系統(tǒng)設計的基礎；根據(jù)設計環(huán)境條件和作業(yè)區(qū)域特點(水深、允許偏移量等)，確定單點和多點系泊的選擇、系泊線布置和組成、轉塔位置等；確定環(huán)境載荷，船體的運動響應以及系泊系統(tǒng)的運動和受力，是計算分析的首要任務，永久性系泊建議采用準動力法，移動式系泊建議采用準靜力法。

[1] 金曉劍.FPSO最佳實踐與推薦做法[J].中國石油大學出版社,2012.

[2] 譚家翔.海上油氣浮式生產(chǎn)裝置[J].石油工業(yè)出版社,2014.