FPSO原油外輸系統(tǒng)研究

崔宇濤 趙柯翔

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

所謂原油外輸系統(tǒng)即是與船體原油外輸硬管連接的輸油終端設(shè)備，其主要負(fù)責(zé)與穿梭油輪的系泊連接及外輸管線連接，是FPSO非常重要的設(shè)備之一， 一旦出現(xiàn)故障，會使整個海上油田的生產(chǎn)作業(yè)陷入停頓和癱瘓狀態(tài)，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前為止主要應(yīng)用的原油外輸系統(tǒng)包括串靠外輸、旁靠外輸、串旁聯(lián)合式、浮筒外輸、HiLoad以及海底管線運輸?shù)葞追N型式，本文即針對上述幾種主要外輸型式的應(yīng)用條件進(jìn)行論述，針對不同型式的外輸系統(tǒng)配置方案進(jìn)行研究。需要說明的是，海底管線運輸不需配備外輸系統(tǒng)，因此本文不作說明。HiLoad 可以用于原油外輸也可用于LNG外輸，但由于其對FPSO來說應(yīng)用性價比極低，且未得到廣泛應(yīng)用，本文也不作展開。

1 原油外輸系統(tǒng)型式選取

目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用的FPSO，其外形大多數(shù)為船型，少部分為圓筒型或者多邊形等［1］，對于不同型式的FPSO結(jié)合工作海域及系泊方式的不同，原油外輸系統(tǒng)的型式也需要根據(jù)其自身特點在方案確定前進(jìn)行相應(yīng)論證。

1.1 船型FPSO

船型FPSO是目前公認(rèn)的適應(yīng)性最好的型式之一，不僅體現(xiàn)在應(yīng)用環(huán)境及永久系泊方式的良好適應(yīng)性，也體現(xiàn)在對原油外輸系統(tǒng)具有較好的適用性，船型FPSO幾乎可以搭載所有型式的外輸系統(tǒng)。

在西非、東南亞等熱帶區(qū)域，海況較好，百年一遇有義波高僅為3 m，常年主導(dǎo)浪向明顯［2］。船型FPSO應(yīng)用在這些海域，一般采用多點系泊系統(tǒng)，由船體首部迎浪，外輸系統(tǒng)則設(shè)置在船體尾部，從而使穿梭油輪不至于因為環(huán)境力的作用與FPSO相撞。當(dāng)然，如果主導(dǎo)浪向隨著季節(jié)的變化出現(xiàn)180°變化時，也可以考慮在首部加設(shè)一套串靠外輸設(shè)備，工作原理與布置在尾部時相同，串靠外輸在多點系泊船型FPSO上的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 串靠外輸在多點系泊船型FPSO上的應(yīng)用

另外，在此海域也適用浮筒外輸，F(xiàn)PSO內(nèi)儲存的原油通過貨油泵輸送到約2 km外的輸油系統(tǒng)終端（浮筒），浮筒具備定位能力并可以安全系泊穿梭油輪，原油通過浮筒上設(shè)置的外輸系統(tǒng)傳輸?shù)酱┧笥洼喩?，相比串靠外輸，浮筒外輸更安全，但由于外輸距離較遠(yuǎn)、阻力大，泵的能力要求更高，如圖2所示。采用多點系泊系統(tǒng)的FPSO假如采用旁靠外輸型式，需考慮穿梭油輪與系泊腿碰撞的安全隱患。

圖2 浮筒外輸系統(tǒng)示意

應(yīng)用在中國南海、墨西哥灣等沒有主控方向且環(huán)境條件較為惡劣的海域的FPSO，一般采用單點系泊系統(tǒng)，在此環(huán)境應(yīng)用的船型FPSO由于其明顯的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，大多數(shù)還是采用串靠尾輸，在風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的作用下，F(xiàn)PSO和穿梭油輪的外輸作業(yè)安全性更高，如下頁圖3所示。

此種系泊型式也可以采用旁靠外輸?shù)男褪剑缦马搱D4所示。但此種方式存在缺點，由于是穿梭油輪與FPSO在舷側(cè)系在一起，而由于兩者運動不同步，在風(fēng)浪較大時，會發(fā)生危險，因此，選擇此種外輸方式時需慎重。由于此種系泊型式的FPSO位置具有不確定性，因此，此區(qū)域不適選用浮筒外輸。

圖3 串靠外輸系統(tǒng)在單點系泊船型FPSO上的應(yīng)用

圖4 旁靠外輸系統(tǒng)的應(yīng)用

1.2 圓筒及多邊型FPSO

總體來說，圓筒型FPSO對環(huán)境方向性不敏感，抵御載荷的能力優(yōu)于船型FPSO，因此也更適用于環(huán)境惡劣的海域。多邊形FPSO原理與圓筒型基本類似，由于其特殊的外部形狀，決定了其無法使用旁靠外輸，而其不具備風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的特點，如果采用浮筒外輸，則外輸管線的受力可能會較大，因此也不建議采用浮筒外輸?shù)男褪?。目前世界上已?jīng)應(yīng)用的圓筒型FPSO大多采用串靠外輸型式的外輸設(shè)備，一般配備2套外輸設(shè)備，2套盡量遠(yuǎn)離布置，使每套外輸系統(tǒng)均可覆蓋約180°的范圍，由于其無風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的特點，因此，在外輸過程中，盡可能選擇合力較小的一側(cè)進(jìn)行外輸作業(yè)，且無論合力方向如何，處于安全考慮均需配備1~2艘拖輪拉住穿梭油輪尾部，使其不至于因合力方向突然變化而導(dǎo)致穿梭油輪與FPSO碰撞。參見圖5。

圖5 圓筒FPSO外輸系統(tǒng)布置

2 原油外輸系統(tǒng)設(shè)備配置

2.1 串靠外輸系統(tǒng)配置

串靠外輸主要是指在外輸作業(yè)時，穿梭油輪與FPSO兩艘船一前一后串接在一起。串靠系泊的主要優(yōu)點是系泊操作比較簡單，輸油過程中可以抵抗較大的風(fēng)浪，外輸距離較遠(yuǎn)，安全性較高。

串靠外輸設(shè)備主要包括以下幾個系統(tǒng)：

（1）穿梭油輪串靠系泊裝置；

（2）軟管及收放裝置；

（3）動力裝置；

（4）附屬裝置。

穿梭油輪的系泊裝置主要包括：大纜卷車、快速釋放裝置、大纜組件。

大纜卷車不同于常規(guī)的系泊絞車，其不僅要纏繞主系泊纜，還要把防磨鏈、引纜及連接卸扣等纏到卷筒上。大纜卷車的驅(qū)動方式以液壓驅(qū)動為主，因為液壓驅(qū)動可以無級調(diào)速且超負(fù)荷能力較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單，其液壓泵站可以與外輸系統(tǒng)的其他液壓設(shè)備共用，一般布置與甲板下艙室內(nèi)，節(jié)省甲板空間。

快速釋放裝置除需滿足應(yīng)急釋放功能外，還是一個為大纜提供拉力的“強(qiáng)點”，因此其設(shè)計強(qiáng)度需要滿足穿梭油輪的拉力要求。除此之外，快速釋放裝置還需配備一套帶有顯示、聲光報警和記錄功能的自動張力監(jiān)測系統(tǒng)，以便現(xiàn)場人員對系統(tǒng)的使用進(jìn)行實時監(jiān)控?？焖籴尫叛b置可以是獨立設(shè)備，也可以和大纜卷車集成設(shè)計。快速釋放裝置應(yīng)在本地和中央控制室均可操作。

大纜組件主要由圖6所示的幾部分組成。其總長度主要根據(jù)外輸距離確定。最為常用的主系泊纜為纖維索，兩端帶有防磨鏈，除此之外，大纜上還配有輔助連接作業(yè)的引纜和拾起纜等附件。有些大纜在靠近穿梭油輪一側(cè)的防磨鏈上會設(shè)置一個可斷鏈環(huán)“WEAK LINK”，該可斷鏈斷裂力應(yīng)大于系泊系統(tǒng)的安全工作拉力，但小于大纜的破斷拉力，這樣在緊急狀態(tài)下，可以依靠機(jī)械的方式斷開，從而保證系泊大纜其他部分不會被損壞［3］。

圖6 大纜的組成

穿梭油輪系泊裝置除上述主要設(shè)備外，還配備了導(dǎo)向裝置及排纜器等輔助設(shè)備。導(dǎo)向裝置保證了大纜在180°范圍內(nèi)可以快速收放大纜，排纜器的設(shè)置主要是用于讓系泊大纜排列的更有序。

軟管長度主要由外輸距離來確定，其通常由10.7 m的單節(jié)軟管通過法蘭連接而成。軟管形式為雙層漂浮軟管，且需要滿足OCIMF“ Guide to Purchasing， Manufacturing and Testing of Loading and Offloading Hoses for Offshore Mooring”要求，軟管的參數(shù)需根據(jù)實際外輸距離、壓降以及流量等數(shù)據(jù)來確定。

串靠外輸系統(tǒng)所采用的軟管系統(tǒng)主要有兩種型式，其中一種為漂浮軟管（如圖7所示），即軟管不設(shè)置收存設(shè)備，一直漂浮在海上。由于這種型式對軟管的傷害較大，目前新建FPSO已基本不再使用。另一種是利用軟管卷車把漂浮軟管纏繞在卷筒上，軟管通常僅在卷筒上纏繞一層，因此對軟管起到了很好的保護(hù)作用。此種形式是目前軟管收放較為常見的形式，如下頁圖8所示。

圖7 漂浮軟管型

圖8 軟管卷車收放式

作為輸油軟管和回收軟管卷筒上的連接點應(yīng)有以下功能：

（1）要能承受外輸軟管全部放出后軟管在水中所受的拉力，并可使軟管前后左右在一定角度內(nèi)擺動。

（2）要設(shè)有應(yīng)急解脫裝置。此裝置可以為遙控的（ERC），也可以使用機(jī)械斷裂的接頭（MBC）。無論哪種解脫裝置，在應(yīng)急情況解脫后，都要保證在斷開處管線兩端均封閉，防止原油外漏。

由于FPSO首尾部空間較小，外輸設(shè)備又通常會布置在FPSO的首部或尾部，因此在設(shè)計選型時尺寸通常是一個重要的因素。同能力的液壓驅(qū)動的設(shè)備和電動相比，液壓驅(qū)動的設(shè)備尺寸較小，因此外輸設(shè)備一般會以液壓的形式進(jìn)行設(shè)計。選擇液壓驅(qū)動還有一個非常重要的原因就是外輸站通常作為一個危險區(qū)域考慮。如果設(shè)備使用電動，則設(shè)備的電氣元件需考慮防爆要求，成本會大幅增加。因此，外輸設(shè)備如無特殊需求，一般采用液壓驅(qū)動。

外輸系統(tǒng)的液壓泵站通常布置在甲板面以下較安全的位置，但盡量不要與甲板面的液壓設(shè)備距離太遠(yuǎn)，否則阻力損失會較大。在常規(guī)的外輸設(shè)備中，液壓泵站主要為大纜卷車、大纜快速釋放裝置、軟管收放裝置及ESD閥等設(shè)備提供動力。

外輸系統(tǒng)附屬裝置主要用于原油外輸作業(yè)及外輸設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，主要包括：

（1）大纜卷車控制臺；

（2）外輸軟管收放裝置控制臺；

（3）應(yīng)急釋放裝置（包括大纜和軟管）控制臺；

（4）本地控制室，控制室需具有較好的視野，可監(jiān)控到整個外輸過程；

（5）氣動式拋繩槍，當(dāng)無工作船在附近輔助作業(yè)時，可以通過氣動式拋繩槍直接與穿梭油輪進(jìn)行連接；

（6）輸油軟管拆卸維護(hù)設(shè)施包括軟管起重機(jī)、軟管拆卸維護(hù)平臺、單根軟管存放托架、單根軟管吊具、拖拉絞車等，這些設(shè)備也可以利用甲板系泊設(shè)備或其他相關(guān)設(shè)備兼用，以降低建造成本。

2.2 旁靠外輸系統(tǒng)配置

旁靠外輸主要是指在外輸作業(yè)時，穿梭油輪與FPSO平行系泊于FPSO某一舷，可以船頭同向，也可以頭尾同向。在外輸作業(yè)過程中，穿梭油輪始終與FPSO始終保持相對穩(wěn)定的運動，因此，穿梭油輪與FPSO的主尺度對旁靠外輸?shù)挠绊戄^大，且海況的要求也較高。相對于串靠系泊，外輸距離過近并且應(yīng)急解脫速度慢是其最大的缺點，但由于良好的經(jīng)濟(jì)性，在某些特定海域，其依然也是目前外輸系統(tǒng)設(shè)計的一個合理選擇方案。

旁靠外輸設(shè)備主要包括以下幾個系統(tǒng)：

（1）碰墊；

（2）穿梭油輪旁靠系泊裝置；

（3）軟管及收放裝置；

（4）動力裝置；

（5）附屬裝置。

碰墊是旁開外輸系統(tǒng)中非常重要的一個部件，如下頁圖9所示，其在整個外輸過程起到防護(hù)安全的作用。如之前提到，兩艘旁靠系泊的船，由于其主尺度不同，風(fēng)浪流的作用會使兩艘船產(chǎn)生相對運動，容易產(chǎn)生碰撞，這也是外輸作業(yè)中最需要關(guān)注的安全問題。碰墊的作用就是作為緩沖介質(zhì)，可以有效吸收和減弱兩者之間的相互作用。碰墊形式一般選用充氣式［4］，通過索具與船體連接，依靠船上起重機(jī)進(jìn)行下放，放置位置可以是舷邊，也可以為水線。

圖9 旁靠外輸系統(tǒng)的碰墊設(shè)備

旁靠外輸系統(tǒng)的系泊裝置相對來說型式較簡單，類似于碼頭系泊，主要通過船體配備的系泊絞車、羊角滾輪導(dǎo)纜器、帶纜樁、導(dǎo)纜孔等系泊設(shè)備完成。絞車的組成可根據(jù)實際布置情況選擇合適數(shù)量的系泊卷筒和副卷筒。所有系泊設(shè)備的數(shù)量和強(qiáng)度需通過校核并且嚴(yán)格按照計算所確定的結(jié)果進(jìn)行帶纜。隨著科技的發(fā)展，數(shù)值模擬計算確定系泊方案的方法已得到廣泛應(yīng)用。

旁靠系泊所采用軟管的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與串靠系泊軟管的標(biāo)準(zhǔn)相同，區(qū)別在于旁靠系泊使用的軟管不需滿足漂浮的要求。由于系泊距離的不同，旁靠系泊軟管的長度較短，但其可以根據(jù)流量或外輸時間的要求配備多根外輸軟管，這些軟管可由安裝在FPSO上的一座或多座吊車、A字架或塔架來管理［5］。軟管提升設(shè)備必須能夠提起預(yù)計最大旁靠外輸油輪所需最大、最長軟管的操作質(zhì)量，另外，提升設(shè)備還需滿足軟管系統(tǒng)所需的回轉(zhuǎn)半徑的要求，既可以跨接到外輸油輪的管匯處，也可以到達(dá)本船的外輸軟管維修區(qū)域。

旁靠外輸系統(tǒng)并沒有像串靠系泊系統(tǒng)一樣專用的動力裝置，由于大多依靠船體設(shè)備進(jìn)行操作，因此，只要船體的動力裝置可以滿足上述輔助設(shè)備的動作即可，需說明的是ESD（應(yīng)急關(guān)斷）閥需要船體的動力裝置提供動力，ESD閥有蓄能器，可以滿足在緊急情況停止原油的外輸作業(yè)。

旁靠外輸系統(tǒng)附屬裝置主要包括軟管防磨工具、CCTV系統(tǒng)等。

2.3 浮筒外輸系統(tǒng)配置

浮筒外輸系統(tǒng)一般應(yīng)用于海況較溫和的海域，浮筒采用多點系泊。由于其是依靠浮筒與穿梭油輪進(jìn)行外輸作業(yè)，對于FPSO來說是絕對安全的，而穿梭油輪與浮筒的碰撞概率也要小的多，但缺點是由FPSO到外輸浮筒的距離過長，貨油泵能力需要配置較大。

浮筒外輸設(shè)備主要包括以下幾個系統(tǒng)：

（1）Inloading 系統(tǒng) ；

（2）浮筒設(shè)備；

（3）附屬裝置。

Inloading 系統(tǒng)也就是指FPSO將原油外輸?shù)礁⊥驳脑O(shè)備，主要包括軟管、浮力塊、ESD閥等設(shè)備。浮筒外輸型式浮筒距離FPSO的間距較遠(yuǎn)，相應(yīng)的管線長度要更長，管線呈波浪式柔性分布，輸油管兩端帶有萬向節(jié)，每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)軟管兩端和其他軟管為法蘭連接，軟管在整個外輸距離內(nèi)設(shè)有浮力模塊，主要用于避免輸油工況下管線滑脫分離，保持輸油管線形狀不變。另外，為應(yīng)對應(yīng)急工況，在FPSO上同樣需設(shè)置ESD閥及蓄能裝置。軟管的性能參數(shù)主要由外輸距離、管線壓降及外輸量等因素決定。

浮筒是浮筒外輸?shù)年P(guān)鍵部件，如下頁圖10所示，其浮力應(yīng)能承受自重以及Inloading軟管的垂向載荷。浮筒一般采用單點系泊系統(tǒng)，穿梭油輪可以繞單點360°轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)風(fēng)標(biāo)效應(yīng)。浮筒一般只設(shè)油艙和空艙，空艙用來提供浮力，油艙主要用于緊急情況下的原油應(yīng)急泄放。浮筒上還需配備信號燈、號角和易于雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的雷達(dá)反射器。如果是小型浮筒，其電力源可依靠可再生能源，如太陽能、風(fēng)能等，并配備容量足夠的蓄電池；大型浮筒可由FPSO或附近基站提供電力。除此之外，浮筒還需配備監(jiān)測系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)包括大纜張力監(jiān)測、系泊纜張力監(jiān)測、閥的狀態(tài)、貨油的相關(guān)參數(shù)監(jiān)測、CCTV系統(tǒng)等，遙控系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)的應(yīng)急關(guān)斷閥的控制及大纜應(yīng)急釋放等。

圖10 浮筒裝置

對于浮筒外輸形式來說，由于其核心的設(shè)備均在浮筒端，因此在FPSO端并無太多輔助裝置，僅有一些軟管接口處的輔助平臺或維修平臺，所有遠(yuǎn)程遙測面板一般布置在FPSO中控室。

3 結(jié) 語

本文通過對不同型式的外輸系統(tǒng)進(jìn)行了比較和研究，得出以下結(jié)論：

（1）串靠外輸系統(tǒng)對環(huán)境和系泊方式的適用性較好，與穿梭油輪外輸距離適中，連接方便且具有應(yīng)急解脫功能，雖然初期投資成本略高，但更為安全，是目前FPSO最主流的外輸方式。

（2）旁靠外輸系統(tǒng)對環(huán)境和系泊方式的適用性也較好，但由于其旁靠的系泊方式導(dǎo)致其對外輸作業(yè)環(huán)境的要求較高，且安全性較串靠外輸型式要低，因此，其實際工程應(yīng)用不如串靠外輸系統(tǒng)廣泛。

（3）浮筒外輸系統(tǒng)由于其對系泊方式和環(huán)境條件的敏感性，決定其只能用于特定海域及船型，適用性較差，但安全性最好。

（4）本文所介紹的串靠外輸系統(tǒng)、旁靠外輸系統(tǒng)及浮筒外輸系統(tǒng)為目前世界上應(yīng)用最廣泛的三類外輸系統(tǒng)，不同設(shè)計廠家可能在設(shè)備設(shè)計上略有差異，但原理基本一致。