明珠號FPSO串靠艉輸改造方案研究

王國富，李 潔，劉吉飛，程久歡，郝孟江

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

FPSO外輸系統(tǒng)按系泊方式不同可分為旁靠（橫向輸油）外輸和串靠外輸（艉部輸油）兩種方式，串靠艉輸是目前國內(nèi)外FPSO的主流外輸方式[1]。

1 明珠號FPSO艉輸方案研究

1.1 油田周邊設施影響評估

相對于旁靠外輸，明珠號FPSO 改為串靠艉輸后具有更大的回轉半徑（如圖1所示），需校核與周邊海上構筑物的安全距離。

圖1 FPSO 艉輸示意

艉輸回轉半徑R 計算見式（1）[2]：

式中：L1為單點最大運動位移，m；L2為單點至FPSO艏距離，m；L3為FPSO船長，m；L4為系泊纜長度，m；L5為系泊纜最大伸長量，m；L6為最大穿梭油輪船長，m；L7為拖拽系泊纜長度，m；L8為拖拽系泊纜最大伸長量，m；L9為拖拽拖輪長度，m。

經(jīng)計算，明珠號FPSO 串靠外輸時外輸作業(yè)船只圍繞單點總的回轉半徑約695 m。FPSO 距周邊WHPB 平臺 2.5 km，距 WHPC 平臺 2.1 km，距WHPD 平臺2.7 km。串靠艉輸時，作業(yè)船與最近平臺有兩倍回轉半徑的安全裕量，滿足油田區(qū)域安全距離要求。

1.2 串靠艉輸軟管方案比選

根據(jù)外輸軟管存放方式的不同，常見的FPSO串靠艉輸方案有以下三種：滾筒式、滑道式和漂浮式[3]，如圖2所示。方案的比選如下：

（1）滾筒式輸油軟管方案。在外輸間隙，輸油軟管存放在軟管絞車上；外輸作業(yè)時，在穿梭油輪系纜完成后，由工作拖船把軟管末端運送到穿梭油輪舯部，穿梭油輪服務吊機再把軟管末端吊到舯部甲板并與集油管匯連接；外輸完畢后，軟管末端從穿梭油輪甲板舯部拆掉放到海面上，拆掉軟管絞車應急釋放液壓軟管，絞車將軟管回收盤到滾筒上。

圖2 常見的FPSO 串靠艉輸軟管方案[2]

若本項目采用軟管絞車方案，則需要拆除并移位明珠號FPSO 艉多個設備，停產(chǎn)改造時間長，油田停產(chǎn)損失大。而且軟管絞車尺寸大，距離火炬較近，正常氣量下絞車表面溫度約為51 ℃，堵塞工況下絞車表面溫度約為75 ℃，而軟管允許使用的環(huán)境溫度為-29 ～52 ℃，環(huán)境溫度過高，將影響軟管安全和使用壽命。

（2）滑道式輸油軟管方案。在外輸間隙，輸油軟管存放在FPSO 軟管滑道上，滑道一般布置在FPSO 主甲板上，由艉開始沿舷側縱向布置，滑道的長度與軟管的長度相當；為方便軟管回收，一般設置有坡度并坡向艉，通過絞車將外輸軟管回收到滑道上。

根據(jù)明珠號FPSO 現(xiàn)場實際情況，甲板上沒有空間可布置二百多米的滑道，故本項目采用滑道式方案不可行。

（3）簡易漂浮軟管方案。在外輸間隙，輸油軟管長期隨FPSO 漂浮在海面上；外輸作業(yè)時，在系纜完成后，由工作拖輪將漂浮軟管端部拖至穿梭油輪舯部，穿梭油輪再將其吊到舯甲板并連接集油管匯；外輸結束后，將軟管一端封堵后吊到海面上，然后由工作船拖離穿梭油輪，拖離的漂浮軟管長期浮在海面上。

相對而言，漂浮軟管方案具有占地少、FPSO改動小且可實現(xiàn)不停產(chǎn)改造等特點，同時明珠號FPSO 在本油田剩余服役年限較短，經(jīng)技術經(jīng)濟分析認為，漂浮軟管方案技術可靠，經(jīng)濟性較佳，為本次研究的推薦方案。該方案不足之處是明珠號FPSO 所在海域冬季有海冰存在，海冰有損壞軟管的風險，為此制訂了專門的應對方案。上述幾種外輸軟管方案對比情況見表1。

表1 外輸軟管方案對比

1.3 簡易漂浮軟管外輸系統(tǒng)的設計及防護

簡易漂浮軟管外輸系統(tǒng)由系泊、外輸軟管和控制系統(tǒng)組成。

1.3.1 系泊系統(tǒng)的設計

結合明珠號FPSO 在本油田擬服役年限短及可用空間緊張的實際情況，因此選用了占地少、費用低、采辦周期短的簡易系泊系統(tǒng)方案，同時為提高外輸?shù)陌踩?，增加了拉力監(jiān)測和快速脫鉤裝置（QRH）。

系泊設施包括絞車、導纜孔、系纜樁、拖力眼板及系泊纜，其中系泊纜由摩擦鏈、主系纜、摩擦鏈、引纜組成，系泊纜布置方案如圖3所示。

圖3 系泊纜布置

1.3.2 外輸軟管系統(tǒng)的設計

為盡可能降低外輸軟管損壞對環(huán)境的影響，建議選用雙層漂浮軟管。外輸泵工作壓力1 260 kPa，考慮到10%的正常壓力波動，按最大工作壓力1 386 kPa 選取外輸軟管，同時為匹配軟管廠家標準系列產(chǎn)品，公稱壓力取1 500 kPa。軟管長度的選取需綜合考慮外輸作業(yè)的安全性、方便性及軟管采辦的經(jīng)濟性，推薦軟管長度L 按式（2）進行計算，式（2）中部分參數(shù)的物理意義圖解見圖4。

圖4 軟管長度計算[4]

式中：SF為安全系數(shù)，本項目取1.2；L1為FPSO外輸管匯到軟管接頭距離，本項目取0 m；EMH為FPSO 外輸管匯距離主甲板高度，本項目取2.5 m；EFmax為FPSO 最大干舷高度，本項目取11.6 m；HL為系泊纜和摩擦鏈長度，本項目取80 m；E 為系泊纜最大伸長量，本項目取8 m；LBTM為穿梭油輪集油管匯中心到艏距離，本項目取89 m；Lm為集油管到管匯中心距離，本項目取4.5 m；Fmax為穿梭油輪最大干舷高度，本項目取11.6 m；MH為集油管匯到主甲板高度，本項目取2.1 m；Dm為集油管接口到船舷距離，本項目取4.6 m。

計算得到明珠號漂浮軟管長度L=250.68 m。對照軟管廠家標準管參數(shù)，最終選用22 節(jié)軟管，各節(jié)軟管之間用法蘭連接，各段軟管布置如圖5所示。

圖5 軟管布置方案

1.3.3 外輸軟管保護措施

（1）水擊防護。外輸作業(yè)由于誤操作或控制系統(tǒng)失靈導致管道流量突變或閥門急速關閉時，管內(nèi)穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞壓力發(fā)生瞬變，在管路中會出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。由于FPSO外輸流量大，產(chǎn)生的水擊壓力比正常外輸壓力高出很多。根據(jù)相關文獻研究，最大的水擊壓力出現(xiàn)在外輸關斷閥處[5]，為此需要在靠近外輸SDV閥處設置泄放閥或水擊保護閥。

（2）破斷應急保護。為防止外輸作業(yè)時穿梭油輪緊急解脫而拉斷未置換的外輸軟管，從而造成原油泄漏，外輸軟管須設置應急釋放接頭，常見的應急釋放接頭及優(yōu)缺點見表2?；诎踩?、檢修便利性及軟管回接時間（十分重要）考慮，推薦采用表2中的主動式保護措施。

（3）外輸軟管的吹掃及清洗。為方便外輸軟管存放及減少漏油風險，每次外輸完畢后需對外輸軟管進行氮氣吹掃，需在明珠號FPSO 外輸ESDV閥后增加氮氣吹掃口，接入氮氣吹掃系統(tǒng)。在外輸軟管大修、更換拆卸前需要對外輸軟管進行清洗，為此需在明珠號FPSO 外輸鋼管上設置一個清洗接口（可采用生產(chǎn)水進行清洗），并在舯部設置洗管站（增加一條去污水艙的管道）。洗管時由工作拖輪將漂浮軟管拖至明珠號FPSO 右舷吊機附近，然后利用右舷吊機將外輸軟管與洗管站連接。

（4）海冰及應對措施。明珠號FPSO 所在海域冬季有少量流冰存在，流冰會碰撞并劃傷外輸軟管，沿外輸軟管凍結的海冰有拉斷外輸軟管的風險。應對措施：提高軟管防護等級。如加厚軟管外防護層來防止小塊流冰的碰撞和劃傷；在明珠號FPSO 的艏右舷側設一軟管掛鉤，若冰情加重，將軟管一端掛到艏，然后用系泊絞車將輸油軟管吊至FPSO 船側系住，防止海冰沿軟管凍結而拉斷外輸軟管。遇到嚴重冰情時，沿用FPSO的旁靠外輸系統(tǒng)，利用尾部電動絞車將軟管拆除，然后將其在工作拖輪上逐節(jié)拆除并運至陸地存放。

1.3.4 控制系統(tǒng)

外輸作業(yè)時，需要對外輸壓力波動進行監(jiān)測預警，需要對外輸作業(yè)進行緊急關停，對系泊纜張力儀可進行監(jiān)測報警，同時需要在明珠號FPSO 艉增加閉路電視監(jiān)視外輸作業(yè)情況。由于受篇幅限制，本文對控制系統(tǒng)不作詳細描述。

表2 應急釋放接頭對比

2 對穿梭油輪的要求

需要在穿梭油輪集油管匯附近配備服務吊機，用于連接外輸軟管。吊機工作范圍應能夠覆蓋服務拖輪，其安全工作負荷SWL（Safe Working Load）計算公式為：SWL=動載系數(shù)× （需吊起的最長軟管重+軟管附屬設施重+軟管充液重）。根據(jù)OCIMF 規(guī)范[2]，服務吊機應能將軟管吊離至距離穿梭油輪主甲板8 m 處，且偏離集油管中心1 m。本項目穿梭油輪的最大干舷高度11.6 m，服務吊機需吊起的軟管長度為20.6 m，服務吊機需起吊的各部分質量如下：尾段加強軟管兩節(jié)（共21 m）共3.54 t，外輸軟管尾部閥門和快接頭約0.25 t，吊鏈及尾部浮子0.2 t，軟管內(nèi)充液3 t（按水計），因此起吊最大凈質量共計7.06 t。根據(jù)BZ25-1 油田環(huán)境條件，動載系數(shù)取1.5，故SWL=103.8 kN（相應質量10.59 t，可向上圓整為11 t）。

3 結論

（1）明珠號FPSO 改為串靠艉輸后，可滿足與周邊油田設施安全距離的要求。

（2）簡易系泊+漂浮軟管串靠艉輸方案簡單可靠，經(jīng)濟適用，是低投資及受限空間下FPSO 外輸系統(tǒng)改造的首選方案。

（3）漂浮外輸軟管的應用需考慮海冰等異物破壞的風險，應采取雙層管、加厚保護層、增加臨時固定裝置等應對措施。