浮式軟管在半潛式FPSO油氣外輸上的應(yīng)用

田 鋒， 楊小龍， 李 豫， 文志飛， 張洪娟， 李俊汲

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

海上浮式生產(chǎn)裝置按結(jié)構(gòu)可分為船形浮式裝置、半潛式(柱穩(wěn)性)浮式裝置和其他浮式裝置，其他浮式裝置包括圓柱形浮式裝置、深吃水立柱平臺(Spar)和張力腿平臺(Tension Leg Platform，TLP)。海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)是指漂浮且系泊于海面，主要功能為石油天然氣處理、儲存和裝卸或僅具備其中某些功能的海洋石油生產(chǎn)設(shè)施[1]。FPSO通常采用船形浮式裝置，而以半潛式(柱穩(wěn)性)或其他浮式裝置作為FPSO的情況在業(yè)界較少。

陵水17-2氣田群是深水氣田，距崖城13-1氣田約160 km，距崖城至香港管線約85 km，距海南島約156 km，水深為1 447 m。陵水17-2平臺是深水半潛式浮式生產(chǎn)儲油外輸平臺，采用浮式軟管外輸平臺產(chǎn)生的凝析油。平臺由船體、上部組塊和生活樓組成，船體部分包括旁通和4個(gè)立柱。

外輸軟管是安裝在輸油終端與轉(zhuǎn)運(yùn)油船之間的重要設(shè)備，承擔(dān)著原油輸送的重任，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高[2]。采用浮式軟管進(jìn)行油氣外輸主要適用于船形FPSO，陵水17-2平臺是半潛式FPSO。與船形FPSO相比，半潛式FPSO水線面面積小、干舷高，常規(guī)的干舷甲板無法提供足夠的面積用來布置軟管滾筒。將軟管滾筒布置在船體上方的組塊上，一方面增大了外輸甲板的高度，另一方面外輸甲板以下不具有封閉的舷側(cè)結(jié)構(gòu)，造成外輸軟管在設(shè)計(jì)過程中遇到一些問題和挑戰(zhàn)。

1 軟管設(shè)計(jì)

陵水17-2半潛式平臺采用浮式軟管輸送經(jīng)平臺處理合格的凝析油。相關(guān)外輸設(shè)備主要包括浮式軟管、軟管滾筒、系泊纜、系泊纜滾筒和相應(yīng)的輔助設(shè)施。在外輸作業(yè)時(shí)穿梭油船通過動力定位和系泊纜保持與半潛式平臺的安全距離，浮式軟管連接于半潛式平臺與穿梭油船之間進(jìn)行凝析油外輸；在非外輸作業(yè)時(shí)軟管被卷繞至半潛式平臺的軟管滾筒上[3]。

陵水17-2半潛式平臺外輸作業(yè)時(shí)的浮式軟管布置如圖1所示。

單位：mm注：SEMI-半潛式平臺；n-軟管節(jié)號圖1 浮式軟管布置

1.1 軟管構(gòu)造及配置

外輸軟管按其結(jié)構(gòu)型式可分為單層管、雙層管、雙重管[4]。單層管和雙層管分別是第一代軟管和第二代軟管，由軟管本體、兩端嵌入軟管的短節(jié)和軟管連接法蘭組成。單層管在20世紀(jì)60年代使用壽命較短，大約每6～18個(gè)月就需更換，為解決軟管破損導(dǎo)致油氣泄漏造成環(huán)境污染的問題，軟管生產(chǎn)商在單層管的外層增加一層軟管形成雙層管，并且在兩層軟管之間設(shè)置泄漏探測裝置[5]。當(dāng)內(nèi)層軟管破損導(dǎo)致油氣泄漏時(shí)外層軟管將提供保護(hù)，兩層軟管之間的探測裝置將發(fā)出油氣泄漏警報(bào)，操作人員在接收到報(bào)警信號后可適時(shí)地對出現(xiàn)問題的軟管進(jìn)行更換，避免油氣泄漏造成的財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。雙重管是一種特殊的單層管，無油氣泄漏探測裝置，與普通單層管在產(chǎn)品工藝上略有不同。單層管與雙層管通過金屬短節(jié)與兩端的連接法蘭相連，在軟管布放、回收、卷繞作業(yè)中軟管本體與金屬短節(jié)之間存在過渡易損區(qū)；在雙重管的結(jié)構(gòu)型式中無金屬短節(jié)，軟管兩端的連接法蘭完全嵌入軟管本體內(nèi)，不存在軟管本體與金屬短節(jié)之間的過渡易損區(qū)。

經(jīng)比選分析，陵水17-2半潛式平臺最終采用雙層管設(shè)計(jì)。同時(shí)出于安全考慮，在外輸軟管靠近半潛式平臺外輸滾筒一側(cè)設(shè)置應(yīng)急釋放裝置(Emergency Release Couple，ERC)，在靠近穿梭油船一側(cè)設(shè)置液壓關(guān)斷閥門(Hose End Valve，HEV)。

1.2 軟管壓力等級

軟管采用OCIFM/GMPHOM 2009規(guī)范，規(guī)范針對軟管的額定工作壓力劃分3個(gè)等級，分別為15 bar (1 bar = 0.1 MPa)、19 bar、21 bar。陵水17-2半潛式平臺經(jīng)比選計(jì)算確認(rèn)軟管額定工作壓力為15 bar可滿足技術(shù)工藝要求。

1.3 軟管沖擊壓力

因意外情況關(guān)斷隔離閥導(dǎo)致軟管中流動的油氣在短時(shí)期內(nèi)對軟管產(chǎn)生比正常工作高出很多的壓力稱為沖擊壓力，俗稱“水錘”現(xiàn)象[6]。沖擊壓力會對軟管產(chǎn)生較大的損傷，影響軟管使用壽命，若情況嚴(yán)重會造成軟管破裂，導(dǎo)致油氣泄漏造成環(huán)境污染。軟管兩端閥門的關(guān)閉速率是產(chǎn)生沖擊壓力的一個(gè)重要因素。在計(jì)算陵水17-2半潛式平臺軟管沖擊壓力時(shí)，選取HEV關(guān)閉時(shí)間為5 s， ERC關(guān)閉時(shí)間為10 s，計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，軟管內(nèi)產(chǎn)生的最大沖擊壓力為34 bar，小于軟管廠家提供的最大允許沖擊壓力(36 bar)。在外輸作業(yè)中，應(yīng)嚴(yán)格遵循操作手冊，避免在正常工作條件下軟管內(nèi)產(chǎn)生意外的沖擊壓力，以延長軟管使用壽命。

1.4 火炬熱輻射影響

火炬熱輻射影響軟管使用壽命和外輸人員操作安全?；鹁媾c外輸滾筒均位于平臺西北側(cè)，在正常和事故工況下，存在火炬熱輻射影響軟管使用壽命風(fēng)險(xiǎn)；外輸滾筒需要人員通過甲板通道進(jìn)入滾筒旁操作室操作，存在火炬熱輻射影響人員操作風(fēng)險(xiǎn)。

軟管在最低使用壽命內(nèi)對所承受的熱輻射通常有以下技術(shù)指標(biāo)：

(1) 連續(xù)工況下持續(xù)暴露溫度的最高值；

(2) 峰值溫度的持續(xù)時(shí)間、年累積時(shí)間；

(3) 緊急工況下最高溫度暴露時(shí)間。

由熱輻射計(jì)算可知：(1)外輸滾筒頂部在連續(xù)工況(15 m/s風(fēng)速)下持續(xù)暴露溫度的最高值為75.4 ℃；(2)外輸滾筒頂部在緊急工況(15 m/s風(fēng)速，高壓緊急泄放)下短期暴露的溫度最高值為130.3 ℃，暴露時(shí)間<30 min。經(jīng)與軟管廠家確認(rèn)：軟管在75 ℃下可服役3 a，在120 ℃下可服役數(shù)周，在130 ℃下工作半小時(shí)不影響軟管的設(shè)計(jì)壽命。

外輸滾筒頂部相關(guān)熱輻射計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 外輸滾筒頂部熱輻射計(jì)算結(jié)果

1.5 穿梭油船

油氣外輸通常使用傳統(tǒng)穿梭油船(Conventional Shutter Tanker，CST)，隨著動力定位(Dynamic Position，DP)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，帶DP功能的穿梭油船也逐漸在外輸作業(yè)中被采用。CST與DP穿梭油船對外輸作業(yè)存在兩個(gè)方面的不同：一是外輸接口在外輸油船上的位置不同， CST外輸接口的位置通常在油船船中，DP穿梭油船外輸接口的位置在油船船首，外輸接口位置不同將分別影響軟管與系泊纜的長度；二是外輸軟管接口的型式不同，CST外輸接口通常采用活接頭或螺栓連接，接口尺寸可根據(jù)穿梭油船端輸油管線和外輸軟管的管徑大小進(jìn)行匹配，DP穿梭油船使用首裝載系統(tǒng)(Bow Loading System，BLS)，該系統(tǒng)的管線標(biāo)準(zhǔn)接口是20英寸(1英寸=0.025 4 m)，外輸軟管通過軟管末端閥(Hose End Valve，HEV)與穿梭油船的BLS連接。

陵水17-2半潛式平臺外輸軟管的管徑為12英寸，外輸作業(yè)采用DP穿梭油船為主外輸油船，CST作為備用。因外輸軟管與BLS的接口管徑不同，外輸軟管與BLS連接采用分段變徑的方法：先將連接HEV的軟管從12英寸變徑至16英寸，再在HEV與軟管間配置1個(gè)從16英寸變徑至20英寸的法蘭，從而實(shí)現(xiàn)外輸軟管與DP穿梭油船BLS的連接。在設(shè)計(jì)中需考慮軟管最小彎曲半徑，滾筒半徑應(yīng)收容所有不同管徑的軟管，在設(shè)計(jì)早期需特別關(guān)注軟管管徑變化對軟管滾筒尺寸帶來的影響。

1.6 軟管沖洗

在完成油氣從FPSO至穿梭油船的外輸后需對軟管進(jìn)行沖洗。

陵水17-2半潛式平臺先將生產(chǎn)水通過外輸軟管由FPSO的生產(chǎn)水艙將軟管內(nèi)的凝析油沖洗至穿梭油船，再用高壓氮?dú)鈱⑼廨斳浌軆?nèi)的生產(chǎn)水置換至穿梭油船的生產(chǎn)水艙，從而完成外輸軟管的沖洗作業(yè)。

如果穿梭油船無法接收沖洗軟管的凝析油或生產(chǎn)水，通常的作法是在軟管回收至滾筒上后，連接靠近外輸油船端軟管HEV上的沖洗管線接口與滾筒本體上的沖洗管線接口，滾筒上的沖洗管線接口通過滾筒非輸油端的滑環(huán)連接至FPSO平臺上的沖洗管線接口，即可實(shí)現(xiàn)在本平臺內(nèi)完成軟管的沖洗連接。陵水17-2半潛式平臺靠近外輸油船端軟管尺寸從12英寸增加至20英寸，軟管滾筒尺寸受平臺空間限制按12英寸軟管設(shè)計(jì)，不能滿足20英寸軟管的最小回轉(zhuǎn)半徑要求，增大部分的軟管及HEV不能回收至軟管滾筒上，靠近外輸油船端軟管HEV上的沖洗管線接口將直接連接到FPSO平臺上的沖洗管線接口，而不再通過滾筒上的滑環(huán)。

外懸部分軟管采用鋼絲繩固定在外輸甲板的眼板上。軟管回收到滾筒上后的沖洗管線連接如圖2所示。

圖2 外輸軟管沖洗管線連接

1.7 軟管與平臺相互作用

1.7.1 軟管受力

船形FPSO的外輸滾筒通常設(shè)置在干舷甲板或后升高甲板。半潛式FPSO的干舷一般比船形FPSO的干舷高，對于半潛式FPSO，當(dāng)外輸滾筒設(shè)置在船體上部組塊上時(shí)，外輸甲板與水面的距離較船形FPSO更大，軟管受到的環(huán)境載荷也將更大。以船形FPSO巴西P67為例，其外輸甲板標(biāo)高為37.5 m，船體操作吃水為23.146 m，外輸甲板距離海面的高度為14.354 m。陵水17-2 FPSO為半潛式平臺，軟管滾筒甲板標(biāo)高為70.5 m，船體最低操作吃水為35 m，軟管滾筒距離海面的高度為35.5 m，是巴西FPSO的兩倍多，軟管在外輸作業(yè)受到的環(huán)境荷載也更大。

采取措施如下：在水平漂浮軟管左右兩側(cè)設(shè)置防蕩鏈，將防蕩鏈另一端連接至外輸甲板軟管滾筒兩側(cè)的快速接頭上，通過防蕩鏈的限位作業(yè)抵消軟管受到的環(huán)境力，快速接頭的作用是在軟管應(yīng)急釋放時(shí)防蕩鏈也能夠同時(shí)應(yīng)急釋放。

1.7.2 軟管漂移

在外輸作業(yè)時(shí)軟管在波浪慢漂力的作用下會發(fā)生較大的漂移。船形FPSO外輸甲板舷側(cè)具有連續(xù)的鋼壁結(jié)構(gòu)，軟管漂移與船體的碰撞力將分散至船體側(cè)面的接觸表面。陵水17-2外輸平臺是框架式結(jié)構(gòu)并且突出下部船體，軟管慢漂與組塊的碰撞力將集中在組塊工字梁翼元上，易造成軟管損壞。

將外輸滾筒左側(cè)外移，增大組塊外輸甲板與組塊生產(chǎn)甲板之間的外懸距離，降低外輸軟管與組塊生產(chǎn)甲板發(fā)生碰撞干涉的頻率。分析表明：僅在有義波高為3 m、浪向?yàn)?80°下，軟管與平臺斜撐/平臺大梁分別發(fā)生1次/5次碰撞。

分析結(jié)果如圖3所示。

注：1.135°方向波浪軟管漂移；2.180°方向波浪軟管漂移；3.225°方向波浪軟管漂移圖3 外輸工況軟管漂移運(yùn)動分析結(jié)果

分析結(jié)果表明：在外輸作業(yè)工況下，調(diào)整外輸滾筒的位置可有效避免軟管與FPSO平臺的碰撞干涉；外輸凝析油在重力作用下對軟管的慢漂起到較大的阻尼作用，充置凝析油的軟管較空置軟管的慢漂位移明顯小。

(1)碰撞海況/外輸海況占比<5%；(2)碰撞僅發(fā)生在空管工況，暴露時(shí)間短；(3)未考慮DP的主動控制作用：結(jié)論是碰撞概率小、風(fēng)險(xiǎn)減輕后風(fēng)險(xiǎn)水平可接受。另外，在組塊甲板邊的工字梁翼元設(shè)置橡膠護(hù)舷可減緩軟管與結(jié)構(gòu)大梁的碰撞力。

1.7.3 軟管應(yīng)急釋放

船形FPSO外輸甲板舷側(cè)具有連續(xù)封閉的船體結(jié)構(gòu)，應(yīng)急釋放后的外輸軟管可自由下落或沿著舷側(cè)船體結(jié)構(gòu)滑落，不會造成軟管或船體結(jié)構(gòu)的損壞。陵水17-2半潛式平臺軟管應(yīng)急解脫高度高于傳統(tǒng)FPSO；另外，軟管滾筒布置在框架式組塊上，組塊與船體主甲板間存在1.5 m的間隙，應(yīng)急釋放后的外輸軟管在自由下落過程中存在碰撞船體和軟管彎曲半徑不滿足要求而損壞泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

半潛式平臺外輸及DP外輸油船均作業(yè)經(jīng)驗(yàn)欠缺，參照陵水項(xiàng)目危險(xiǎn)源識別(Hazard Identification, HAZID)分析原理及其嚴(yán)重性等級和發(fā)生概率劃分，外輸軟管破損造成凝析油泄漏量超過10 t，嚴(yán)重性等級應(yīng)歸屬等級4以上，發(fā)生概率歸屬等級3以上，綜合評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級在12以上，屬中高風(fēng)險(xiǎn)。

采取的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施如下：在外輸甲板上設(shè)置恒張力絞車，通過鋼絲繩連接至半潛式平臺側(cè)軟管的HEV本體上，保證在應(yīng)急解脫工況軟管受控下放。當(dāng)軟管應(yīng)急釋放時(shí)，絞車提供的恒張力可使軟管勻速下放，避免軟管對組塊或船體產(chǎn)生的撞擊。

1.8 軟管操作自動化

在外輸作業(yè)時(shí)，設(shè)備的自動化程度高、操作人員的介入少，可提高作業(yè)的可靠性、提高工作效率、減少事故的發(fā)生。與船形FPSO的外輸相比，陵水17-2半潛式平臺在每次外輸作業(yè)需進(jìn)行防蕩鏈摘掛、接外輸油船軟管端HEV摘掛、半潛式甲板沖洗軟管連接，在應(yīng)急釋放后還需對復(fù)位后的軟管與恒張力絞車進(jìn)行連接，這些操作增加了平臺人員的工作量和潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié) 語

陵水17-2項(xiàng)目作為半潛式FPSO采用漂浮軟管進(jìn)行油氣外輸，在設(shè)計(jì)過程遇中到的問題、挑戰(zhàn)和解決方案可為以后類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)參考。

半潛式FPSO的外輸甲板可參照船形FPSO設(shè)置在船體的主甲板或干舷甲板上。如果外輸甲板需要設(shè)置在船體上方的組塊甲板上，應(yīng)盡可能降低外輸甲板的高度，增大外輸甲板的外伸量。此外，在外輸甲板舷側(cè)設(shè)置軟管坡道，構(gòu)造一個(gè)連續(xù)光滑的圓弧形支撐表面，可為外輸軟管提供一個(gè)限位結(jié)構(gòu)保護(hù)，也是解決半潛式平臺設(shè)置外輸軟管問題的一個(gè)辦法。

浮式軟管是外輸作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，費(fèi)用昂貴，在海上油氣開發(fā)早期需給予足夠的重視和充分的考慮。好的外輸方案能降低設(shè)備費(fèi)用、減少人員操作、保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、使平臺順利安全地進(jìn)行生產(chǎn)。