單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

紀(jì)志遠(yuǎn),董寶輝,劉波

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院，天津 300451）

引言

海洋為我們提供了寶貴的自然資源，如原油和天然氣等。近年來，隨著越來越多的大型、超大型油氣田及深海領(lǐng)域的勘探、發(fā)現(xiàn)，海上浮式結(jié)構(gòu)物應(yīng)用變得越來越廣泛。在過去的幾十年里浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)、半潛式平臺(tái)(Semi-Platform)、單腿平臺(tái)（SPA）和張力腿平臺(tái)（TLP）等浮式設(shè)施項(xiàng)目的應(yīng)用、建造，在世界范圍內(nèi)變得越來越多。單點(diǎn)系泊由于具有水深適應(yīng)范圍大，可系泊大型、超大型FPSO或油輪、抵抗海洋環(huán)境強(qiáng)等特點(diǎn)，因此被大量應(yīng)用。

圖1 FPSO現(xiàn)場(chǎng)圖（內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)）

1 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)概述

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在FPSO上的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，而FPSO也在隨后的數(shù)十年內(nèi)蓬勃發(fā)展。到2018年，全世界大約有150艘FPSO，范圍覆蓋北海、西非近海、巴西近海、南中國(guó)海、泰國(guó)灣等，他們大多使用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行系泊與定位。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，可以隨著風(fēng)向360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)，有效降低了風(fēng)載、波浪和海流對(duì)其的影響，同時(shí)有效降低了系泊纜的尺寸范圍，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)使得FPSO有了更強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境條件的能力。然而，截至目前在技術(shù)上設(shè)計(jì)一座單點(diǎn)系泊系統(tǒng)仍具有較大挑戰(zhàn)、需要多專業(yè)、深層次的詳細(xì)規(guī)劃設(shè)計(jì)，且每一座造價(jià)均很昂貴。目前，單點(diǎn)系泊技術(shù)仍為歐美幾家單點(diǎn)公司所壟斷。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)非常適合原油接卸，F(xiàn)PSO可以圍繞單點(diǎn)系泊自由旋轉(zhuǎn)，卸載作業(yè)方便、安全、高效、可靠。總的來說，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)具有以下兩個(gè)功能：

1、輔助FPSO保持在位狀態(tài)，使FPSO通過系泊系統(tǒng)，借助系泊力，始終在海上油田作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)且保持在允許偏移范圍內(nèi)。

2、輸送介質(zhì)與動(dòng)力，通過電、液滑環(huán)將介質(zhì)從海底傳輸?shù)紽PSO或從FPSO返輸?shù)较嚓P(guān)用戶。

2 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)分類

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)有著不同的類型，基于不同的工作性質(zhì)及單點(diǎn)所處位置，可以將單點(diǎn)分為三類，內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(IT)、外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(ET)及其他，其他類型可以包括：懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊(CALM)、塔架式單點(diǎn)系泊（SYS）、單錨腿式系泊系統(tǒng)（SALM）等。

也可按其解脫型式分為可解脫式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)及不可解脫式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

3 常用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

3.1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)可為FPSO提供系泊支持，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是當(dāng)前世界范圍內(nèi)，應(yīng)用最多、也最常見的一種系泊型式，它可以容納大量立管及臍帶電纜。內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)單點(diǎn)通常設(shè)置在FPSO船頭，位于FPSO船體的月池內(nèi)，系泊纜通過錨鏈盤連接在轉(zhuǎn)塔底部。內(nèi)轉(zhuǎn)塔可以為單軸承亦或雙軸承支撐。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)如圖2-圖4所示，其中主要包括：

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系統(tǒng)介紹

圖4 外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

1、轉(zhuǎn)臺(tái)及軸承。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔下部連接系泊纜，上部位于月池內(nèi)，連接到FPSO船體內(nèi)部，F(xiàn)PSO船體甲板處連接著主軸承，船體內(nèi)部還連接著下軸承，使FPSO能夠在風(fēng)浪流環(huán)境作用下自由旋轉(zhuǎn)，根據(jù)立管和臍帶纜系統(tǒng)的要求，轉(zhuǎn)臺(tái)直徑通常在5到20米范圍之間。

2、止鏈器。

止鏈器連接著系泊纜繩，固定于轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)底部的轉(zhuǎn)塔基盤上。

3、滑環(huán)塔系統(tǒng)。

滑環(huán)塔系統(tǒng)是整個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)塔的核心部件，位于轉(zhuǎn)塔的上部。它控制原油、液體及氣體傳輸，控制海底信號(hào)、油井、水下系統(tǒng)用電等都通過滑環(huán)系統(tǒng)傳輸。

4、龍門式結(jié)構(gòu)。

位于FPSO甲板上的結(jié)構(gòu)物平臺(tái)，環(huán)繞轉(zhuǎn)臺(tái)頂部以容納滑環(huán)塔等驅(qū)動(dòng)裝置、管道、系泊纜絞車、動(dòng)力控制設(shè)施等。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是其直徑尺寸可以比外轉(zhuǎn)塔更大，通常立管的上限為100根。

3.2 外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)

外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)和內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)類似，但區(qū)別在于其不在FPSO船體內(nèi)部，見圖4，為典型外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)型式。目前我國(guó)海域暫無外轉(zhuǎn)塔型式單點(diǎn)系泊型式。

根據(jù)外轉(zhuǎn)塔不同的在位型式，外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)可進(jìn)一步分為兩種類型：外延轉(zhuǎn)臺(tái)以及水下轉(zhuǎn)臺(tái)兩種型式。

圖5 水下外轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)臺(tái)系泊系統(tǒng)

外延轉(zhuǎn)臺(tái)系泊系統(tǒng)是常見的外轉(zhuǎn)塔類型，它直接連接到FPSO船艏或船艉的懸出結(jié)構(gòu)上，位于在水線上方。為了防止系泊纜相互碰撞,懸出結(jié)構(gòu)應(yīng)足夠長(zhǎng)，或者采用切除部分FPSO船頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式。

外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)軸承、止鏈器和撓性立管接頭均位于水面上方，以方便操作、檢查和維護(hù)。但若延伸結(jié)構(gòu)太長(zhǎng)，柔性立管將增加受極端波浪影響。

由于外轉(zhuǎn)塔位于水線上方，通常應(yīng)用于50米以下的淺水區(qū)域。外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)體積相對(duì)較小，僅能容納有限數(shù)量的立管（大約20根），而內(nèi)部轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)可容納約100根。

外轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)比內(nèi)部轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，主要包括：

1、它允許獨(dú)立制造和安裝，而內(nèi)部轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)只能安裝在干船塢。

2、不影響船體的儲(chǔ)存能力。

3、對(duì)于延伸出的外部轉(zhuǎn)臺(tái)，系泊和立管連接位置均在水線上，便于檢查和維護(hù)。

4 其他類型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

除了內(nèi)轉(zhuǎn)塔與外轉(zhuǎn)塔外，隨著海洋技術(shù)的發(fā)展以及原油貿(mào)易的增長(zhǎng)，逐漸衍生出新型單點(diǎn)型式，例如塔架式單點(diǎn)、CALM型單點(diǎn)等。

4.1 塔架式單點(diǎn)

塔架式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，也稱為水上軟鋼臂塔架式單點(diǎn)系泊，下部是固定在海床上的剛性導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，油輪與導(dǎo)管架之間通過一組永久性連接的鋼臂結(jié)構(gòu)連接。塔架式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)適用于開發(fā)深度在50 m以下水深深度油田，由于水深的限制，此種系泊系統(tǒng)不能使用柔性立管（柔性立管需要保持一定的預(yù)定義形狀，以避免應(yīng)力過大）。

塔架式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要包括以下組成部分：

1、塔架。

塔架是連接到海底的固定式導(dǎo)管架，其上部是與船體相連接的多層轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)與導(dǎo)管架通過軸承連接，轉(zhuǎn)臺(tái)能夠旋轉(zhuǎn)，從而使系泊的設(shè)備如FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船）可自由旋轉(zhuǎn)，在風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)下旋轉(zhuǎn)至環(huán)境力最小方向。

2、系泊部件，即軟鋼臂。

連接塔架上的軸承和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船船艏或船尾的連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

3、生產(chǎn)傳輸系統(tǒng)。

與其他轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)相同，包括原油系統(tǒng)、注水和注氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、海管供電系統(tǒng)等，都通過滑環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。

塔架式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以容納多根固定式鋼性立管（非撓性立管），其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、系統(tǒng)也易安裝。缺點(diǎn)是系統(tǒng)的成本會(huì)隨著水深的增加而增加，所以從成本的角度看，塔架式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)僅適宜于淺水區(qū)域。

圖6 塔架式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

4.2 CALM單點(diǎn)

隨著原油貿(mào)易的增長(zhǎng)，石油產(chǎn)品被運(yùn)往世界各地。對(duì)于沒有深水港的沿海地區(qū)，懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊（CALM）系統(tǒng)的應(yīng)用為其提供了新的可能，如圖7所示，CALM系統(tǒng)通常用于裝載和卸載原油產(chǎn)品。CALM系統(tǒng)可用于接收任何尺寸的油輪，包括大型原油運(yùn)輸船。

圖7 CALM型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

其主要組成部分包括：

1、系泊纜繩。

油輪暫時(shí)在裝卸作業(yè)期間通過纜繩系泊至平靜狀態(tài)。纜繩通常為尼龍繩和鏈條。

2、轉(zhuǎn)臺(tái)和浮筒。

使系泊油輪能夠在風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)下，在各種風(fēng)浪條件進(jìn)行裝卸作業(yè)。但如果海浪太大，就必須斷開連接。

3、漂浮軟管。

連接油輪和單點(diǎn)之間的管道，可以是單根或雙根。根據(jù)OCIMF(國(guó)際海洋石油軟管公約)尺寸范圍覆蓋從6英寸到24英寸（內(nèi)徑）。

4、水下軟管（立管）。

從水下管匯(PLEM)連接到單點(diǎn)管道系統(tǒng)。軟管設(shè)計(jì)應(yīng)包括充足的長(zhǎng)度以適應(yīng)潮差及浮筒運(yùn)動(dòng)，水下管匯通過海底管道連接至陸上終端輸送原油或氣體。

5、錨腿系泊系統(tǒng)。

可認(rèn)為是永久性的系泊系統(tǒng)，即使穿梭油輪每隔幾天就來接卸原油，都不能被收回或重新部署新的形狀，該系統(tǒng)由系泊錨鏈和高阻力樁錨組成。

CALM系統(tǒng)常用于靠近海岸，水深較淺，環(huán)境條件惡劣。工作水深可以為20-100m，從2000年左右開始，CALM單點(diǎn)系泊系統(tǒng)已擴(kuò)展到延海岸線1000m處，在西非海岸作為獨(dú)立的卸載系統(tǒng)，系泊浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船。

CALM系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)固定終端的優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：

1、不需要建立深水港及提供裝卸作業(yè)的碼頭設(shè)施即可實(shí)施原油裝卸載作業(yè)。

2、該系統(tǒng)可以適應(yīng)不同尺寸的油罐船，作業(yè)時(shí)所需人力較少，CALM本身對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3、該系統(tǒng)成本較低，因?yàn)榭梢园惭b在開闊的海域不需要做出額外保護(hù)。

4、可以同時(shí)輸送多種油氣產(chǎn)品。

5、該系統(tǒng)易于安裝和操作，只有一艘小船即可進(jìn)行裝載作業(yè)。

5 總結(jié)

本文對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)類型進(jìn)行了分類，重點(diǎn)介紹了目前國(guó)際及國(guó)內(nèi)常用的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)、外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)、塔架式單點(diǎn)、CALM單點(diǎn)四種類型，并結(jié)合其各自特點(diǎn)分析了其優(yōu)劣特性，為后續(xù)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了一定基礎(chǔ)。