永久系泊FPSO在極端天氣下的防損策略

楊軼

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

FPSO由于其海域適 應(yīng)性強(qiáng)、可解脫、可重復(fù)利用、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于海洋石油開發(fā)生產(chǎn),極端天氣的出現(xiàn)會(huì)對(duì)永久系泊FPSO產(chǎn)生重大影響，甚至重大威脅。為此，針對(duì)極端天氣會(huì)導(dǎo)致FPSO及系泊系統(tǒng)損壞、生產(chǎn)中斷并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的問題，分析應(yīng)對(duì)措施，提高FPSO在極端天氣下的防損能力。

1 FPSO設(shè)計(jì)環(huán)境條件

FPSO通過單點(diǎn)系泊系統(tǒng)固定在海上，可隨風(fēng)浪流的作用進(jìn)行360°的自由旋轉(zhuǎn)，同常規(guī)船舶相比，F(xiàn)PSO對(duì)環(huán)境有更大的依賴性，作為FPSO設(shè)計(jì)的先決條件，對(duì)目標(biāo)海域的環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)查和分析是十分必要的。FPSO設(shè)計(jì)所關(guān)注的環(huán)境條件主要是風(fēng)、浪、流。南海海域和渤海海域分別采用100年一遇和50年一遇環(huán)境條件設(shè)計(jì)，部分FPSO設(shè)計(jì)環(huán)境條件見表1。

表1 渤海、南海FPSO設(shè)計(jì)環(huán)境

2 極端天氣對(duì)FPSO的影響

極端天氣是指天氣的狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均態(tài)，在統(tǒng)計(jì)意義上屬于不易發(fā)生的小概率事件，但隨著全球氣候變暖，而且是這么快速的、迅速的變暖，顯然打破了過去的氣候格局。大氣環(huán)境的改變會(huì)影響到氣候狀況相應(yīng)的變化，歷史上百年一遇的小概率事件可能發(fā)展成為幾十年、甚至幾年一遇的常態(tài)事件。

極端天氣對(duì)FPSO存在以下影響，當(dāng)FPSO系泊在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上時(shí)，如果波浪是規(guī)則的，則除了產(chǎn)生與波浪頻率一致的搖蕩運(yùn)動(dòng)外，還伴有浮體平均位置的偏移；如果波浪是不規(guī)則的，則伴有長周期的漂移運(yùn)動(dòng)，這一運(yùn)動(dòng)的頻率遠(yuǎn)較不規(guī)則波的特征頻率為低，而且振蕩運(yùn)動(dòng)的平均位置也將不在浮體原先的平衡位置上，產(chǎn)生了漂移。當(dāng)不同方向風(fēng)浪流共同作用時(shí)，F(xiàn)PSO船體長期受到風(fēng)浪流載荷影響，反復(fù)產(chǎn)生浮、沉、蕩、傾、搖運(yùn)動(dòng)，在不斷運(yùn)動(dòng)中找尋平衡位置，系泊系統(tǒng)和船體承載很大的橫向力、縱向力和回轉(zhuǎn)力矩，極易造成FPSO及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)疲勞損傷。若超過安全載荷，F(xiàn)PSO可能拽離系泊系統(tǒng)，造成FPSO失控漂移或單點(diǎn)系泊系統(tǒng)損毀，失控漂移的FPSO承載風(fēng)浪流載荷的能力大大降低，在失控漂移過程中可能撞毀其他設(shè)施，如過往船只、井口平臺(tái)等，導(dǎo)致溢油、船舶碰撞、火災(zāi)爆炸、人員傷亡等次生事故。近年來，發(fā)生的幾起事故雖未造成人員傷亡，但直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失都很大。1995年“渤海明珠號(hào)”單點(diǎn)YOKE壓載艙尖頂戳破艏尖艙；1997年“渤海明珠號(hào)”單點(diǎn)YOKE橫撐梁斷裂；2000年“渤海友誼號(hào)”單點(diǎn)主軸承破裂；2005年“南海奮進(jìn)”單點(diǎn)液壓緊固裝置損壞4個(gè)、單點(diǎn)艙進(jìn)水；2006年，“南海勝利”錨纜斷7根，未斷裂的3條錨系受損嚴(yán)重，被迫停產(chǎn)塢修；2009年“南海發(fā)現(xiàn)”錨纜被拉斷4根，3個(gè)海底基盤分別遭到移位或變形破壞；2009年，“海洋石油113”水下軟剛臂系泊塔倒塌；2011年，“渤海長青號(hào)”軟剛臂系泊單點(diǎn)損壞，被迫停產(chǎn)解脫。

3 防損策略

3.1 實(shí)施持續(xù)性檢驗(yàn)計(jì)劃，提高結(jié)構(gòu)可靠性

每5年1個(gè)周期，對(duì)FPSO分別實(shí)施年度檢驗(yàn)、中間檢驗(yàn)、換證檢驗(yàn)和必要的附加檢驗(yàn)。船東或油田作業(yè)者應(yīng)根據(jù)檢驗(yàn)合同、入級(jí)檢驗(yàn)規(guī)范，結(jié)合生產(chǎn)和設(shè)備實(shí)際，與驗(yàn)船師協(xié)商制定檢驗(yàn)周期的持續(xù)性檢驗(yàn)計(jì)劃，嚴(yán)格按計(jì)劃檢查、維護(hù)、檢驗(yàn)關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)。臺(tái)風(fēng)季節(jié)前后，增加水下檢驗(yàn)頻次，對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的錨鏈、船體水下結(jié)構(gòu)等進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種潛在損害，對(duì)受損部分進(jìn)行技術(shù)分析，查找損壞原因并予以修復(fù)和更換，提高結(jié)構(gòu)的可靠性。如果超過FPSO設(shè)計(jì)壽命還需繼續(xù)使用，應(yīng)委托權(quán)威機(jī)構(gòu)按最新環(huán)境載荷進(jìn)行延壽評(píng)估，對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的更換或加強(qiáng)，或者將FPSO降級(jí)使用。

3.2 優(yōu)化配載，降低系泊力

由于FPSO及系泊系統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)基于風(fēng)、浪、流、配載等最不利條件組合，所以，通過優(yōu)化配載，減少靜水彎矩可提高波浪彎矩余量，使FPSO承受更大的環(huán)境載荷。以南海某FPSO為例，通過建立水動(dòng)力模型，利用NAPA和Ariane軟件，以所在海域百年一遇環(huán)境條件(見表2，采用JONSWAP波譜)為依據(jù)，計(jì)算FPSO在不同環(huán)境條件和不同裝載工況的最大系泊力(見圖1)和浮筒系固錨鏈承受的最大張力(見表3)。對(duì)于永久系泊FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在極限環(huán)境荷載作用下的安全特性、系泊力監(jiān)測(cè)和分析，主流方法主要通過數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

表2 南海某FPSO所在海域百年一遇環(huán)境條件

表3 不同海況和不同裝載工況下錨鏈線所承受的最大張力分布 kN

圖1 不同海況和不同裝載工況下FPSO系泊力分布

系泊系統(tǒng)中系泊張力受FPSO船體位移影響較大，而船體位移又與吃水深度有關(guān)。吃水過深會(huì)加大船體受到的波浪力及海流力，此情況不利于船舶運(yùn)動(dòng)；吃水過淺會(huì)造成船體的受風(fēng)面積過大，船體運(yùn)動(dòng)隨之增加。在相同環(huán)境條件下，不同裝載工況導(dǎo)致FPSO承受的系泊力差異較大，海況B1最為明顯，不同裝載工況導(dǎo)致FPSO系泊力差異高達(dá)64.8%；最安全的狀態(tài)(錨鏈張力最小)處于空載和滿載之間的某個(gè)裝載工況(lC7或lC9)下。在FPSO儲(chǔ)油量及環(huán)境條件一定的情況下，通過優(yōu)化配載，將貨油合理分配到不同的貨油艙并調(diào)整邊艙壓載水，可有效減小系泊力，lC9/lC7或相近裝載工況系泊力較小。系泊系統(tǒng)錨鏈最大張力發(fā)生在海況B1、滿載(lC1)工況下，除A1海況外，其余海況滿載工況下系泊力都很大。所以，極端天氣下應(yīng)盡量避免滿載，保證FPSO彎矩和剪力在安全值范圍內(nèi)。

3.3 提前做好設(shè)施設(shè)備的預(yù)緊加固

對(duì)永久系泊FPSO，臺(tái)風(fēng)季節(jié)前后要對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的鋼絲、浮筒、卸扣、掛耳等進(jìn)行重點(diǎn)檢查，調(diào)整檢驗(yàn)、檢測(cè)周期，撤臺(tái)前，重點(diǎn)檢查/關(guān)閉水密門、窗、通風(fēng)口，關(guān)閉甲板上所有因修理而打開的艙口和通風(fēng)孔以及水密門，維持水密完整性；拆除甲板上的腳手架、作業(yè)工棚及其他臨時(shí)搭設(shè)的建構(gòu)筑物，減少受風(fēng)面積，用鋼絲繩綁扎固定好甲板上可移動(dòng)的甲板料箱等移動(dòng)物體，減少?zèng)_擊載荷對(duì)船體的不良影響。

3.4 提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

自2000年以來，在我國登陸的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)就有18個(gè)。2014年“威馬遜”、2016年“莫蘭蒂”中心風(fēng)力超過17級(jí),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)役FPSO設(shè)計(jì)環(huán)境條件(極限抗風(fēng)能力62.2 m/s)，突破了百年一遇重現(xiàn)期。為提高FPSO自存能力，以下3方面值得深入探討：①提高FPSO設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)，以最新實(shí)測(cè)風(fēng)浪數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，或?qū)⒅噩F(xiàn)期從百年一遇提高到五百年一遇甚至千年一遇，可大大提高FPSO自存能力。如SBM公司為一超大型LNG船設(shè)計(jì)永久系泊轉(zhuǎn)塔可抵御澳大利亞海域萬年一遇環(huán)境條件；②與廠家討論FPSO安全解脫的環(huán)境條件，對(duì)現(xiàn)有系泊系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)快速解脫功能，在遭遇臺(tái)風(fēng)前，快速解脫后拖航避臺(tái)。但此舉需要功率拖船的協(xié)助配合，拖船動(dòng)員、拖航方案審查等準(zhǔn)備工作，會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間；③新/改建FPSO按航行船舶設(shè)計(jì)、建造，帶動(dòng)力并安裝船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，遇臺(tái)風(fēng)快速解脫后自航主動(dòng)避臺(tái)，臺(tái)風(fēng)后迅速返航、回接復(fù)產(chǎn)，但目前FPSO是按海上固定設(shè)施管理，如果按船舶管理，涉及相關(guān)的法規(guī)，較為復(fù)雜。

3.5 加強(qiáng)日常管理

FPSO應(yīng)對(duì)極端天氣要堅(jiān)持“十防九空也要防”的原則，安排專業(yè)人員提前評(píng)估不同設(shè)施，尤其是老舊設(shè)施的防抗臺(tái)狀態(tài)和局限性，做好針對(duì)性的防臺(tái)應(yīng)急部署。對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和設(shè)備進(jìn)行摸底，重點(diǎn)評(píng)估單殼單底、老舊FPSO的防臺(tái)能力和局限性，提前對(duì)潛在的避臺(tái)錨地、避風(fēng)港，拖航航道水深、靠泊碼頭前沿水深，碼頭系泊纜、系纜樁設(shè)計(jì)抗風(fēng)能力等進(jìn)行深入調(diào)研，以應(yīng)對(duì)FPSO解脫后撤離避臺(tái)的可能性。針對(duì)各種應(yīng)急事件，經(jīng)常性開展演習(xí)演練，提高應(yīng)急響應(yīng)速度、縮短應(yīng)急撤臺(tái)和復(fù)產(chǎn)時(shí)間。 持續(xù)優(yōu)化防臺(tái)決策閉環(huán)管理，以從臺(tái)風(fēng)生成預(yù)報(bào)至復(fù)臺(tái)完畢的全過程為主線，將整個(gè)防臺(tái)/撤臺(tái)工作全過程劃分臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)、預(yù)警跟蹤確認(rèn)、撤臺(tái)部署決策、撤臺(tái)應(yīng)急等7個(gè)階段，特別是針對(duì)1 500、1 000、500 km 3個(gè)警戒圈，按階段進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)、資源落實(shí)、趨勢(shì)預(yù)判、方案擬定、響應(yīng)執(zhí)行。臺(tái)風(fēng)季節(jié)前，召開防臺(tái)工作會(huì)議對(duì)防臺(tái)工作進(jìn)行部署，檢查應(yīng)急物資準(zhǔn)備情況，如FPSO上長期配備的應(yīng)急拖帶設(shè)備是否檢驗(yàn)合格并隨時(shí)可用，檢查人員是否熟悉撤臺(tái)預(yù)案等，了解可用船舶、直升機(jī)等應(yīng)急資源的救援能力，如直升機(jī)載客總?cè)藬?shù)、起降條件限制、機(jī)組成員總值勤時(shí)間限制，拖輪馬力等；臺(tái)風(fēng)臨近前，多渠道監(jiān)測(cè)災(zāi)害天氣的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)，跟蹤FPSO生產(chǎn)儲(chǔ)油狀態(tài)、人員動(dòng)態(tài)等，按應(yīng)急部署做好生產(chǎn)關(guān)斷和人員撤離工作。

3.6 應(yīng)急信息集成管理，提升應(yīng)急處置能力

FPSO存儲(chǔ)大量油(氣)、人員相對(duì)集中且遠(yuǎn)離陸地，使搶險(xiǎn)和救援的難度很大。一旦發(fā)生應(yīng)急事件，時(shí)效性很重要，正確有效的應(yīng)急指令能否及時(shí)下達(dá)，在很大程度上依賴于陸地應(yīng)急指揮中心各個(gè)應(yīng)急職能組提供給應(yīng)急指揮長的信息和數(shù)據(jù)支持。通常情況下，F(xiàn)PSO應(yīng)急需要獲取氣象信息(臺(tái)風(fēng)路徑演示等)，F(xiàn)PSO生產(chǎn)儲(chǔ)油、人員動(dòng)態(tài)，F(xiàn)PSO周邊可用應(yīng)急資源，F(xiàn)PSO技術(shù)資料(設(shè)計(jì)圖紙等)，F(xiàn)PSO附近航道、過路船舶動(dòng)態(tài)及航跡，海事局等政府主管部門聯(lián)絡(luò)信息等，待處理的信息量非常龐大。將所需信息集成化，搭建應(yīng)急管理信息平臺(tái)(系統(tǒng))，可為應(yīng)急決策提供輔助支持，包括但不限于將收集整理后的應(yīng)急基礎(chǔ)信息資料電子化錄入，在FPSO上安裝AIS終端、將船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)集成，分類建立FPSO圖紙資料便于快速查取，在FPSO上建自動(dòng)氣象站、實(shí)現(xiàn)氣象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入，在FPSO和系泊系統(tǒng)安裝監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)(包括FPSO姿態(tài)方位導(dǎo)航儀、系泊系統(tǒng)錨鏈傾角儀等)，實(shí)時(shí)提供現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)、船體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、系泊系統(tǒng)受力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，上述信息數(shù)據(jù)集成到一個(gè)平臺(tái)-應(yīng)急管理信息系統(tǒng)后，經(jīng)自動(dòng)檢測(cè)并匹配有關(guān)數(shù)據(jù)信息，全面提升作業(yè)公司應(yīng)急處置能力。