論如何提高FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全性

汪建平 羅曉明 景勇

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津塘沽，郵編：300452）

1 引言

系泊系統(tǒng)應(yīng)用于FPSO至今已經(jīng)有30多年的歷史 （第一條FPSO:1976年，殼牌石油公司的Castellon Delta），在這30多年的時(shí)間里，系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念得到了快速的發(fā)展，系泊的可靠性也在不斷的提高。但期間也發(fā)生了不少失效事故，其中在中國(guó)，自1995年以來(lái)，已經(jīng)陸續(xù)有13條FPSO的系泊系統(tǒng)出現(xiàn)故障，因此加強(qiáng)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的管理，提高設(shè)計(jì)的安全性成為業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注度焦點(diǎn)。

2 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有很多規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（API RP2SK,BV NI493，ISOI9901-7，DNV POSMOOR） 都有明確規(guī)定，總結(jié)起來(lái)分如下幾個(gè)步驟：

1、收集系泊位置的海洋氣象數(shù)據(jù)。

2、調(diào)查收集系泊位置的巖土數(shù)據(jù)。

3、浮體結(jié)構(gòu)模型的建立，定義風(fēng)、浪、流的參數(shù)。

4、使用合適的軟件來(lái)行系泊分析，從而獲取極端響應(yīng)和疲勞壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)。

5、計(jì)算分析及模型試驗(yàn)。

6、根據(jù)已取得的數(shù)據(jù)，對(duì)系泊系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

當(dāng)前在設(shè)計(jì)方面，許多生產(chǎn)方為了增加系泊系統(tǒng)的可靠性，要求設(shè)計(jì)方提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到提高系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全性的目的。

3 提高設(shè)計(jì)拉力安全系數(shù)

按照BV或DNV規(guī)范，系泊系統(tǒng)在完整狀態(tài)下（所有系泊腿都完好）設(shè)計(jì)的拉力安全系數(shù)是1.67（設(shè)計(jì)拉力除以最小破斷拉力）。而在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，很多生產(chǎn)者要求提高該參數(shù)以增加系泊系統(tǒng)的可靠性，但具體提高多少合適呢？目前比較常見(jiàn)的就是提高后系泊系統(tǒng)需要滿足以下要求：

1、在百年一遇的氣候條件下，系泊系統(tǒng)在一根系泊腿失效的情況下，系統(tǒng)的拉力安全系數(shù)與原來(lái)規(guī)范要求的系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)下的安全系數(shù)1.67相等，另外還要滿足柔性立管的位移與系泊系統(tǒng)在原來(lái)完整狀態(tài)下的位移一致。

2、系泊系統(tǒng)在兩根系泊腿失效的情況下，拉力安全系數(shù)與原來(lái)規(guī)范要求的一根系泊腿失效情況下的拉力安全系數(shù)1.25相等，并且柔性立管的位移要與原來(lái)在一根系泊腿失效狀態(tài)下Accidental Limit State（ALS）的位移一致。

如果要滿足以上要求進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最直接的結(jié)果就是需要增加系統(tǒng)腿的數(shù)量，如將原來(lái)是3X3分布模式的系泊系統(tǒng)，變成3X4的分布模式。這樣做的考慮是，系泊腿的維修和更換，往往需要一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間（1-2年，包括配件的采購(gòu)），如果按照提高后的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)，即使發(fā)生了一根系泊腿失效，拉力安全系數(shù)還是在原船級(jí)社規(guī)范要求范圍內(nèi)，從而使系泊系統(tǒng)在徹底完成修復(fù)以前，能夠繼續(xù)滿足船級(jí)社規(guī)范的最低要求。

4 提高設(shè)計(jì)環(huán)境條件

傳統(tǒng)上，以往大部分生產(chǎn)方以系泊地點(diǎn)百年一遇的環(huán)境條件作為設(shè)計(jì)環(huán)境條件。但實(shí)際上，隨著全球氣候變暖的影響下，越來(lái)越多出現(xiàn)的極端天氣在短時(shí)間內(nèi)就超越了原來(lái)意義上的百年一遇。在此情況下，也有許多生產(chǎn)方在新的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮并應(yīng)用了萬(wàn)年一遇的環(huán)境氣候條件為設(shè)計(jì)條件。

以上介紹的兩種提高系泊系統(tǒng)可靠性的做法，雖然效果很明顯，但是也有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是將大大提高生產(chǎn)方對(duì)系泊系統(tǒng)的投資成本。經(jīng)過(guò)有關(guān)權(quán)威設(shè)計(jì)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，提高拉力安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后的直接投資（不包括運(yùn)輸和安裝成本）將比按照原來(lái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的投資增加30%-60%，而提高氣候標(biāo)準(zhǔn)到萬(wàn)年一遇的直接投資將會(huì)比原來(lái)百年一遇的投資增加20%-50%。為了更加直觀的說(shuō)明投資增加這一現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)舉例如下：

1、提高安全系數(shù)滿足一根系泊腿失效后，安全系數(shù)是1.67的情況。FPSO位于東南亞，水深130米，單點(diǎn)系泊。

表1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2、提高百年一遇的氣候條件到萬(wàn)年一遇，F(xiàn)PSO位于大洋洲，水深170米，單點(diǎn)系泊。

表2 不同環(huán)境條件下的設(shè)計(jì)對(duì)比

5 系泊組件設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，越來(lái)越多的混合式的系泊腿被廣泛應(yīng)用，它一般由系泊鋼纜、系泊鏈、連接件等組成。

5.1 連接件的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)合適的連接件將大大提高施工的效率，減少安裝難度及費(fèi)用。具體步驟如下：

1、連接方式的確定。

2、用3D CAD工具建立模型，檢查各個(gè)需要連接的界面，總的原則就是要便于以后的安裝及可靠。

3、強(qiáng)度及疲勞的計(jì)算和分析，數(shù)據(jù)需要備有證明文件。

4、按照規(guī)范要求，對(duì)連接件的結(jié)構(gòu)加上腐蝕余量進(jìn)行有限元（FEA）分析，通過(guò)有限元分析獲得的應(yīng)力范圍柱狀圖以及相應(yīng)的應(yīng)力載荷比并結(jié)合材料的S-N曲線，最后計(jì)算出材料的具體疲勞壽命。

只有經(jīng)過(guò)前期大量的計(jì)算、分析和試驗(yàn)，設(shè)計(jì)圖紙才能最終被完成并需要通過(guò)船級(jí)社的批準(zhǔn)。

5.2 系泊鏈的設(shè)計(jì)

系泊鏈在正常生產(chǎn)時(shí)，主要受到疲勞、腐蝕及磨損的衰減作用。

1、疲勞方面的影響，主要表現(xiàn)為在拉力及系泊鏈的彎曲應(yīng)力作用下導(dǎo)致系泊鏈的疲勞失效。惡劣的環(huán)境條件，如長(zhǎng)期浸泡在海水中，能加速疲勞裂紋的產(chǎn)生與惡化，尤其長(zhǎng)期被拉力載荷的作用下。所以，選擇合適的疲勞安全系數(shù)對(duì)系泊系統(tǒng)的可靠性起著極其重要的作用，具體的安全系數(shù)，各船級(jí)社都有最低要求，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的積累，也在不停的進(jìn)行著更新。

2、腐蝕與磨損方面的影響，主要表現(xiàn)為系泊鏈直徑的減小，所以，規(guī)范要求通過(guò)增加系泊鏈的直徑來(lái)防止腐蝕與磨損帶來(lái)的失效。而具體腐蝕余量的取得是需要通過(guò)對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才能取得，因?yàn)楦g速率受到水質(zhì)、溫度、地質(zhì)情況、細(xì)菌等復(fù)雜情況的影響。在設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)正確腐蝕余量的選擇很重要，如果選小了，將會(huì)給系泊系統(tǒng)帶來(lái)很多潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 系泊鋼纜的設(shè)計(jì)

鋼纜可以分為鋼絲繩型、防扭型和防腐蝕型三種。具體性能如下：

1、鋼絲繩型主要由許多鋼絲形成許多股，然后朝著同一個(gè)方向圍繞著鋼芯旋轉(zhuǎn)藏繞成繩，一般的股及每股鋼絲的數(shù)量主要有 6（36）、6（42）、6（54）幾種，芯及股的設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)強(qiáng)度及彎曲疲勞壽命決定，這種類型的鋼纜在拉力增加的情況下扭力也增加。

2、防扭型，它的特點(diǎn)是隨著拉力的增加，扭力不變，比較適合用于永久性系泊系統(tǒng)。

3、防腐蝕型，特點(diǎn)是所有的鋼絲繩必須鍍鋅（鍍鋅的量參考ISO 2232,ASTM A856-89，等），有的還直接將鋅絲藏繞進(jìn)股。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在還發(fā)展成帶有塑料保護(hù)皮的纜繩，這種的防腐蝕能力更強(qiáng)了，適用于永久性系泊系統(tǒng)。

具體選擇哪種類型的系泊鋼纜，我們首先需要明確系泊系統(tǒng)計(jì)劃使用年限以決定防腐方式 （如圖1），設(shè)計(jì)得出的最小破斷力用以確定系泊纜的直徑。

圖1 系泊鋼纜的選擇

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了FPSO系泊系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)步驟，并從提高設(shè)計(jì)拉力安全系數(shù)、提高設(shè)計(jì)環(huán)境條件及加強(qiáng)系泊系統(tǒng)組件的安全設(shè)計(jì)等方面闡述了如何提高系泊系統(tǒng)安全性進(jìn)行了論述，期望對(duì)業(yè)界同仁有所幫助。

[1]Credric Morandini，F(xiàn)rank Legerstee(2009).“Consistent Integrity of Mooring System”，In Proc.Int Offshore and Polar Eng Conf.Osaka，Japan，June21-26，2009.

[2]DNV Industry AS （2003）.“Accident statistics for floating offshore units on the UK Continental Shelf 1980-2001”，for the HSE，Research Report095.