FPSO單點系泊監測系統設計

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300457)

在海上油氣生產開發中，FPSO定位于某一固定的海域，進行長期的海上油氣生產作業。FPSO不同于常規運輸船舶的拋錨定位，它需要抵抗極限條件的環境荷載，在固定海域系泊時間從10幾年到20幾年不等，同時還需要與周邊平臺之間傳輸井流、電力和通信，保證一定海況下的連續安全生產。根據不同海域/海況條件，FPSO常用的系泊形式主要包括：單點系泊系統(single point mooring system)、多點伸展系泊系統(spread mooring system)和動力定位系統(dynamic positioning)，其中以單點系泊系統的應用最為普遍[1]。

單點系泊系統自20世紀40年代由美國海軍開發以來，已經發展成為一種廣泛使用的海上系泊油船和FPSO的定位方式，對海上油田的開發起著極為重要的作用。美國船級社(ABS)將單點系泊系統分為四大類：懸鏈浮筒式單點系泊系統(catenary anchor leg mooring System，CALM)、單錨腿式單點系泊系統(single anchor leg mooring，SALM)、塔架軟鋼臂式單點系泊系統(tower soft yoke mooring)(見圖1)和轉塔式單點系泊系統(turret mooring)[2](見圖2)。

圖1 塔架軟鋼臂式單點系泊系統

圖2 轉塔式單點系泊系統

1 我國單點系泊系統應用現狀

1.1 渤海FPSO單點系泊應用現狀

渤海海域海洋環境相對溫和，作業平均水深為18 m，最大水深為70 m。由于水深的限制不宜采用懸鏈式系泊系統，目前渤海FPSO均采用軟鋼臂式單點系泊系統。另外渤海海域緯度較高，重冰年份90%以上海域被海冰覆蓋，因此單點系泊系統設計時需考慮可解脫性能。

我國渤海使用的軟鋼臂式單點系泊系統有兩種基本形式：水上軟鋼臂和水下軟鋼臂，其主要區別在于軟鋼臂和配重相對于水面的位置。水上軟鋼臂單點系泊系統軟鋼臂及系泊腿鉸接點均在水面以上，不僅滿足常規情況下的使用，而且便于日常維護和檢修。水下軟鋼臂單點系泊系統采用錨鏈將FPSO與水下的軟鋼臂相連，系泊臂鉸接點位于系泊腿底部，可降低單點系泊腿的彎矩，并節省鋼材用量。從渤海軟鋼臂式單點系泊系統應用情況來看，該系統技術成熟，適用于淺水FPSO系泊作業，滿足抗冰和可解脫設計要求。

1.2 南海FPSO單點系泊系統應用現狀

南海已開發油田作業水深一般在90～330 m，環境條件惡劣，并且屬于臺風多發區域。目前南海FPSO均采用內轉塔式單點系泊系統，系統可靠性高、抗風浪能力強，可設多通道旋轉接頭，便于維護保養。根據不同設計需求，系泊系統還設計為可解脫式和不可解脫式兩種。

2 單點系泊監測系統設計

2.1 單點監測系統設計背景

單點系泊系統經過幾十年的不斷發展，技術趨于成熟、可靠。但隨著系統服役時間的推移，單點系統/部件的退化不可避免，單點故障、事故時有發生。另外作業水深的增加和更加惡劣的環境條件，都對單點系泊技術提出了新的挑戰。一項針對北海FPSO的統計資料顯示，平均每5.4年就有一艘FPSO系泊系統失效，在很多事故中都出現了系統性的損壞，而且長期的故障率仍不確定[3]。我國渤海、南海也都發生過單點系泊系統故障。

案例一。“南海勝利號”FPSO單點系泊系統損壞事故。“南海勝利號”是世界上第一艘舊油船改造的臺風不解脫式FPSO，單點系泊系統為內轉塔形式，單點有10根系泊纜，錨鏈與鋼纜直徑均為114.3 mm(25 in)，單根纜長度約3 800 m。2006年流花11-1油田遭強臺風“珍珠”正面襲擊，使該油田作業的“南海勝利號”FPSO的7根系泊纜、3根柔性立管嚴重損壞，事故造成油田停產一年，FPSO被迫解脫、拖航并進行塢內大修。

案例二。“南海發現號”FPSO單點系泊系統損壞事故。“南海發現號”FPSO是一艘由舊油船改造成的FPSO，于1990年改造完成投產于惠州油田群，單點系泊系統采用內轉塔形式。2009年惠州油田群受“巨爵”臺風襲擊，“南海發現號”FPSO的4根系泊纜、4條柔性立管以及3個水下基盤發生移位或損壞。

案例三。“海洋石油102”單點故障。“海洋石油102”FPSO服役于BZ28-2S油田，采用塔架式水上軟剛臂單點系泊系統。2011年單點Yoke頭部橫搖軸承附近橫向管結構與三腳架連接處被嚴重撕裂，橫向管結構嚴重變形。事故造成清管球平臺部分管線、閥門和儀表受損，隨后油田立即停止生產，并解脫FPSO、更換受損系泊結構。

分析、總結歷次單點事故可以發現，造成單點事故的主要原因如下。

1)極端惡劣海洋環境頻發，甚至超過設計載荷，最終導致單點系泊系統系統性損壞。

2)對海洋環境荷載認識不足，國外設計標準在我國海域的適用性有待研究。

3)單點系泊系統、設施老化，導致系泊性能退化。

4)系泊系統管理體系不夠完善，尚未形成完整的單點全壽命管理體系。

現場監測技術作為完整性管理的重要組成部分，通過連續、實時地測量目標系統工作狀態，可為作業者決策提供參考依據；通過對比系統現場工作性能與設計指標，測量數據可驗證系統設計優劣，并為今后的設計提供改進意見。

2.2 軟鋼臂式單點系泊監測系統設計

軟鋼臂式單點系泊系統主要應用在我國渤海淺水FPSO系泊，主要有水上軟鋼臂和水下軟鋼臂兩種形式。通過總結軟鋼臂式單點系泊系統管理經驗，分析、總結歷次單點事故原因，軟鋼臂式單點系泊系統關鍵風險點見圖3、4。

圖3 水上軟鋼臂關鍵風險點

圖4 水下軟鋼臂關鍵風險點

環境荷載和FPSO的六自由度運動是引起系泊恢復力的直接原因，從系統分析的角度出發，除了系泊系統受力和系泊關鍵結構的監測，還需要對FPSO的運動、位置及環境荷載等信息進行測量。水下軟鋼臂系泊系統采用獨腿式系泊結構，結構剛度小，在外界荷載作用下易產生振動。為了掌握由上部模塊振動可能引起的滑環損傷情況，還需要監測系泊腿上部模塊的振動，并依此建立滑環的損傷判別模型。

1)海洋環境荷載信息測量。海洋環境荷載主要包括風荷載、流荷載和波浪荷載，在冬季還存在冰荷載影響。監測系統可通過測量環境參數信息，采用理論及數值方法計算間接得到環境荷載大小，見表1。

表1 海洋環境荷載信息測量

2)FPSO整體運動響應測量。FPSO在外界荷載作用下，會產生非常復雜的耦合運動，包括垂直面運動(橫搖、縱搖和垂蕩)和水平面運動(橫蕩、縱蕩和艏搖)。垂直面內運動將引起FPSO吃水、水線面、浮心和恢復力矩的改變，若某一時刻恢復力矩難以平衡風浪流荷載引起的干擾力矩，將可能導致FPSO穩性失效。水平面內運動將引起FPSO水平位置變化，需要系泊系統提供恢復力來保持其平衡位置。

3)系泊系統受力測量。準確、實時地獲得系泊系統受力，是整個單點系泊監測系統的關鍵。我國渤海軟鋼臂系泊系統在設計之初，并未考慮到系泊力監測系統。若想直接測量系統受力，需要在力的傳遞路徑上增加力傳感器，這樣需要油田停產并對系泊系統進行改造，從經濟、安全性上來講此種方法都是不可取的。根據軟鋼臂式單點系泊系統工作基本原理，通過測量軟鋼臂和系泊腿位置、角度變化，即可計算得到系泊系統受力，見圖5。

圖5 軟鋼臂系泊系統力的幾何關系示意

2.3 內轉塔式單點系泊監測系統設計

由于FPSO需要在固定海域進行連續的作業，這就需要系泊系統保持長期的工作狀態。系泊系統的設計壽命一般為20年，但是其可能承受百年一遇甚至更惡劣的極端條件，并導致系泊纜張力過大而損壞。內轉塔式單點系泊系統關鍵風險點見圖6。

圖6 內轉塔式單點系泊系統關鍵風險點

海洋環境荷載信息和FPSO整體運動響應信息也是內轉塔式單點監測的重要部分，但由于系泊形式和工作原理的不同，系泊系統受力測量方法和技術也不盡相同。對于轉塔式系泊系統，系泊受力測量主要有如下幾種方法[4]。

1)高精度的浮體位置測量，采用數值方法計算得到系泊系統受力。

2)系泊纜角度測量，根據系泊纜角度推導得出系泊系統受力。此方法需要建立系泊系統響應模型，并根據測量的系泊纜角度確定系統整體受力。

3)系泊纜張力測量。該方法是最直接的測量方法，但由于需要在系泊纜中嵌入張力測量元件，并使之成為荷載傳遞路徑中的一部分，因此也是風險最大的一種測量方法。

4)在轉塔支撐結構上布置測量元件，通過建立的系泊-結構間傳遞函數，推斷系泊系統受力。

內轉塔單點系泊系統受力測量技術對比見表2。

表2 內轉塔單點系泊系統受力測量技術對比

注：風險系數分為1～5級，其中5.0代表風險最高。

由表2可見，高精度的浮體位置測量無論從技術風險還是時間、經濟性上來說，都是最優的系泊力測量方法。系泊纜角度測量雖然整體性價比也很高，但由于其測量原理的限制，僅適用于懸鏈式系泊系統受力測量，而不適用于張緊式系泊系統受力測量。系泊纜張力測量是最直接的測量方法，也是獲得系泊纜動態張力的惟一方法。由于測力元件作為系泊纜荷載傳遞的組成部分，對于現役系泊系統需要將系泊纜卷起、剪斷并重新連接，從技術風險和費用綜合考慮都是不可接受的。

3 結束語

FPSO單點系泊監測系統通過實時測量海洋環境、FPSO運動和位置、系泊系統受力等信息，不僅可以實時反映FPSO及單點系泊系統工作狀態，為作業者提供決策支持，而且還可以驗證FP-

SO及附屬的立管、系泊系統設計，為今后同類型設計提供改進支持。

目前海洋石油113、112等FPSO均已安裝了單點系監測系統，獲取了大量寶貴的現場第一手資料，為油田安全生產提供了重要的支持。

[1] 呂立功,景 勇,溫寶貴,等.FPSO系泊系統設計上的考慮[J].中國造船,2005，46(增刊):348-356.

[2] ABS.Rules for Building and Classing Single Point Moorings[S].American Bureau of Shipping,1996.

[3] Floating Production System JIP FPS Mooring Integrity[R].UK:Health and Safety Executive,2006:Research Report 444.

[4] PATERSON R B,EDWARDS R Y.A conceptual study of techniques for measuring global loads on the terra nova FPSO[R].Canada:National Research Council Canada,2000:PERD/CHC Report 20-57.