FPSO限位作業中載荷分析及拖輪配置

苗宗葉中海油能源發展股份有限公司銷售服務分公司 天津 300457

FPSO限位作業中載荷分析及拖輪配置

苗宗葉
中海油能源發展股份有限公司銷售服務分公司 天津 300457

浮式生產儲油輪（FPSO）為現今海洋石油開發的主流設施之一，其生產運營期間通過單點實現與其他生產設施的連接與FPSO的定位。為了保證在FPSO旋轉半徑內有施工需求時，不影響正常的生產運營，需要對FPSO進行限位作業。本文以渤海明珠號”FPSO在BZ25-1油田的限位作業為例，分析作業海域環境條件，計算FPSO所受到的風、流等環境載荷，確定限位方案、拖輪及其相關屬具的配置，對保證FPSO海上作業安全性有著重要的意義。

FPSO；限位；載荷分析；拖輪配置

引言

FPSO（floating production storage and offloading）即浮式生產儲油輪是一種龐大的綜合性海洋石油生產基地，可以在其系統中完成石油天然氣的生產加工、內部儲存、外部輸送及生活、動力供應的一整套過程。投入使用至今，FPSO以其經濟性、多功能性、海域適用性、可靠性等優勢，被廣泛地應用于淺海、深海和邊際油田的海洋石油開發中，成為了各國海上石油工程發展的重要領域。

FPSO通過單點（SPM）與油田其他生產設施連接，在風、流等外力的作用下，FPSO會圍繞著單點做自由旋轉。

引言

FPSO（floating production storage and offloading）即浮式生產儲油輪是一種龐大的綜合性海洋石油生產基地，可以在其系統中完成石油天然氣的生產加工、內部儲存、外部輸送及生活、動力供應的一整套過程。投入使用至今，FPSO以其經濟性、多功能性、海域適用性、可靠性等優勢，被廣泛地應用于淺海、深海和邊際油田的海洋石油開發中，成為了各國海上石油工程發展的重要領域。

FPSO通過單點（SPM）與油田其他生產設施連接，在風、流等外力的作用下，FPSO會圍繞著單點做自由旋轉。但是，在生產運營期間，在FPSO旋轉半徑范圍內可能會有大型船舶進行施工，為了保障油田開發和單點系統的日常維保，此時就需要施加外力（通常為拖輪拖帶方式）將FPSO穩定和控制在一定的范圍內，避免FPSO與靠近附近施工的其他設施發生碰撞等，這項作業稱之為“限位”。在限位作業過程中，應根據FPSO作業區域的風、流等自然環境，準確分析FPSO受風、流等載荷的影響，合理選配拖輪，制定詳細作業計劃，確保限位作業安全成功。

本文以“渤海明珠號”FPSO在BZ25-1油田（SPM位置38°13′25.854″N 119°07′16.908″E）的限位作業為例，分析并計算其限位作業中的載荷，確定在FPSO穩定與控制過程中的拖輪布置等內容。從實際工程的角度，分析作業過程的極限載荷并討論風險規避，確保整個控制過程中單點系統和作業船舶的安全性。

一、FPSO參數與環境條件

1.FPSO船體參數

“渤海明珠號”FPSO載重58000噸，采用軟鋼臂單點系泊裝置進行定位作業，主要服務海域為渤海，工作水深為30m以下，屬于淺水。其主尺度如表1所示。

表1 FPSO主尺度

2.油田環境參數

目標FPSO的作業油田地理位置前文中已給出，其中具體的風、浪、流等環境參數如表2所示。

表2 風、浪、流的極值條件

二、環境載荷計算分析

分析中風向和流向與FPSO的入射角定義如圖1所示。

圖1 風向和流向與FPSO的夾角定義

1.風載荷與流載荷

FPSO所受風載荷與流載荷采用OCIMF出的公式與系數計算。風載荷、流載荷計算公式見式（1）、（2）。

式中：

載荷分量分別對應風、流引起縱蕩力、橫蕩力及首搖力矩；

其余為風力系數與流力系數，是風、流相對于FPSO的入射角的函數，其值通過試驗獲得。

根據以上公式分別計算和分析了在滿載狀態（吃水=11.7m）下和壓載狀態（吃水=8.423m）下，單位風速（1m/s）下作用于FPSO的風力和風向的關系和單位流速（1cm/s）下作用于FPSO的流力與流速的關系（由于受本文篇幅的限制，在此不再列舉出來）。

2.最大單位載荷

根據計算與分析結果，可以得出：當風向、流向與FPSO成90°時，FPSO遭受到最大的單位載荷，具體結果如表3所示。

表3 最大單位載荷

三、限位拖輪配置

根據實際工程施工過程中工程船布設錨的方位和錨纜長度的要求，FPSO的允許活動范圍如圖2所示，即要求FPSO被穩定在首向角為118°至235°的117°范圍內。

圖2 FPSO限位圖

根據環境資料，BZ25-1油田海域的海流為往復流，主流向約為漲潮時112.5°左右、落潮時292.5°左右。再考慮到施工作業限定條件（參見圖2），本次限位作業確定FPSO被控制在首向角為120°左右的位置，如圖3所示。

圖3 FPSO的被限位置

為了穩定和控制FPSO，保證單點系統和作業船舶的安全性，結合前文中的計算與分析結果，本次限位作業采用2條輸出拖力大于50t的拖輪來實現對FPSO的控制。針對不同的海況，具體的拖輪布置方案可采用如下兩個：方案一：No.1拖船布置在FPSO的尾部，主要作用為抵抗環境載荷中風、流的轉船力矩，使FPSO穩定在被控位置；No.2拖船布置在FPSO中部(離單點距離約70m），主要作用為抵消不平衡力，保護單點系統的安全。方案二：No.1、No.2拖船均布置在FPSO的尾部，即No.2拖船移至FPSO的尾端左舷或右舷，與NO.1拖船一起抵抗環境載荷中風、流的轉船力矩，穩定FPSO，保證限位作業達到應有的效果。

四、風險規避及拖纜、拖點要求

1.風險規避

在海況較好的條件下(風力不超過三級，海況不超過二級)，穩定和控制FPSO時出現誤操作的可能性相對較小。而當海況變化惡劣(風力超過三級，海況二級以上)的情況時，穩定和控制FPSO時則相對較容易出現誤操作，可以從以下幾方面出發來規避風險，避免誤操作的發生：

⑴在拖船選擇上，盡可能使用操縱性能好、拖力高的拖船，如：ZP型、VSP型拖船。

⑵拖纜必須選擇質量好、強度大的拖纜，出纜的長度應足夠。拖纜系于纜樁上，應采用∞字形，且道數應足夠，防止受力后滑出。拖船拖力宜漸次增大，以防止在拖纜上沖擊張力的產生。

⑶拖船必須保證就位良好，且在拖船與FPSO之間保持不斷的通信聯系，使得拖船能夠及時的了解風向、風速、FPSO首向、潮流情況等，以便作業順利進行。

⑷當FPSO被控制在規定的位置后，可適當松緩拖纜，允許FPSO在允許的范圍內自由運動，此操作方式可以減小單點受力，降低發生風險的可能性[7]。

⑸當No.1拖船發生故障時，No.2拖船應及時移到尾部替代No.1拖船。

2.拖纜確定

對于拖纜的選取，基于Mooring Equipment Guidelines （1997），OCIMF（Oil Companies International Marine Forum）的要求進行。本文所選用的拖船拖力為50噸，拖纜效率為70%，最大允許拉力為最小破斷負荷的55%。那么：

⑴若拖纜采用鋼絲繩：最小破斷力（噸）＝拖船的橫向最大拖力/（0.7*0.55）=130（噸）。

⑵考慮到鋼絲繩使用不方便，還可以選用尼龍繩，但其強度應增加20%（尼龍纜在潮濕狀態下，其強度減弱20%）。即當拖纜為尼龍繩時：最小破斷力為：1.2*130 =156( 噸)。

基于以上分析，本次作業選用的拖纜為直徑120毫米尼龍繩(8股)，最小破斷力為166噸。

為充分發揮拖船的有效拖力，保證操作的靈活性以免使拖纜承受更大的張力，應使拖纜有最小的俯角，一般情況應小于15°，即：拖纜長度應大于FPSO拖纜出口至水面高度的4倍以上，最小長度為45米，根據天氣情況和周圍海域作業環境的變化，適當調整拖纜的長度。

3.拖點強度

FPSO甲板上的帶纜樁的安全工作載荷(SWL)應大于70t，如圖4所示，否則的話，應進行相應的加強措施。

圖4 FPSO甲板帶纜樁安全工作載荷要求

五、結論

隨著世界各沿海國家對于海洋資源的開發，FPSO憑借著諸多優勢成為了現今海洋石油開發的主流設施之一。在我國的海上石油開采中，渤海油田開發占有著重要的地位，由于工作水深較淺，FPSO多采用軟剛臂式的單點系泊方式，圍繞著單點自由轉動。有時出于施工要求，需要將FPSO限定的一定的角度范圍內，即限位作業。本文通過以BZ25-1油田作業的“渤海明珠號”FPSO為例，分析并計算其限位作業過程中的環境載荷，確定拖輪配置，穩定和控制FPSO，保證海上石油生產的同時降低作業的安全風險，具有較高的工程實用價值。

[1] 肖龍飛,楊建民. FPSO水動力研究與進展［J.海洋工程,2006,24(4):116-123．

[2] 劉志剛,何炎平. FPS0轉塔系泊系統的技術特征及發展趨勢[J].中國海洋平臺.2006(5):1-6.

[3] 李士濤,于長生,商濤，等. 不停產狀態下運用單拖輪對FPSO 限位的可行性研究［J］. 中國造船，2012，53(S2):316-320．

[4] Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floting Structures［S］． Recommended Practice 2SK，3rd Edition，America: American Petroleum Institute，2005．

[5] OCIMF，Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs［S］．2nd Edition，England: Oil Companies International Marine Forum，1994．

[6] Van Oortmerssen. The Motion A Ship in Shallow Water[J]. Ocean Engineering. 1976, 3(4): 221-255.

[7] Yang J M, Xiao L F, Peng T, et al. Experimental Research on Motion Performance of Large FPSO in Shallow Water[C]. Proc. of the 3rd New S-Tech Conf. Kobe, Japan:2002.

中海油液貨外輸終端（碼頭）與船舶匹配性研究（HFXMLZXS2016001）

【作者簡介】苗宗葉(1975～)，男，漢，中海油能源發展股份有限公司銷售服務分公司，船長，研究方向：海洋石油開發。

Load analysis and tug configuration during FPSO position limiting operation

Miao Zong-ye，CNOOC Energy Technology & Services-Marketing Services Co.Ltd, Tianjin，300457

Nowadays FPSO is one type of the mainstream offshore oil development facilities. During its production, it can connect with other production facilities and f x the FPSO position via a single point. In order to guarantee that there is no impact on the normal production when there are construction requirements in the FPSO rotating radius, the FPSO should be limited in a f xed position. This paper takes the position limiting operation of “Bo Hai Ming Zhu” FPSO as an example, which locates in BZ25-1 oilf eld. It determines the position limiting scheme, and the tug and relevant f ttings required by analyzing environmental conditions of the sea area and calculating the environmental loads such as wind, f ow and so on. It is of great signif cance to ensure the safety of FPSO operation on the sea.

FPSO；position limiting operations；load analysis；tug conf guration

U698.6

A

楊旭（1985～），男，漢，中國石化集團金陵石化公司烷基苯廠，高級工程師，研究方向：煉化設備管理和設備國產化工作。