FPSO原油外輸系統(tǒng)研究

崔宇濤 趙柯翔

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

所謂原油外輸系統(tǒng)即是與船體原油外輸硬管連接的輸油終端設備，其主要負責與穿梭油輪的系泊連接及外輸管線連接，是FPSO非常重要的設備之一， 一旦出現(xiàn)故障，會使整個海上油田的生產作業(yè)陷入停頓和癱瘓狀態(tài)，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。目前為止主要應用的原油外輸系統(tǒng)包括串靠外輸、旁靠外輸、串旁聯(lián)合式、浮筒外輸、HiLoad以及海底管線運輸?shù)葞追N型式，本文即針對上述幾種主要外輸型式的應用條件進行論述，針對不同型式的外輸系統(tǒng)配置方案進行研究。需要說明的是，海底管線運輸不需配備外輸系統(tǒng)，因此本文不作說明。HiLoad 可以用于原油外輸也可用于LNG外輸，但由于其對FPSO來說應用性價比極低，且未得到廣泛應用，本文也不作展開。

1 原油外輸系統(tǒng)型式選取

目前世界范圍內應用的FPSO，其外形大多數(shù)為船型，少部分為圓筒型或者多邊形等［1］，對于不同型式的FPSO結合工作海域及系泊方式的不同，原油外輸系統(tǒng)的型式也需要根據(jù)其自身特點在方案確定前進行相應論證。

1.1 船型FPSO

船型FPSO是目前公認的適應性最好的型式之一，不僅體現(xiàn)在應用環(huán)境及永久系泊方式的良好適應性，也體現(xiàn)在對原油外輸系統(tǒng)具有較好的適用性，船型FPSO幾乎可以搭載所有型式的外輸系統(tǒng)。

在西非、東南亞等熱帶區(qū)域，海況較好，百年一遇有義波高僅為3 m，常年主導浪向明顯［2］。船型FPSO應用在這些海域，一般采用多點系泊系統(tǒng)，由船體首部迎浪，外輸系統(tǒng)則設置在船體尾部，從而使穿梭油輪不至于因為環(huán)境力的作用與FPSO相撞。當然，如果主導浪向隨著季節(jié)的變化出現(xiàn)180°變化時，也可以考慮在首部加設一套串靠外輸設備，工作原理與布置在尾部時相同，串靠外輸在多點系泊船型FPSO上的應用如圖1所示。

圖1 串靠外輸在多點系泊船型FPSO上的應用

另外，在此海域也適用浮筒外輸，F(xiàn)PSO內儲存的原油通過貨油泵輸送到約2 km外的輸油系統(tǒng)終端（浮筒），浮筒具備定位能力并可以安全系泊穿梭油輪，原油通過浮筒上設置的外輸系統(tǒng)傳輸?shù)酱┧笥洼喩希啾却客廨?，浮筒外輸更安全，但由于外輸距離較遠、阻力大，泵的能力要求更高，如圖2所示。采用多點系泊系統(tǒng)的FPSO假如采用旁靠外輸型式，需考慮穿梭油輪與系泊腿碰撞的安全隱患。

圖2 浮筒外輸系統(tǒng)示意

應用在中國南海、墨西哥灣等沒有主控方向且環(huán)境條件較為惡劣的海域的FPSO，一般采用單點系泊系統(tǒng)，在此環(huán)境應用的船型FPSO由于其明顯的風標效應，大多數(shù)還是采用串靠尾輸，在風標效應的作用下，F(xiàn)PSO和穿梭油輪的外輸作業(yè)安全性更高，如下頁圖3所示。

此種系泊型式也可以采用旁靠外輸?shù)男褪?，如下頁圖4所示。但此種方式存在缺點，由于是穿梭油輪與FPSO在舷側系在一起，而由于兩者運動不同步，在風浪較大時，會發(fā)生危險，因此，選擇此種外輸方式時需慎重。由于此種系泊型式的FPSO位置具有不確定性，因此，此區(qū)域不適選用浮筒外輸。

圖3 串靠外輸系統(tǒng)在單點系泊船型FPSO上的應用

圖4 旁靠外輸系統(tǒng)的應用

1.2 圓筒及多邊型FPSO

總體來說，圓筒型FPSO對環(huán)境方向性不敏感，抵御載荷的能力優(yōu)于船型FPSO，因此也更適用于環(huán)境惡劣的海域。多邊形FPSO原理與圓筒型基本類似，由于其特殊的外部形狀，決定了其無法使用旁靠外輸，而其不具備風標效應的特點，如果采用浮筒外輸，則外輸管線的受力可能會較大，因此也不建議采用浮筒外輸?shù)男褪?。目前世界上已?jīng)應用的圓筒型FPSO大多采用串靠外輸型式的外輸設備，一般配備2套外輸設備，2套盡量遠離布置，使每套外輸系統(tǒng)均可覆蓋約180°的范圍，由于其無風標效應的特點，因此，在外輸過程中，盡可能選擇合力較小的一側進行外輸作業(yè)，且無論合力方向如何，處于安全考慮均需配備1~2艘拖輪拉住穿梭油輪尾部，使其不至于因合力方向突然變化而導致穿梭油輪與FPSO碰撞。參見圖5。

圖5 圓筒FPSO外輸系統(tǒng)布置

2 原油外輸系統(tǒng)設備配置

2.1 串靠外輸系統(tǒng)配置

串靠外輸主要是指在外輸作業(yè)時，穿梭油輪與FPSO兩艘船一前一后串接在一起。串靠系泊的主要優(yōu)點是系泊操作比較簡單，輸油過程中可以抵抗較大的風浪，外輸距離較遠，安全性較高。

串靠外輸設備主要包括以下幾個系統(tǒng)：

（1）穿梭油輪串靠系泊裝置；

（2）軟管及收放裝置；

（3）動力裝置；

（4）附屬裝置。

穿梭油輪的系泊裝置主要包括：大纜卷車、快速釋放裝置、大纜組件。

大纜卷車不同于常規(guī)的系泊絞車，其不僅要纏繞主系泊纜，還要把防磨鏈、引纜及連接卸扣等纏到卷筒上。大纜卷車的驅動方式以液壓驅動為主，因為液壓驅動可以無級調速且超負荷能力較強、結構簡單，其液壓泵站可以與外輸系統(tǒng)的其他液壓設備共用，一般布置與甲板下艙室內，節(jié)省甲板空間。

快速釋放裝置除需滿足應急釋放功能外，還是一個為大纜提供拉力的“強點”，因此其設計強度需要滿足穿梭油輪的拉力要求。除此之外，快速釋放裝置還需配備一套帶有顯示、聲光報警和記錄功能的自動張力監(jiān)測系統(tǒng)，以便現(xiàn)場人員對系統(tǒng)的使用進行實時監(jiān)控?？焖籴尫叛b置可以是獨立設備，也可以和大纜卷車集成設計?？焖籴尫叛b置應在本地和中央控制室均可操作。

大纜組件主要由圖6所示的幾部分組成。其總長度主要根據(jù)外輸距離確定。最為常用的主系泊纜為纖維索，兩端帶有防磨鏈，除此之外，大纜上還配有輔助連接作業(yè)的引纜和拾起纜等附件。有些大纜在靠近穿梭油輪一側的防磨鏈上會設置一個可斷鏈環(huán)“WEAK LINK”，該可斷鏈斷裂力應大于系泊系統(tǒng)的安全工作拉力，但小于大纜的破斷拉力，這樣在緊急狀態(tài)下，可以依靠機械的方式斷開，從而保證系泊大纜其他部分不會被損壞［3］。

圖6 大纜的組成

穿梭油輪系泊裝置除上述主要設備外，還配備了導向裝置及排纜器等輔助設備。導向裝置保證了大纜在180°范圍內可以快速收放大纜，排纜器的設置主要是用于讓系泊大纜排列的更有序。

軟管長度主要由外輸距離來確定，其通常由10.7 m的單節(jié)軟管通過法蘭連接而成。軟管形式為雙層漂浮軟管，且需要滿足OCIMF“ Guide to Purchasing， Manufacturing and Testing of Loading and Offloading Hoses for Offshore Mooring”要求，軟管的參數(shù)需根據(jù)實際外輸距離、壓降以及流量等數(shù)據(jù)來確定。

串靠外輸系統(tǒng)所采用的軟管系統(tǒng)主要有兩種型式，其中一種為漂浮軟管（如圖7所示），即軟管不設置收存設備，一直漂浮在海上。由于這種型式對軟管的傷害較大，目前新建FPSO已基本不再使用。另一種是利用軟管卷車把漂浮軟管纏繞在卷筒上，軟管通常僅在卷筒上纏繞一層，因此對軟管起到了很好的保護作用。此種形式是目前軟管收放較為常見的形式，如下頁圖8所示。

圖7 漂浮軟管型

圖8 軟管卷車收放式

作為輸油軟管和回收軟管卷筒上的連接點應有以下功能：

（1）要能承受外輸軟管全部放出后軟管在水中所受的拉力，并可使軟管前后左右在一定角度內擺動。

（2）要設有應急解脫裝置。此裝置可以為遙控的（ERC），也可以使用機械斷裂的接頭（MBC）。無論哪種解脫裝置，在應急情況解脫后，都要保證在斷開處管線兩端均封閉，防止原油外漏。

由于FPSO首尾部空間較小，外輸設備又通常會布置在FPSO的首部或尾部，因此在設計選型時尺寸通常是一個重要的因素。同能力的液壓驅動的設備和電動相比，液壓驅動的設備尺寸較小，因此外輸設備一般會以液壓的形式進行設計。選擇液壓驅動還有一個非常重要的原因就是外輸站通常作為一個危險區(qū)域考慮。如果設備使用電動，則設備的電氣元件需考慮防爆要求，成本會大幅增加。因此，外輸設備如無特殊需求，一般采用液壓驅動。

外輸系統(tǒng)的液壓泵站通常布置在甲板面以下較安全的位置，但盡量不要與甲板面的液壓設備距離太遠，否則阻力損失會較大。在常規(guī)的外輸設備中，液壓泵站主要為大纜卷車、大纜快速釋放裝置、軟管收放裝置及ESD閥等設備提供動力。

外輸系統(tǒng)附屬裝置主要用于原油外輸作業(yè)及外輸設備的維護保養(yǎng)，主要包括：

（1）大纜卷車控制臺；

（2）外輸軟管收放裝置控制臺；

（3）應急釋放裝置（包括大纜和軟管）控制臺；

（4）本地控制室，控制室需具有較好的視野，可監(jiān)控到整個外輸過程；

（5）氣動式拋繩槍，當無工作船在附近輔助作業(yè)時，可以通過氣動式拋繩槍直接與穿梭油輪進行連接；

（6）輸油軟管拆卸維護設施包括軟管起重機、軟管拆卸維護平臺、單根軟管存放托架、單根軟管吊具、拖拉絞車等，這些設備也可以利用甲板系泊設備或其他相關設備兼用，以降低建造成本。

2.2 旁靠外輸系統(tǒng)配置

旁靠外輸主要是指在外輸作業(yè)時，穿梭油輪與FPSO平行系泊于FPSO某一舷，可以船頭同向，也可以頭尾同向。在外輸作業(yè)過程中，穿梭油輪始終與FPSO始終保持相對穩(wěn)定的運動，因此，穿梭油輪與FPSO的主尺度對旁靠外輸?shù)挠绊戄^大，且海況的要求也較高。相對于串靠系泊，外輸距離過近并且應急解脫速度慢是其最大的缺點，但由于良好的經(jīng)濟性，在某些特定海域，其依然也是目前外輸系統(tǒng)設計的一個合理選擇方案。

旁靠外輸設備主要包括以下幾個系統(tǒng)：

（1）碰墊；

（2）穿梭油輪旁靠系泊裝置；

（3）軟管及收放裝置；

（4）動力裝置；

（5）附屬裝置。

碰墊是旁開外輸系統(tǒng)中非常重要的一個部件，如下頁圖9所示，其在整個外輸過程起到防護安全的作用。如之前提到，兩艘旁靠系泊的船，由于其主尺度不同，風浪流的作用會使兩艘船產生相對運動，容易產生碰撞，這也是外輸作業(yè)中最需要關注的安全問題。碰墊的作用就是作為緩沖介質，可以有效吸收和減弱兩者之間的相互作用。碰墊形式一般選用充氣式［4］，通過索具與船體連接，依靠船上起重機進行下放，放置位置可以是舷邊，也可以為水線。

圖9 旁靠外輸系統(tǒng)的碰墊設備

旁靠外輸系統(tǒng)的系泊裝置相對來說型式較簡單，類似于碼頭系泊，主要通過船體配備的系泊絞車、羊角滾輪導纜器、帶纜樁、導纜孔等系泊設備完成。絞車的組成可根據(jù)實際布置情況選擇合適數(shù)量的系泊卷筒和副卷筒。所有系泊設備的數(shù)量和強度需通過校核并且嚴格按照計算所確定的結果進行帶纜。隨著科技的發(fā)展，數(shù)值模擬計算確定系泊方案的方法已得到廣泛應用。

旁靠系泊所采用軟管的設計標準與串靠系泊軟管的標準相同，區(qū)別在于旁靠系泊使用的軟管不需滿足漂浮的要求。由于系泊距離的不同，旁靠系泊軟管的長度較短，但其可以根據(jù)流量或外輸時間的要求配備多根外輸軟管，這些軟管可由安裝在FPSO上的一座或多座吊車、A字架或塔架來管理［5］。軟管提升設備必須能夠提起預計最大旁靠外輸油輪所需最大、最長軟管的操作質量，另外，提升設備還需滿足軟管系統(tǒng)所需的回轉半徑的要求，既可以跨接到外輸油輪的管匯處，也可以到達本船的外輸軟管維修區(qū)域。

旁靠外輸系統(tǒng)并沒有像串靠系泊系統(tǒng)一樣專用的動力裝置，由于大多依靠船體設備進行操作，因此，只要船體的動力裝置可以滿足上述輔助設備的動作即可，需說明的是ESD（應急關斷）閥需要船體的動力裝置提供動力，ESD閥有蓄能器，可以滿足在緊急情況停止原油的外輸作業(yè)。

旁靠外輸系統(tǒng)附屬裝置主要包括軟管防磨工具、CCTV系統(tǒng)等。

2.3 浮筒外輸系統(tǒng)配置

浮筒外輸系統(tǒng)一般應用于海況較溫和的海域，浮筒采用多點系泊。由于其是依靠浮筒與穿梭油輪進行外輸作業(yè)，對于FPSO來說是絕對安全的，而穿梭油輪與浮筒的碰撞概率也要小的多，但缺點是由FPSO到外輸浮筒的距離過長，貨油泵能力需要配置較大。

浮筒外輸設備主要包括以下幾個系統(tǒng)：

（1）Inloading 系統(tǒng) ；

（2）浮筒設備；

（3）附屬裝置。

Inloading 系統(tǒng)也就是指FPSO將原油外輸?shù)礁⊥驳脑O備，主要包括軟管、浮力塊、ESD閥等設備。浮筒外輸型式浮筒距離FPSO的間距較遠，相應的管線長度要更長，管線呈波浪式柔性分布，輸油管兩端帶有萬向節(jié)，每節(jié)標準軟管兩端和其他軟管為法蘭連接，軟管在整個外輸距離內設有浮力模塊，主要用于避免輸油工況下管線滑脫分離，保持輸油管線形狀不變。另外，為應對應急工況，在FPSO上同樣需設置ESD閥及蓄能裝置。軟管的性能參數(shù)主要由外輸距離、管線壓降及外輸量等因素決定。

浮筒是浮筒外輸?shù)年P鍵部件，如下頁圖10所示，其浮力應能承受自重以及Inloading軟管的垂向載荷。浮筒一般采用單點系泊系統(tǒng)，穿梭油輪可以繞單點360°轉動，實現(xiàn)風標效應。浮筒一般只設油艙和空艙，空艙用來提供浮力，油艙主要用于緊急情況下的原油應急泄放。浮筒上還需配備信號燈、號角和易于雷達發(fā)現(xiàn)的雷達反射器。如果是小型浮筒，其電力源可依靠可再生能源，如太陽能、風能等，并配備容量足夠的蓄電池；大型浮筒可由FPSO或附近基站提供電力。除此之外，浮筒還需配備監(jiān)測系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)包括大纜張力監(jiān)測、系泊纜張力監(jiān)測、閥的狀態(tài)、貨油的相關參數(shù)監(jiān)測、CCTV系統(tǒng)等，遙控系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)的應急關斷閥的控制及大纜應急釋放等。

圖10 浮筒裝置

對于浮筒外輸形式來說，由于其核心的設備均在浮筒端，因此在FPSO端并無太多輔助裝置，僅有一些軟管接口處的輔助平臺或維修平臺，所有遠程遙測面板一般布置在FPSO中控室。

3 結 語

本文通過對不同型式的外輸系統(tǒng)進行了比較和研究，得出以下結論：

（1）串靠外輸系統(tǒng)對環(huán)境和系泊方式的適用性較好，與穿梭油輪外輸距離適中，連接方便且具有應急解脫功能，雖然初期投資成本略高，但更為安全，是目前FPSO最主流的外輸方式。

（2）旁靠外輸系統(tǒng)對環(huán)境和系泊方式的適用性也較好，但由于其旁靠的系泊方式導致其對外輸作業(yè)環(huán)境的要求較高，且安全性較串靠外輸型式要低，因此，其實際工程應用不如串靠外輸系統(tǒng)廣泛。

（3）浮筒外輸系統(tǒng)由于其對系泊方式和環(huán)境條件的敏感性，決定其只能用于特定海域及船型，適用性較差，但安全性最好。

（4）本文所介紹的串靠外輸系統(tǒng)、旁靠外輸系統(tǒng)及浮筒外輸系統(tǒng)為目前世界上應用最廣泛的三類外輸系統(tǒng)，不同設計廠家可能在設備設計上略有差異，但原理基本一致。