某300 000 DWT級VLCC改裝為FPSO系泊系統(tǒng)可行性分析

王領(lǐng) 黃渙青 劉生法

摘? ? 要：系泊系統(tǒng)是FPSO的重要組成部分，保證FPSO在海上安全作業(yè)。本文以某300000DWT級VLCC改裝為FPSO為例，研究系泊系統(tǒng)改裝的可行性。該改裝后FPSO擬使用于巴西海域，水深約2100m。

關(guān)鍵詞：系泊系統(tǒng);VLCC改裝;FPSO

中圖分類號：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Feasibility of Converting Mooring System for 300 000 DWT

VLCC Conversion to FPSO

WANG Ling， HUANG Huanqing， LIU Shengfa

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： Mooring system is an important part of FPSO to ensure its safe operation at sea. This paper takes a 300 000 DWT VLCC conversion to FPSO as an example to study the feasibility of converting the VLCC mooring system. After conversion， the FPSO is intended to be used in the Brazilian sea with a water depth of about 2 100 m.

Key words： Mooring system; VLCC conversion; FPSO

1? ? ?前言

FPSO是集原油生產(chǎn)、加工、儲存、輸送于一體的大型海上浮式生產(chǎn)設(shè)施，主要由原油分離與處理裝置、生產(chǎn)水處理裝置、外輸系統(tǒng)、熱介質(zhì)系統(tǒng)、動力模塊、生活樓、輪機艙和公用設(shè)施艙、原油存儲和污油水艙、壓載艙、注水系統(tǒng)、直升機平臺、貨物卸放區(qū)、甲板吊機、火炬塔、系泊支撐等部分組成，因其具有較強的生產(chǎn)適應性和較大的存儲能力，備受海洋工程市場青睞。目前全球作業(yè)的FPSO共有70余艘，其中大多數(shù)都是由VLCC改裝而成。

系泊系統(tǒng)作為FPSO的重要部分，將FPSO的船體與海底連接，保證FPSO在風、浪、流作用下可以長期安全地在海上作業(yè)。系泊系統(tǒng)改裝，主要是根據(jù)FPSO所處海域的環(huán)境條件和目標VLCC的狀況，在VLCC上尋找合適位置布置新增的相關(guān)系泊設(shè)備，同時對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行加強或新增結(jié)構(gòu)。本文以某300 000 DWT級VLCC改裝為FPSO為例（改裝后目標海域位于巴西，水深約2 100 m），研究VLCC系泊系統(tǒng)改裝的可行性，包括系泊系統(tǒng)選型、空間布置以及結(jié)構(gòu)加強等。

2? ? 系泊系統(tǒng)選型

FPSO使用壽命一般為20～30年，通過系泊系統(tǒng)長期固定在海面上經(jīng)受波浪載荷、風載荷以及流載荷等的作用，因此對系泊系統(tǒng)有較高的要求。VLCC改裝為FPSO，首先要考慮的是系泊系統(tǒng)的類型，不同的系泊系統(tǒng)類型對應的改裝內(nèi)容有很大差別。目前國內(nèi)外FPSO的系泊方式，主要有單點系泊系統(tǒng)和多點系泊系統(tǒng)兩種。

2.1? ?單點系泊系統(tǒng)

單點系泊系統(tǒng)是指海洋工程結(jié)構(gòu)物通過一個系泊點系固于海上，可以圍繞該系泊點作 360?回轉(zhuǎn)。單點系泊系統(tǒng)的特點是：具有風標效應，結(jié)構(gòu)物會順應在環(huán)境力最小的方位上，從而使得系泊系統(tǒng)可以承受較惡劣的海況。

單點系泊系統(tǒng)類型很多，包括：懸鏈腿式單點系泊系統(tǒng)、固定塔式單點系泊系統(tǒng)、軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)、單錨腿式單點系泊系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)等。

（1）懸鏈腿式單點系泊系統(tǒng)

通常適用于淺水海域的原油或其它化學品的離岸裝/卸終端;

（2）固定塔式系泊單點系泊系統(tǒng)

主要適用于較淺水海域;

（3）軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)

包括水上軟剛臂以及水下軟剛臂兩種型式，僅適用于淺水海域且該系泊型式應用實例僅限于中國渤海的FPSO;

（4）單錨腿式單點系泊系統(tǒng)

僅適用于淺水到中等水深海域;

（5）轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)

適用于全球任何海域，特別是臺風、旋風、颶風多發(fā)海域，其型式如圖1所示。該系泊系統(tǒng)中系泊索不是從船首或船尾展開，而是從轉(zhuǎn)塔開始展開，以懸鏈式或半張緊方式與海底錨固系統(tǒng)連接。

轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)，又可分為裝載在船體外側(cè)的外轉(zhuǎn)塔式和裝載在船體內(nèi)部的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式兩種：外轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，通常用于中等及較淺水海域;內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，主要適用于中等及深水海域。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，如圖2所示：主要由系泊錨點、錨腿和內(nèi)轉(zhuǎn)塔式浮筒組成，浮筒通過錨腿與錨點連接構(gòu)成完整的系泊系統(tǒng)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)設(shè)計在浮體內(nèi)部，因此對浮體空間要求較大，系泊船的風標效應受轉(zhuǎn)塔位置的制約。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)可以設(shè)計為解脫和不解脫式兩種，在深海海域使用具有更大的優(yōu)越性;此外，系泊浮體的噸位較大，可設(shè)置多通道旋轉(zhuǎn)接頭;內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)操作簡單、維護保養(yǎng)方便、有效作業(yè)時間長、系泊性能好、抗風浪能力強，特別適用于臺風不解脫的海況惡劣的浮式生產(chǎn)系統(tǒng)。但相對而言，其造價較高，比較適合于油氣儲量較大的深水油氣田的開發(fā)。

2.2? ? 多點系泊系統(tǒng)

多點系泊系統(tǒng)是指錨泊系統(tǒng)與海洋工程結(jié)構(gòu)物有多個接觸點，把其系泊于海上。多點系泊系統(tǒng)通常由幾組系泊線構(gòu)成，分別置于結(jié)構(gòu)物的各個邊角，從而保持結(jié)構(gòu)物有穩(wěn)定的首向;當結(jié)構(gòu)物所受的環(huán)境力對環(huán)境的方向因素不敏感時，多點系泊系統(tǒng)保證其在正常位置工作;當結(jié)構(gòu)物對環(huán)境的方向較為敏感且海況較為惡劣時，多點系泊系統(tǒng)的應用受到限制。多點系泊系統(tǒng)示意圖，如圖3所示。

圖3? ?多點系泊系統(tǒng)示意圖

多點系泊系統(tǒng)的優(yōu)點是：由于結(jié)構(gòu)物保持固定的首向，可以采用傳統(tǒng)的系泊設(shè)備而不需要轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，也不需要專門的輸送油、氣、水的旋轉(zhuǎn)接頭和輸送電力或信號的電滑環(huán)，可在FPSO外側(cè)設(shè)置大量的立管和臍帶纜;多點系泊系統(tǒng)的缺點是：不能適用于較惡劣的海域環(huán)境，浮體在環(huán)境主導一側(cè)對系泊的要求較高;對采用緊密對稱布置的系泊鏈，錨鏈之間存在一定程度的干擾;隨著水深增加，系泊系統(tǒng)的成本也增加更快。

多點系泊系統(tǒng)一般用于較溫和的海況（如東南亞和西非海域）以及高度定向環(huán)境（如巴西海域的特定區(qū)域）等。平穩(wěn)海域的波浪和風向都是一定的，F(xiàn)PSO可順著風浪的方向進行多點系泊;也適用于常年環(huán)境條件溫和、在風暴到來時環(huán)境條件變得很惡劣的海域，可采取臨時停產(chǎn)、解脫避風措施，風暴過后再回復生產(chǎn);此外，對于在海洋工程施工作業(yè)中不允許進行360°旋轉(zhuǎn)的浮體，或?qū)Νh(huán)境力方向非常敏感的浮體，只要環(huán)境條件平緩、浮體主受力方向比較固定，都可以考慮使用多點系泊系統(tǒng)。

2.3? ?環(huán)境條件及系泊系統(tǒng)選型

根據(jù)上面的論述，適用于本案的系泊系統(tǒng)主要有內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)和多點系泊系統(tǒng)。下面對這兩類系泊系統(tǒng)進行對比分析（見表1）。

從該表1可以看出，目標海域的環(huán)境條件及FPSO的使用條件，直接影響系泊系統(tǒng)的選擇。本案FPSO將用于巴西海域，其環(huán)境條件見表2。

從表2可知，該海域的海況屬于中等偏溫和的海況。考慮到工作海域的環(huán)境條件、所用立管的根數(shù)、改裝工作量等各種因素，本案選取多點系泊系統(tǒng)型式，主船體正對常年主導浪向，該系泊系統(tǒng)無需采用價格昂貴的單點系泊轉(zhuǎn)塔裝置。

根據(jù)系泊水深及FPSO主尺度的情況，本多點系泊系統(tǒng)在主船體船首及船尾對稱布置四組系泊點，每組含6個獨立錨鏈系統(tǒng)，共有24個系泊點。

3? ? 多點系泊系統(tǒng)的空間布置

多點系泊系統(tǒng)通過錨鏈將FPSO固定于目標海域，系泊系統(tǒng)的錨鏈與船體的連接由主甲板邊緣的上導向裝置和下方的導鏈裝置組成，鏈索自主甲板上多點平臺的系纜裝置進入導向裝置，沿著舷側(cè)垂直向下延伸，在距基線一定高度處通過止鏈器與船體形成一定夾角伸向海底，并與海底錨固基礎(chǔ)相連。

系泊系統(tǒng)改裝在布置空間上主要是在VLCC上增加導向裝置和導鏈裝置。其中：導向裝置由多點張緊系統(tǒng)平臺等組成，位于主甲板邊緣;導鏈裝置由止鏈器結(jié)構(gòu)、止鏈器支撐調(diào)整裝置組成，位于FPSO空載水線處。

多點張緊系統(tǒng)平臺設(shè)計為外懸掛式，附著于主甲板舷側(cè);平臺上主要有絞車、起鏈裝置、電動輪、滑移系統(tǒng)、導向裝置、控制臺、液壓單元等附屬機械結(jié)構(gòu);平臺下方設(shè)置船體護舷，防止鏈索摩擦損害船體。多點張緊系統(tǒng)示意圖，如圖4所示。

起鏈裝置的正下方設(shè)有錨鏈艙，用于儲存錨鏈;導鏈裝置主要包括導鏈管、導鏈器和止鏈器，每組系泊系統(tǒng)設(shè)置6個;導鏈裝置支撐結(jié)構(gòu)穿過外板，嵌入船體結(jié)構(gòu)。導鏈裝置示意圖，如圖5所示。

從以上分析可知，系泊系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計成一體結(jié)構(gòu)，布置在FPSO主船體舷外，減少對主船體空間布置的影響，也方便系泊系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的布置。這種改裝方式，需要著重考慮FPSO主船體與系泊系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)的強度。

4? ? 多點系泊系統(tǒng)相關(guān)船體結(jié)構(gòu)的改裝

4.1? ?多點系泊系統(tǒng)水動力分析

系泊系統(tǒng)型式及布置空間確定后，首先對FPSO系泊系統(tǒng)進行水動力分析。使用三維勢流理論及非線性時域耦合分析方法，研究多點系泊FPSO的水動力性能以及系泊力，為改裝區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有效參考。

在系泊水深及FPSO主尺度確定的前提下，根據(jù)規(guī)范選取系泊半徑為3 500 m;多點系泊系統(tǒng)采用4組，在FPSO主船體前后兩舷對稱布置;每個系泊點布置6根系泊鏈，系泊鏈間夾角為5°;系泊鏈采用錨鏈—鋼纜—錨鏈的組合型式，首段為長110 m、公稱直徑120 mm的R4錨鏈，中間段為長2 970 m、直徑125 mm的鋼纜，末段為長1 265 m、公稱直徑120 mm的R4錨鏈。

根據(jù)初步計算，系泊系統(tǒng)在百年一遇的情況下最大系泊力為4 381 kN。

4.2? ?船體結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計

由于系泊系統(tǒng)改裝設(shè)計為新增結(jié)構(gòu)，其與原船體相連的結(jié)構(gòu)強度是影響系泊系統(tǒng)改裝的關(guān)鍵因素。系泊結(jié)構(gòu)應能承受極限環(huán)境荷載及索鏈破斷的偶然載荷，在正常操作工況下還應能承受長期低周疲勞載荷作用。

多點張緊系統(tǒng)平臺位于主船體外且為獨立平臺，不參與全船的總縱彎曲。但由于平臺應力較大，故采用AH36高強度鋼;平臺為箱型結(jié)構(gòu)，上表面設(shè)有2根大T型材做成的導軌和6個貫穿平臺的導鏈管，并在平臺面鋪設(shè)格柵;平臺設(shè)有1個儲鏈筒、2組鏈條的限位，面積較小，載荷相對集中，因此與其連接的外板換新為AH36-Z材質(zhì);反面支撐結(jié)構(gòu)，采用T型材和大肘板加強;懸掛平臺通過預制安裝，其主船體支撐加強結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝。

由于6個止鏈器總質(zhì)量達240 t，且位于接近空載水線的位置，船體會受到較大的錨鏈拉力，此處的整個舷側(cè)雙殼結(jié)構(gòu)均應進行改裝：支撐止鏈器的強力平臺直接穿過外板，嵌入船體結(jié)構(gòu);主船體應在首部及尾部的系泊點設(shè)中間肋骨;強力平臺之間應設(shè)有垂向開孔隔板和強力肘板，并采用AH36高強度鋼，以保證強度;止鏈器錨鏈調(diào)整裝置位于止鏈器結(jié)構(gòu)下方，主要由管桁架結(jié)構(gòu)組成，與船殼連接處采用大肘板形式相連，反面艙內(nèi)增加肘板或扁鐵加強;在每處系泊點設(shè)有2層管結(jié)構(gòu)，每層均布6個彈簧卡槽和6個管槽孔來控制止鏈器的轉(zhuǎn)向角度和導鏈管的擺動角度。

在多點張緊系統(tǒng)平臺和空載水線之間對應的4檔肋距長度，設(shè)置半圓形的舷側(cè)鏈條護舷，并在FPSO船體對應護舷位置處新增反面肘板加強。

因為系泊點錨鏈角度要求，器械與結(jié)構(gòu)相接，在結(jié)構(gòu)改裝中應注意以下幾點：

（1）多點張緊系統(tǒng)平臺的定位直接影響錨鏈的角度，上下導鏈管必須對心;

（2）上導鏈管和止鏈器必須對心，船外的止鏈器結(jié)構(gòu)可用于與上導鏈管對心，與船體加強結(jié)構(gòu)的強力平臺部分對接;

（3）根據(jù)安裝止鏈器的箱型結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果，確定箱型結(jié)構(gòu)尺寸，F(xiàn)PSO主船體內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)應與止鏈器箱型結(jié)構(gòu)對齊;

（4）止鏈器支撐結(jié)構(gòu)艙內(nèi)改裝，新增的強力平臺與縱骨要保持連續(xù)，避免出現(xiàn)應力集中。

4.3? ?系泊系統(tǒng)的加強結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)布置方案確定后，采用有限元方法對結(jié)構(gòu)進行強度校核。本案采用Sesam/GeniE軟件進行三維建模，利用有限元法對系泊支撐結(jié)構(gòu)及相關(guān)船體部分進行計算，并對FPSO系泊支撐結(jié)構(gòu)進行強度評估。

設(shè)計載荷主要考慮FPSO在一年一遇和百年一遇環(huán)境條件下，裝置及支撐結(jié)構(gòu)受到的系泊錨鏈作用力和對應的船體運動加速度，需注意系泊支撐結(jié)構(gòu)和主船體支撐結(jié)構(gòu)的許用衡準有所差異。根據(jù)計算結(jié)果，F(xiàn)PSO與系泊系統(tǒng)連接部分船體結(jié)構(gòu)加強后，其應力和疲勞強度應滿足規(guī)范要求。

5? ? 結(jié)論

本文以某300 000 DWT級VLCC改裝為FPSO為例，分析了系泊系統(tǒng)改裝在布置空間和結(jié)構(gòu)加強上的可行性，主要結(jié)論如下：

（1）系泊系統(tǒng)類型眾多，VLCC改裝為FPSO首先應根據(jù)環(huán)境條件，并結(jié)合FPSO功能以及造價確定系泊系統(tǒng)類型;

（2）多點系泊系統(tǒng)不用設(shè)置昂貴的流體旋轉(zhuǎn)接頭和電滑環(huán)，經(jīng)濟性方面相對單點系泊系統(tǒng)較優(yōu)，在環(huán)境條件允許的情況下可優(yōu)先考慮;

（3）多點系泊系統(tǒng)在FPSO空間布

置中可設(shè)計在主船體舷外，節(jié)省主船體空間;

（4）多點系泊系統(tǒng)為新增結(jié)構(gòu)，其與原船體相連的結(jié)構(gòu)強度是影響系泊系統(tǒng)改裝的關(guān)鍵因素。系泊支撐結(jié)構(gòu)應能夠承受極限環(huán)境荷載及索鏈破斷的偶然載荷，在正常操作工況下還應能承受長期低周疲勞載荷作用。

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