大型FPSO建造集成方法與整體工期分析研究

陶付文 宋青武 王圣強 王 增 王凱華

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

海上浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)是海上油氣田開發的關鍵設施,是一座可移動的海上油氣處理工廠,集油氣生產、儲存、外輸為一體,兼顧船舶和固定平臺組塊的特點,由船體和上部模塊兩大部分組成。船體作為上部模塊的載體,承受著風、浪、流等海況作用。海底油氣混合物通過水下生產設施經由海底管道和立管輸送至FPSO上部模塊,上部模塊中各生產工藝系統對混合物進行加工分離處理,將合格原油儲存在船體油艙內,達到設計存量后由穿梭油輪輸送至陸地。

與海洋油氣工程傳統使用的固定生產平臺加海底管道的開發模式相比,FPSO開發模式具有諸多優勢:適用水深范圍廣,在淺水區和深水區均適用;生產處理能力和儲油能力更強;可移動,抗風浪能力強;經改造后可重復使用;經濟性好,油輪直接外輸,省去登陸海管建設。FPSO廣泛適用于遠離海岸的中、深海及邊際油田開發[1-3],目前中國自主建造集成并成功交付的世界級超大型FPSO達到35萬噸級。FPSO在世界各海域都有了成功的應用,未來FPSO將向著功能集成性更強、作業深度更深、抗災害能力更強等方向發展[4-5]。

1 FPSO建造流程

FPSO建造是一個高投入、高風險、高技術、多學科、多專業的系統工程,既有船的特性,又跟海洋平臺組塊類似,具有功能多樣、系統復雜、工作界面眾多等主要特點[6]。其建造往往由船舶設計院、船廠、海洋工程公司等多家單位進行專業化分工合作完成。為提高施工效率,縮短建造周期,FPSO的施工往往采用模塊化建造工藝,將上部設施按照生產工藝和項目實際情況劃分為若干個模塊,與船體同步開展建造工作。船體和上部模塊建造完畢后,進行模塊的集成及整船調試,在完成傾斜試驗及必要的海試后,整體拖航至現場海域,開展系泊固定并與水下生產系統、海管海纜等設施進行連接及聯合調試。

FPSO建造一般流程見圖1。

圖1 FPSO建造一般流程圖Fig.1 General process for FPSO construction

2 FPSO建造方法

2.1 船體建造

FPSO船體與船舶相似,可以新建,也可采用舊油輪改造[7-8],通常是由船殼和上甲板圍成的具有特定形狀的空心體,用于布置各種類型和功能的艙室及設備設施。FPSO船體一般由專業船廠負責建造,其建造工藝和方法與常規造船一致,具有質量要求高、工作量大、全過程監控的特點,其中結構建造是其他建造工作得以開展的基礎[9-10]。船體的規模大小基于作業油田的水深、氣象條件、上部設施規模、油田最大日產量和設計儲油量、穿梭油輪運輸量及頻度、系泊方式等因素決定。船體建造包括鋼材加工、分段制作、舾裝件預安裝、涂裝車間分段涂裝、船臺或船塢合攏、下水、碼頭設備安裝、舾裝、調試、系泊試驗及傾斜試驗、船體交付等步驟。

2.2 上部模塊建造

FPSO上部模塊根據生產工藝可劃分為工藝模塊、電站模塊、生產水處理模塊、油處理模塊、公用模塊、管廊模塊、生活模塊等。不同的工程項目,根據其項目實際情況和界面劃分情況,所需建造的上部模塊數量不盡相同。

制定可行的施工工藝是保證建造周期和產品質量的前提[11]。上部模塊建造一般流程見圖2,以分片的方式進行甲板片預制并噴涂,待噴涂后運輸到總裝場地,用吊機吊裝的方式自下而上進行總裝,常規總裝流程是先安裝甲板片,然后安裝主要的管線、機械設備和電氣儀表設備,敷設電纜等。在甲板片預制過程中,可預先將部分立柱拉筋、管支架、托架支架、設備底座等散件安裝至甲板片上,整體進行噴涂,在甲板片噴涂完成后、空間總裝前,預先將部分設備、管線、電纜托架等安裝至甲板片上,整體進行空間總裝,這樣可以大大減少吊裝工作量,節省吊機資源,降低施工風險和費用。

上部模塊建造完工后,需根據設計要求進行稱重,確定各個模塊的總重量和水平重心位置,作為模塊吊裝方案編制的基礎。上部模塊建造完工并稱重完成后,使用自行式模塊化平板車(Self-Propelled Modular Transporter,SPMT)運輸到集成待吊區等待集成。SPMT可根據被裝載物的不同需求被配置為各種結構、尺寸和重量[12]。

圖2 上部模塊建造一般流程圖Fig.2 General process for topside module construction

2.3 模塊集成

FPSO船體建造完成后需要拖航至集成場地碼頭,按照系泊方案完成系泊后開始模塊集成工作。綜合考慮模塊尺寸(尤其是高度)、重量、在FPSO上的最終安裝位置、浮吊和碼頭吊機能力等因素,制定經濟高效的集成方案。根據集成場地碼頭條件,集成過程一般包括碼頭集成、進塢、塢內集成及出塢四部分。碼頭集成是指在碼頭前沿的大模塊集成,主要通過浮吊進行吊裝,通過對船體進行轉向,將需要使用浮吊吊裝的模塊逐一安裝至FPSO上,同時可以同步使用碼頭履帶吊安裝小型模塊或散件,以節約浮吊使用船天。在碼頭前沿的集成工作完成后,解纜并由拖輪輔助FPSO進塢以進行下一步集成工作。FPSO在塢內完成落墩之后,使用龍門吊進行剩余模塊、散件的安裝,并完成模塊與船體結構連接、模塊之間的結構連接、剩余設備管線安裝試壓、電纜敷設等多專業集成。相關工作完成后由拖輪協助完成FPSO出塢,并再次在碼頭進行系泊以開展后續連接調試工作。

2.4 調試

FPSO調試工作分為船體調試、上部模塊單機調試、集成調試以及海上調試等,其中船體調試工作地點在船體建造碼頭,上部模塊單機調試工作地點在模塊建造場地,集成調試工作地點在集成場地,海上調試工作地點為最終海域。根據調試大綱要求,對FPSO壓載系統、配電及控制系統、公用系統、消防安全救生系統、生產工藝系統等通過系統檢查、測試、功能試驗、試運轉等方式,檢查施工質量情況和系統的完整性、可靠性,確保系統功能滿足生產使用要求。

FPSO陸地調試工作應滿足發證檢驗機構的入級及發證檢驗的要求,以保證拖航關鍵系統為根本,以實現陸地完工狀態最大化為目標,所有在陸地具備調試條件的設備和系統均應完成調試工作,對在陸地不具備調試條件的設備和系統,應盡最大可能在陸地完成對其的預調試,以確保各設施在海上能盡快投用,盡早投產。

2.5 傾斜試驗

FPSO傾斜試驗根據船體建造和集成場地的不同一般需要進行兩次,一次在船體建造完工后拖航赴集成場地前,一次在集成工作完成后整體拖航赴現場前,按發證檢驗機構入級要求完成傾斜試驗。其主要目的是確定FPSO的重量和重心位置,為校核船舶穩性提供最終數據。

2.6 海試

在拖航赴現場前,FPSO應根據項目實際情況開展海試以對建造成果進行驗證,按照設計要求的水深,對在碼頭不能進行調試的設備進行調試,如造淡機、防海生物裝置、海水泵、柴油消防泵等。

2.7 交船及拖航

FPSO在完成上述工作并取得相關船舶入級和法定檢驗后,即可完成陸地交船。FPSO拖航是一項系統工程,在拖航前要制定好妥善的拖航方案、應急方案等,對FPSO及拖輪進行適拖檢驗,取得拖航檢驗證書,并辦理拖航相關手續[13-15]。從碼頭引水出港,在外錨地進行接拖作業,開始拖航赴現場。拖航方式包括干拖和濕拖兩種:干拖是將FPSO浮裝至半潛船上,采用船背船的方式運輸至現場浮卸后再濕拖一段距離就位;濕拖是直接使用大馬力拖輪拖帶FPSO至現場就位。兩種方法各有利弊,應根據拖航季節、距離、路線等因素綜合選擇合適的拖航方式。

2.8 海上連接調試

FPSO就位后應立即進行系泊工作,系泊系統分為單點和多點兩大類[16]:單點系泊需要建造并安裝專門的單點設施;多點系泊主要由錨機、導纜器、止鏈器、系泊纜繩、卸扣與錨固基礎等六部分組成,錨固基礎可采用吸力錨形式。在FPSO就位前,根據FPSO系泊方案完成相關設施的預安裝工作,如單點安裝、吸力錨安裝、錨腿鋪設等。

在系泊同時,進行FPSO與海管海纜及水下結構物的連接、剩余子系統的調試、整體水循環試驗、生產聯合調試等,實現FPSO投產。

3 整體工期分析

大型海洋工程項目對工期有極其嚴格的要求,計劃工作在項目管理中占有非常重要的地位[17-18]。由于FPSO建設項目所處的國度、海域、設計建造標準、作業水深、生產能力和儲油能力、建造分包模式、油田總體開發要求、合同工期等不盡相同,各FPSO建設工期很難以統一的標準進行衡量。準確評估FPSO整體建設工期,需根據項目實際特點,有針對性地分析評估,明確關鍵路徑。關鍵路徑是計劃中最長的路線,決定了項目的總實耗時間[19-20]。

按照FPSO建造一般流程,各步驟工期假設如下：F1～ Fn是各單體建造周期(其中F1為船體建造周期),T1～Tn是各單體運輸周期(其中T1為船體運輸周期),L是模塊吊裝周期,H是模塊與船體連接周期,C是整船陸地調試周期,ST是FPSO海試周期,T是FPSO拖航至現場周期,HUC是FPSO海上連接調試周期,天數均按自然天計。考慮到船體是模塊集成的基礎,船體建造完工抵達集成碼頭方可開展模塊吊裝工作,且船體建造工期往往比模塊建造工期更長,因此船體的建造和運輸是FPSO建造的關鍵路徑。在此基礎上考慮模塊集成調試、海試、拖航、海上連接調試等工期,即可得到FPSO建造總體理論工期為F1+T1+L+H+C+ST+T+HUC。

對各個步驟理論工期的合理預估是建立在大量統計數據積累的基礎上,根據該項工作具體的工作量和資源擬投入數量以及具體的實施方案,參考已實施的同類項目,結合項目實際情況,綜合運用專家判斷、類比估算、參數估算、三點估算等方法確定作業工期。三點估算法工期計算公式:

作業預估工期=(最樂觀時間+4×最可能時間+

最悲觀時間)/6

(1)

以海上連接調試為例,首先要明確海上連接調試具體工作量,包括子系統調試數量、遺留尾項數量等,針對每項具體工作評估所需的人工時投入。在此基礎上,根據海上在船人員數量(Personnel on Board,POB)安排,確定海上連接調試理論工期。由于FPSO海上期間,能提供給工程的POB在項目初始階段往往難以準確預估,可以按照最樂觀POB、最悲觀POB、最可能POB分別計算,再使用三點估算法確定理論工期,見式2。

海上連接調試工期=[M/(Pmax×12)+

M/(Pmin×12)+

4×M/(P×12)]/6

(2)

M=MS+MC=∑M+∑M

(3)

4 工程應用實例

巴西FPSO P67/P70項目油田位于巴西桑托斯盆地,屬巴西最大的沉積盆地,水深約2 188 m。P70 FPSO船體全長316 m,最大吃水22.6 m,滿載排水量35.3×104t,上部模塊干重約2.5×104t、船體干重約5.3×104t,是目前世界上最先進、最復雜、最大的FPSO之一,儲油量160萬桶,日產油15萬桶,設計壽命25年,采用多點系泊。該FPSO船體在中國某船廠建造,濕拖至海油工程公司青島碼頭進行集成調試工作。上部模塊共劃分為17個,分為5個建造合同包(P1～P5),海油工程公司作為集成總承包商,負責P1包共計7個模塊的建造及整船集成調試、運輸FPSO至巴西以及現場連接調試、投產保運等,剩余10個模塊由3家巴西承包商和1家亞洲承包商建造。

總承包商在項目啟動階段,組織設計及施工技術人員和計劃人員對設計、采辦、模塊建造、集成調試等合同內工作范圍和工作量進行了詳細梳理,根據合同里程碑要求并結合自身工效評估,制定了詳細的項目實施計劃。針對建造關鍵路徑和關鍵作業,一方面及時評估其前置條件,包括設備材料采辦到貨計劃等,合理制定采辦策略,確保關鍵設備材料按時到貨;另一方面合理估算所需資源情況,在實施過程中優先保障關鍵作業的人力和設備等資源投入。P70 FPSO自2016年2月15日船體建造開工、2018年3月21日船體濕拖抵達青島碼頭、2019年12月4日FPSO整體陸地建造完工、2020年1月23日采用干拖方式抵達巴西并順利完成交接工作、2020年6月25日實現海上第一桶油投產,整個建設周期約52個月。各個階段實際工期見表1,現場照片見圖3。

表1 P70 FPSO建設里程碑及實際工期分析表

圖3 P70 FPSO現場照片Fig.3 Photo of P70 FPSO

在FPSO集成調試期間,由于甲方不斷擴大工作范圍,如增加大量防火漆施工、船體遺留工作等,同時受制于現場試壓密性工作量巨大,進度管控壓力巨大;在FPSO海上連接調試期間,受巴西新冠肺炎疫情影響,在船施工人員嚴重不足,導致海上調試進度滯后嚴重。總承包商項目團隊針對密性試驗是制約項目進度的關鍵,及時總結P67 FPSO集成階段的經驗教訓,安排人力提前進行密性包檢查和預試,同時增加人力同步進行銷尾項工作,有效提高了密性成功率和效率;針對海上現場受新冠肺炎疫情制約,項目組積極配合甲方落實各項防疫政策,與甲方和分包商通過線上日會、專題會等形式就投產前必須完成的工作清單進行詳細梳理,制定優先級,盡可能在有限的人力投入下縮短投產前調試周期;同時針對合同工作范圍持續變化以及疫情制約的情況,及時提出工期索賠,對合同里程碑計劃進行合理調整,為后續總承包商盡可能多地獲得提前投產獎勵奠定了堅實基礎。

5 結論

1)大型FPSO建造往往涉及多家設計單位、建造單位以及眾多的設備材料供應商,界面管理工作量巨大,尤其是集成總承包商,需要對各個建造單位的模塊建造進度進行跟蹤,確保各模塊建造進度滿足集成要求。

2)FPSO陸地完工狀態是油氣田能否按時投產的關鍵,是工程項目進度控制的重點,需要對其實施的各個階段、各個環節做好管理控制工作。

3)對大型FPSO建造集成的各個步驟和方法進行了詳細分析,對FPSO整體建造工期進行了研究,并與具體工程案例相比較,表明該工期評估方法具有較好的實用性,為FPSO建造工期的準確評估提供了參考和依據。

4)在FPSO實際建造過程中,存在眾多影響建造進度的制約因素,如關鍵設備到貨時間、集成方案、場地資源限制、天氣海況等,應根據項目實際情況,在理論工期的基礎上綜合考慮各方面的因素,合理安排項目工期和計劃。