论如何提高FPSO系泊系统设计安全性

汪建平 罗晓明 景勇

（中海油能源发展采油服务公司，天津塘沽，邮编：300452）

1 引言

系泊系统应用于FPSO至今已经有30多年的历史 （第一条FPSO:1976年，壳牌石油公司的Castellon Delta），在这30多年的时间里，系泊系统的设计理念得到了快速的发展，系泊的可靠性也在不断的提高。但期间也发生了不少失效事故，其中在中国，自1995年以来，已经陆续有13条FPSO的系泊系统出现故障，因此加强系泊系统设计阶段的管理，提高设计的安全性成为业内人士的关注度焦点。

2 系泊系统设计介绍

系泊系统的设计，有很多规范标准（API RP2SK,BV NI493，ISOI9901-7，DNV POSMOOR） 都有明确规定，总结起来分如下几个步骤：

1、收集系泊位置的海洋气象数据。

2、调查收集系泊位置的岩土数据。

3、浮体结构模型的建立，定义风、浪、流的参数。

4、使用合适的软件来行系泊分析，从而获取极端响应和疲劳寿命的相关数据。

5、计算分析及模型试验。

6、根据已取得的数据，对系泊系统的各个组成部分进行设计。

当前在设计方面，许多生产方为了增加系泊系统的可靠性，要求设计方提高设计标准，以达到提高系泊系统设计安全性的目的。

3 提高设计拉力安全系数

按照BV或DNV规范，系泊系统在完整状态下（所有系泊腿都完好）设计的拉力安全系数是1.67（设计拉力除以最小破断拉力）。而在实际的设计中，很多生产者要求提高该参数以增加系泊系统的可靠性，但具体提高多少合适呢？目前比较常见的就是提高后系泊系统需要满足以下要求：

1、在百年一遇的气候条件下，系泊系统在一根系泊腿失效的情况下，系统的拉力安全系数与原来规范要求的系泊系统完整状态下的安全系数1.67相等，另外还要满足柔性立管的位移与系泊系统在原来完整状态下的位移一致。

2、系泊系统在两根系泊腿失效的情况下，拉力安全系数与原来规范要求的一根系泊腿失效情况下的拉力安全系数1.25相等，并且柔性立管的位移要与原来在一根系泊腿失效状态下Accidental Limit State（ALS）的位移一致。

如果要满足以上要求进行系泊系统设计，最直接的结果就是需要增加系统腿的数量，如将原来是3X3分布模式的系泊系统，变成3X4的分布模式。这样做的考虑是，系泊腿的维修和更换，往往需要一个很长的时间（1-2年，包括配件的采购），如果按照提高后的标准来设计，即使发生了一根系泊腿失效，拉力安全系数还是在原船级社规范要求范围内，从而使系泊系统在彻底完成修复以前，能够继续满足船级社规范的最低要求。

4 提高设计环境条件

传统上，以往大部分生产方以系泊地点百年一遇的环境条件作为设计环境条件。但实际上，随着全球气候变暖的影响下，越来越多出现的极端天气在短时间内就超越了原来意义上的百年一遇。在此情况下，也有许多生产方在新的系泊系统设计时，考虑并应用了万年一遇的环境气候条件为设计条件。

以上介绍的两种提高系泊系统可靠性的做法，虽然效果很明显，但是也有一个缺点，那就是将大大提高生产方对系泊系统的投资成本。经过有关权威设计部门统计，提高拉力安全系数设计标准后的直接投资（不包括运输和安装成本）将比按照原来设计标准的投资增加30%-60%，而提高气候标准到万年一遇的直接投资将会比原来百年一遇的投资增加20%-50%。为了更加直观的说明投资增加这一现实，现举例如下：

1、提高安全系数满足一根系泊腿失效后，安全系数是1.67的情况。FPSO位于东南亚，水深130米，单点系泊。

表1 设计标准对比

2、提高百年一遇的气候条件到万年一遇，FPSO位于大洋洲，水深170米，单点系泊。

表2 不同环境条件下的设计对比

5 系泊组件设计

现在，越来越多的混合式的系泊腿被广泛应用，它一般由系泊钢缆、系泊链、连接件等组成。

5.1 连接件的设计

设计合适的连接件将大大提高施工的效率，减少安装难度及费用。具体步骤如下：

1、连接方式的确定。

2、用3D CAD工具建立模型，检查各个需要连接的界面，总的原则就是要便于以后的安装及可靠。

3、强度及疲劳的计算和分析，数据需要备有证明文件。

4、按照规范要求，对连接件的结构加上腐蚀余量进行有限元（FEA）分析，通过有限元分析获得的应力范围柱状图以及相应的应力载荷比并结合材料的S-N曲线，最后计算出材料的具体疲劳寿命。

只有经过前期大量的计算、分析和试验，设计图纸才能最终被完成并需要通过船级社的批准。

5.2 系泊链的设计

系泊链在正常生产时，主要受到疲劳、腐蚀及磨损的衰减作用。

1、疲劳方面的影响，主要表现为在拉力及系泊链的弯曲应力作用下导致系泊链的疲劳失效。恶劣的环境条件，如长期浸泡在海水中，能加速疲劳裂纹的产生与恶化，尤其长期被拉力载荷的作用下。所以，选择合适的疲劳安全系数对系泊系统的可靠性起着极其重要的作用，具体的安全系数，各船级社都有最低要求，并根据经验的积累，也在不停的进行着更新。

2、腐蚀与磨损方面的影响，主要表现为系泊链直径的减小，所以，规范要求通过增加系泊链的直径来防止腐蚀与磨损带来的失效。而具体腐蚀余量的取得是需要通过对目标海域进行实验才能取得，因为腐蚀速率受到水质、温度、地质情况、细菌等复杂情况的影响。在设计时，一个正确腐蚀余量的选择很重要，如果选小了，将会给系泊系统带来很多潜在的风险。

5.3 系泊钢缆的设计

钢缆可以分为钢丝绳型、防扭型和防腐蚀型三种。具体性能如下：

1、钢丝绳型主要由许多钢丝形成许多股，然后朝着同一个方向围绕着钢芯旋转藏绕成绳，一般的股及每股钢丝的数量主要有 6（36）、6（42）、6（54）几种，芯及股的设计由设计强度及弯曲疲劳寿命决定，这种类型的钢缆在拉力增加的情况下扭力也增加。

2、防扭型，它的特点是随着拉力的增加，扭力不变，比较适合用于永久性系泊系统。

3、防腐蚀型，特点是所有的钢丝绳必须镀锌（镀锌的量参考ISO 2232,ASTM A856-89，等），有的还直接将锌丝藏绕进股。随着技术的发展，现在还发展成带有塑料保护皮的缆绳，这种的防腐蚀能力更强了，适用于永久性系泊系统。

具体选择哪种类型的系泊钢缆，我们首先需要明确系泊系统计划使用年限以决定防腐方式 （如图1），设计得出的最小破断力用以确定系泊缆的直径。

图1 系泊钢缆的选择

6 结语

本文介绍了FPSO系泊系统的常规设计步骤，并从提高设计拉力安全系数、提高设计环境条件及加强系泊系统组件的安全设计等方面阐述了如何提高系泊系统安全性进行了论述，期望对业界同仁有所帮助。

[1]Credric Morandini，Frank Legerstee(2009).“Consistent Integrity of Mooring System”，In Proc.Int Offshore and Polar Eng Conf.Osaka，Japan，June21-26，2009.

[2]DNV Industry AS （2003）.“Accident statistics for floating offshore units on the UK Continental Shelf 1980-2001”，for the HSE，Research Report095.