内转塔式单点系泊系统介绍

摘要：本文描述了内转塔式单点系泊系统的发展、组成和功能，探讨了内转塔式单点系泊系统设计、制造和试验中涉及的主要关键技术，最后给出了装置国产化的一些建议。

关键词：单点系泊;内转塔;FPSO;主轴承;旋转接头;密封;立管系统;水动力分析

中图分类号：U676文献标识码：A

On the Topic of Internal Turret Mooring System

LIU Shengfa

( Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 )

Abstract: This article describes the development, architecture, key components, functions and features of the Internal Turret Mooring System, probes into the key technologies related to its design, manufacture and test. Some suggestions are given at the end of this article.

Key words: SPM ITM FPSO Bearing Swivel Sealing Riser Hydrodynamics

1 概述

海洋油气装备制造业是国家战略性新兴产业的重要组成部分，是高端装备制造业的重点方向。单点系泊系统是海洋油气工程领域的关键装备之一，它主要包括两大部分，一是实现介质传输功能的浮式装置，二是实现浮体定位功能的系泊系统。其基本原理是将海洋工程结构物通过一个可360°回转的系泊点系固于海上，由于风标效应，结构物将会顺应在环境力最小的方位上；在回转的同时，介质可以在静态结构和动态结构间进行传输。

内转塔式单点系泊系统是海上FPSO系统的三大核心组成部分之一，投资（设计、制造和海上安装）约占整个FPSO系统的1／3。FPSO船体部分设计和建造技术国内已完全掌握；FPSO上部工艺处理模块国内已具有系统集成设计能力，但主要工艺处理设备均依赖进口。

2国内外发展现状

2.1国外发展现状

单点系泊系统的关键装置之一－－流体旋转接头，主要由挪威的FRAMO公司和荷兰的BRUCK公司垄断。

内转塔式单点系泊系统用多功能旋转接头已经具有多元化的产品和技术，包括集流体旋转接头、电滑环及光纤滑环于一体的旋转传输装置，其中与单点系泊系统旋转接头配套厂家以德国的MOOG为典型；产品涵盖范围广、技术成熟，国际上大多单点系泊系统旋转传输装置均是从MOOG进行配套。

2.2国内发展现状

国内对单点系泊系统相关的技术已经进行了多年的研究，但其中专门针对内转塔式单点系泊系统的研究非常少，尤其是面向LNG-FPSO和LNG-FSRU的内转塔式单点系泊系统的研究基本没有开展。

广州船舶及海洋工程设计研究院自1984年开始从事近海工程的研究和设计，长期对单点系泊系统和旋转接头技术进行资料跟踪、收集、研究和设计。1986~1992年间，成功研制了SS-800型液体旋转接头，并制作了样机进行了台架试验，通过了鉴定及CCS（中国船级社）的认可。该成果于1994年获中华人民共和国国家科学技术委员会颁发的国家科技成果证书。SS-800型液体旋转接头的研制成功填补了我国海上油田开发设备的一项空白。但是样机在高压15 MPa时遇到困难，且通道数仅为2个液体通道，所以离实际应用存在较大距离。2006~2007年，受中海油（中国）有限公司的委托，我院又完成了也是用于近海油田开发的“单点系泊系统流体旋转接头专题研究”项目，设计了与SS-800型密封形式完全不同的、具有3通道的SS-1200型流体旋转接头，并顺利通过中海油公司的验收。但由于经费等原因，未能走到样机试制阶段。

2012年，在国家工信部和中船集团公司的支持下，广州船院承担了工信部“悬链腿式单点系泊装置研制”项目，目前该项目正在研发中。

近几年来，国内已有大连重工起重、大连中远等单位开始了单点系泊装置的研究工作，有利于国家整体研发能力的提高。

3内转塔式单点系泊系统功能和组成

3.1 内转塔式单点系泊系统的组成和功能

内转塔式单点系泊系统按解脱方式可分为永久式和可解脱式，早期内转塔多为永久式，现在越来越多采用可解脱式，尤其是在可能遭遇恶劣海况的海域。

内转塔式单点系泊系统包括几大部分：大型浮体（如FPSO）、内转塔系统、锚泊系统和立管系统（见图1）。对FPSO内转塔式单点系泊系统而言，其主要完成3个功能：

（1）通过锚泊系统保持FPSO在特点区域，并允许FPSO围绕单点旋转，以顺应环境载荷（风标效应）；

（2）流体从立管通过内转塔系统传输到FPSO上进行工艺处理；

（3）传输电力、液压以及其它介质和信号。

内转塔式单点系泊系统主要应用在FPSO、LNG－FPSO和LNG－FSRU系统中。

3.2内转塔系统组成

典型的内转塔系统包含四个主要部分：

转塔（T）――主要包括转塔轴，转塔腔体， 主轴承和下部轴承；

流体传输系统（FTS）－－主要指多通道旋转接头和管路系统，位于转塔上部，并通过转塔传递系统（TTS）来连接；

转塔传递系统（TTS）－－ 主要指中间管汇和转台，转台可围绕转塔旋转，TTS连接转塔和FTS；

接口系统（IS）－－主要包括系链浮筒、系泊缆、挠性立管，以及旋转接头检视平台结构和其它辅助设备。

常见的单点系泊内转塔结构型式见图1。

4内转塔式单点系泊系统涉及的关键技术

4.1内转塔式单点系泊系统总体设计

总体设计是内转塔式单点系泊系统设计要综合几方面考虑的问题。

（1）油气田海域情况，包括海域位置、水文与气象条件、地质条件等，这通常需要委托专门的海洋气象与地质调查局（研究院）来进行，获得专业环境条件数据和土工数据，为锚泊系统的设计和水动力分析提供设计输入。

（2）油气品质，包括密度、API重度、粘度、含蜡量、凝点、K值、含硫量、含水量、压力、温度等，这些数据将由业主委托专门的公司进行分析提交给设计方，为流体输送系统（FTS）的设计提供基础数据。

（3）FPSO的功能和工艺要求，包括FPSO主尺度、排水量、油气存储量、生产量、服务油气井的数量、注水要求、注气要求、供电要求、通信要求、控制要求等，为工艺系统设计尤其是旋转接头的设计提供依据，如流体旋转接头的类型，流体通道的数量，流体通道的直径，流体通道介质压力和温度，电滑环的数量、额度电流和电压，控制信号、光纤信号滑环的数量和规格，以及公用旋转接头（如化学药剂、仪表气、氮气和蒸汽等）的数量和规格等。

（4）内转塔的大小，主要取决于以下几个因素：船宽的限制、多通道旋转接头大小的限制、滚柱轴承直径（制造能力）的限制、滚柱轴承承载力（制造能力）的限制、筒下立管和脐带数量的限制等。

（5）内转塔式单点系泊系统布置，根据其功能要求和使用要求，确定内转塔式单点系泊系统的结构类型，确定转塔、转塔传递系统（TTS）、流体传输系统（FTS）和接口系统（IS）的结构型式和布置，以及转塔系统各类辅助装置的设计、选型和布置等。

4.2与船体的匹配设计

主要包括内转塔式单点系泊系统与FPSO船体之间的匹配设计、结构形式和结构强度、加工精度和装配精度要求等的确定。

FPSO船体与系链浮筒的接口也就是这个转塔腔体，转塔腔体的设计就是匹配设计的关键。

4.3主轴承和下部轴承

主轴承是实现单点系泊风标效应的重要部件，由于其尺度较大（直径约4 m～20 m），所受荷载也较大，又处于海上恶劣环境条件下，所以轴承选型设计时必须充分考虑其受力特点、耐磨性、密封和防腐等方面的要求。同时，轴承部件的端面跳动、定环和动环的圆度、同心度、轴承间隙，以及上下轴承的同轴度等因素均至关重要，处理不好就容易产生不平衡载荷和疲劳载荷，导致轴承迅速损坏。顶部的主轴承是关键承载部件，宜采用三排滚柱轴承以承受轴向和径向载荷。下部轴承受力相对较小，可采用径向轴承以承受径向载荷，安装时确保与转塔轴线对中。

4.4锚泊系统设计与水动力分析

（1）锚泊系统设计

锚泊系统的设计首先是筛选系泊方案，再根据水动力计算分析不断优化，在获得较好结果的情况下通过水池模拟验证方案的合理性。

锚泊系统对FPSO而言是一个单点系泊系统，而对于转塔底部的浮筒而言则相当于一个悬链腿式系泊系统。

（2）水动力分析

单点系泊系统是一个强非线性系统，涉及到环境条件的非线性、结构非线性和和系泊线材料的非线性等，而风浪流还具有非定常性。早期分析通常采用准静力分析，后逐渐采用频域动态分析，现已广泛采用时域动态分析。系泊系统本身的主要作用是将浮体运动限制在一定范围内，但同时为保证系泊系统本身的强度，又不宜产生过大的约束力。最小运动与最小系泊力是矛盾的要求，因此系泊系统的设计和分析就在于选择最适宜的系泊刚度。实际工程设计时，通常借助于比较成熟的商用软件来对系泊系统进行仿真。常用的分析软件有AQWA、Orcaflex、HydroStar－Ariane3D、SESAM等。

单点系泊系统在风、浪、流环境条件下，作用在系泊系统上的载荷，按其随时间变化的不同特点可划分为：①数值恒定的平均载荷；②缓慢变化的低频载荷；③以波浪频率变化的高频载荷（一阶力）。平均载荷使海洋结构物具有一个平衡位置，结构物将围绕这一平衡位置做振荡运动。低频载荷是不规则波引起的二阶漂力，它与一阶力相比，通常具有较小的数量级，但因其变化频率接近系泊系统的固有频率，容易使结构物发生慢漂振荡，这是系泊系统中的主要问题。

4.5旋转接头装置的设计、制造和试验

高压多通道流体旋转接头是内转塔式单点系泊系统中最核心的部件，其设计主要包括旋转接头总体设计、旋转接头本体材料的选择、旋转接头密封结构设计和密封件设计、旋转接头回转轴承选型设计等。

4.5.1旋转接头总体设计

旋转接头装置往往处于风、浪、流、潮水等交替作用之下，必须具有更高的安全性；由于海上设施离岸维修条件差、检修周期长，因此要求旋转接头装置性能可靠、经久耐用；旋转接头装置常处于潮湿盐雾环境中，海水和大气腐蚀问题严重，旋转接头装置应具有较高的耐腐蚀性；旋转接头装置除了满足介质传输功能外，还要保证不能因旋转接头的动密封失效而导致泄漏，否则将造成极其严重的后果。旋转接头在旋转的同时要进行油品输送，这要求大直径动态不规则缓慢回转密封技术要可靠，密封副材料配对合理。而与密封件组成密封副的重要部位，要求比本体材料更高的性能, 它应该具有很好的抗磨性和耐腐蚀性, 以保证旋转接头在作业过程中不因摩擦面局部损坏而导致密封失效。因此要寻求先进的合适的表面处理技术，对本体材料进行表面强化处理，改变其表面化学成分，组织结构，以获得工件所需的表面物理和力学性能，提高使用寿命。同时，基座面、安装面、密封配合面等须确保足够的加工精度，满足粗糙度、圆度、同轴度、垂直度和综合平面跳动度等要求。

4.5.2旋转接头结构型式设计

旋转接头装置有多种型式，其总的结构形式取决于油田生产设施对旋转接头的功能要求，如传输介质、流体压力、温度、流量、通道类型、通道数量等。

旋转接头的形式可以多种多样，不同的结构形式各有其优缺点，需要根据客户需求、应用场合、制造加工条件、经济性等进行综合考虑。

4.5.3旋转接头本体材料选择

本体材料的选择，既要考虑其耐油介质腐蚀、耐海水腐蚀，还要考虑其耐压等级和结构强度。对于天然气传输、高压介质传输等较高端的应用（如CFD11油田的旋转接头），往往采用双相不锈钢材料和锻造工艺，因其具有较高的机械性能、较好的延展性、耐低温特性和耐麻点腐蚀性能等，但显然具有较高的制造成本。对于原油传输应用（如BZ25-1油田的旋转接头），可考虑多采用碳钢材料和铸造工艺，铸造时加铝颗粒或铌元素进行晶粒细化，同时注意克服铸造缺陷；在内腔表面尤其是与密封接触的摩擦面上进行特殊表面处理，如堆焊一层625镍铬钢，既能保证较好的耐高温、耐腐蚀性和较高的耐磨性，又具有较好的经济性。但要确保堆焊层的焊接强度、堆焊层厚度的均匀性以及焊后热处理工艺的合理性，通常要进行样品焊接工艺试验。

4.5.4旋转接头回转轴承选型

轴承也是整个旋转接头最重要的部件之一，用以连接旋转接头的内外环，是实现单点系泊风标效应的功能部件之一。它不同于系泊主轴承，并不承受巨大的系泊力。为了保持旋转接头内外环严格的同轴度，以保证旋转接头流体流动的安全性和工作寿命，轴承必须有足够的加工精度和装配精度，径向和轴向间隙应能达到总体设计技术要求。根据其要承受垂向力和倾覆力矩的特点一般选用三排滚柱轴承或圆锥向心轴承。

4.5.5旋转接头密封件

密封件是整个旋转接头最重要的部件之一，它对旋转接头的可靠性、耐久性和安全性具有关键性的影响，也是国内外旋转接头研制方面最主要的差距所在。旋转接头密封材料的主要要求是：在工作介质中有良好的稳定性，即不易膨胀及收缩、难溶解、软化和硬化；在工作介质中压缩恢复性大，永久变形小；有适当的机械强度和硬度，受工作介质影响后，其变化小；耐热性、耐寒性及吸振性能好；耐磨性好，摩擦系数小；耐老化性好；密封件材料还必须与密封配合面相“配对”，并经过大量试验确保其可靠性。

常用的密封件材料主要有橡胶改性材料和聚四氟乙烯改性材料。

4.5.6旋转接头密封系统布置

为了保证密封的可靠性，旋转接头必须采用多道密封。按由内到外的顺序，整个油气通道密封系统通常包括：第一道油气密封、第二道油气密封、防水／防尘密封三部分。

4.6立管系统设计

立管系统是内转塔式单点系泊系统的重要组成部分，也是一项关键技术。对于深海油气田开发，海洋立管以其全新的形式、动态的特性、以及高技术含量变得格外引人注目。适用于FPSO内转塔式单点系泊系统的立管主要包括钢悬链立管（SCR）、柔性立管（FR）和塔式立管（HTR）或它们的组合。

为了解决深水立管技术需要一个新型的工业立管设计标准。第一个立管设计标准是API RP 2RD 1998，然后是挪威船级社OS F2012001。这两个立管的规范从原理上不尽相同，美国石油协会的RP 2RD 是基于许用应力方法，而挪威船级社的OS F201 是基于可靠性分析的荷载抗力系数法(LFRD) 。

立管系统设计分析主要包括:

（1）确定立管系统设计的基础文件；

（2）立管系统的选型与总体设计；

（3）管线材料选取及壁厚设计；

（4）立管系统的总体水动力特性分析。

4.7 内转塔式单点系泊系统海上安装与试验

4.7.1海上安装

主要包括内转塔式单点系泊系统的海底锚固安装、锚链系统安装以及链台浮筒的海上对接安装和解脱等。

内转塔式单点系泊系统的海上安装，必须首先制订总安装流程，然后制订各组成系统，如系锚点的的安装流程，系泊线（锚腿）安装流程，浮筒安装流程，挠性立管安装、连接流程，海底电缆铺设、连接流程，FPSO回接流程，以及试验和试运行流程等，成功后交付使用。

4.7.2内转塔关键部件功能试验

主要试验包括转塔与旋转接头的旋转试验，以便评估转塔和旋转接头的作用还有FPSO回接后压力试验等。

所有管子在连接到相关设备之前还须进行静压试验，保持时间不低于设计要求。

5关于单点系泊装置国产化

目前，国家已经出台了政策，促进自主创新成果的产业化，包括政府加大投入力度、通过无偿资助、贷款贴息、补助（引导）资金、保费补贴和创业风险投资等方式，加大对自主创新成果产业化的支持。但在海洋工程高风险、高技术行业要推动关键装备国产化，扶持力度需要更大一些，引导、鼓励国内用户采用国产化装备的政策和措施更具体一些，以达到加快研发成果的产业化和技术进步，早日赶上国际先进水平。

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作者简介：刘生法（1963-），研究员级高级工程师。主要从事海洋工程设计研究工作。

收稿日期：2014-04-18