FPSO单点系泊监测系统设计

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

在海上油气生产开发中，FPSO定位于某一固定的海域，进行长期的海上油气生产作业。FPSO不同于常规运输船舶的抛锚定位，它需要抵抗极限条件的环境荷载，在固定海域系泊时间从10几年到20几年不等，同时还需要与周边平台之间传输井流、电力和通信，保证一定海况下的连续安全生产。根据不同海域/海况条件，FPSO常用的系泊形式主要包括：单点系泊系统(single point mooring system)、多点伸展系泊系统(spread mooring system)和动力定位系统(dynamic positioning)，其中以单点系泊系统的应用最为普遍[1]。

单点系泊系统自20世纪40年代由美国海军开发以来，已经发展成为一种广泛使用的海上系泊油船和FPSO的定位方式，对海上油田的开发起着极为重要的作用。美国船级社(ABS)将单点系泊系统分为四大类：悬链浮筒式单点系泊系统(catenary anchor leg mooring System，CALM)、单锚腿式单点系泊系统(single anchor leg mooring，SALM)、塔架软钢臂式单点系泊系统(tower soft yoke mooring)(见图1)和转塔式单点系泊系统(turret mooring)[2](见图2)。

图1 塔架软钢臂式单点系泊系统

图2 转塔式单点系泊系统

1 我国单点系泊系统应用现状

1.1 渤海FPSO单点系泊应用现状

渤海海域海洋环境相对温和，作业平均水深为18 m，最大水深为70 m。由于水深的限制不宜采用悬链式系泊系统，目前渤海FPSO均采用软钢臂式单点系泊系统。另外渤海海域纬度较高，重冰年份90%以上海域被海冰覆盖，因此单点系泊系统设计时需考虑可解脱性能。

我国渤海使用的软钢臂式单点系泊系统有两种基本形式：水上软钢臂和水下软钢臂，其主要区别在于软钢臂和配重相对于水面的位置。水上软钢臂单点系泊系统软钢臂及系泊腿铰接点均在水面以上，不仅满足常规情况下的使用，而且便于日常维护和检修。水下软钢臂单点系泊系统采用锚链将FPSO与水下的软钢臂相连，系泊臂铰接点位于系泊腿底部，可降低单点系泊腿的弯矩，并节省钢材用量。从渤海软钢臂式单点系泊系统应用情况来看，该系统技术成熟，适用于浅水FPSO系泊作业，满足抗冰和可解脱设计要求。

1.2 南海FPSO单点系泊系统应用现状

南海已开发油田作业水深一般在90～330 m，环境条件恶劣，并且属于台风多发区域。目前南海FPSO均采用内转塔式单点系泊系统，系统可靠性高、抗风浪能力强，可设多通道旋转接头，便于维护保养。根据不同设计需求，系泊系统还设计为可解脱式和不可解脱式两种。

2 单点系泊监测系统设计

2.1 单点监测系统设计背景

单点系泊系统经过几十年的不断发展，技术趋于成熟、可靠。但随着系统服役时间的推移，单点系统/部件的退化不可避免，单点故障、事故时有发生。另外作业水深的增加和更加恶劣的环境条件，都对单点系泊技术提出了新的挑战。一项针对北海FPSO的统计资料显示，平均每5.4年就有一艘FPSO系泊系统失效，在很多事故中都出现了系统性的损坏，而且长期的故障率仍不确定[3]。我国渤海、南海也都发生过单点系泊系统故障。

案例一。“南海胜利号”FPSO单点系泊系统损坏事故。“南海胜利号”是世界上第一艘旧油船改造的台风不解脱式FPSO，单点系泊系统为内转塔形式，单点有10根系泊缆，锚链与钢缆直径均为114.3 mm(25 in)，单根缆长度约3 800 m。2006年流花11-1油田遭强台风“珍珠”正面袭击，使该油田作业的“南海胜利号”FPSO的7根系泊缆、3根柔性立管严重损坏，事故造成油田停产一年，FPSO被迫解脱、拖航并进行坞内大修。

案例二。“南海发现号”FPSO单点系泊系统损坏事故。“南海发现号”FPSO是一艘由旧油船改造成的FPSO，于1990年改造完成投产于惠州油田群，单点系泊系统采用内转塔形式。2009年惠州油田群受“巨爵”台风袭击，“南海发现号”FPSO的4根系泊缆、4条柔性立管以及3个水下基盘发生移位或损坏。

案例三。“海洋石油102”单点故障。“海洋石油102”FPSO服役于BZ28-2S油田，采用塔架式水上软刚臂单点系泊系统。2011年单点Yoke头部横摇轴承附近横向管结构与三脚架连接处被严重撕裂，横向管结构严重变形。事故造成清管球平台部分管线、阀门和仪表受损，随后油田立即停止生产，并解脱FPSO、更换受损系泊结构。

分析、总结历次单点事故可以发现，造成单点事故的主要原因如下。

1)极端恶劣海洋环境频发，甚至超过设计载荷，最终导致单点系泊系统系统性损坏。

2)对海洋环境荷载认识不足，国外设计标准在我国海域的适用性有待研究。

3)单点系泊系统、设施老化，导致系泊性能退化。

4)系泊系统管理体系不够完善，尚未形成完整的单点全寿命管理体系。

现场监测技术作为完整性管理的重要组成部分，通过连续、实时地测量目标系统工作状态，可为作业者决策提供参考依据；通过对比系统现场工作性能与设计指标，测量数据可验证系统设计优劣，并为今后的设计提供改进意见。

2.2 软钢臂式单点系泊监测系统设计

软钢臂式单点系泊系统主要应用在我国渤海浅水FPSO系泊，主要有水上软钢臂和水下软钢臂两种形式。通过总结软钢臂式单点系泊系统管理经验，分析、总结历次单点事故原因，软钢臂式单点系泊系统关键风险点见图3、4。

图3 水上软钢臂关键风险点

图4 水下软钢臂关键风险点

环境荷载和FPSO的六自由度运动是引起系泊恢复力的直接原因，从系统分析的角度出发，除了系泊系统受力和系泊关键结构的监测，还需要对FPSO的运动、位置及环境荷载等信息进行测量。水下软钢臂系泊系统采用独腿式系泊结构，结构刚度小，在外界荷载作用下易产生振动。为了掌握由上部模块振动可能引起的滑环损伤情况，还需要监测系泊腿上部模块的振动，并依此建立滑环的损伤判别模型。

1)海洋环境荷载信息测量。海洋环境荷载主要包括风荷载、流荷载和波浪荷载，在冬季还存在冰荷载影响。监测系统可通过测量环境参数信息，采用理论及数值方法计算间接得到环境荷载大小，见表1。

表1 海洋环境荷载信息测量

2)FPSO整体运动响应测量。FPSO在外界荷载作用下，会产生非常复杂的耦合运动，包括垂直面运动(横摇、纵摇和垂荡)和水平面运动(横荡、纵荡和艏摇)。垂直面内运动将引起FPSO吃水、水线面、浮心和恢复力矩的改变，若某一时刻恢复力矩难以平衡风浪流荷载引起的干扰力矩，将可能导致FPSO稳性失效。水平面内运动将引起FPSO水平位置变化，需要系泊系统提供恢复力来保持其平衡位置。

3)系泊系统受力测量。准确、实时地获得系泊系统受力，是整个单点系泊监测系统的关键。我国渤海软钢臂系泊系统在设计之初，并未考虑到系泊力监测系统。若想直接测量系统受力，需要在力的传递路径上增加力传感器，这样需要油田停产并对系泊系统进行改造，从经济、安全性上来讲此种方法都是不可取的。根据软钢臂式单点系泊系统工作基本原理，通过测量软钢臂和系泊腿位置、角度变化，即可计算得到系泊系统受力，见图5。

图5 软钢臂系泊系统力的几何关系示意

2.3 内转塔式单点系泊监测系统设计

由于FPSO需要在固定海域进行连续的作业，这就需要系泊系统保持长期的工作状态。系泊系统的设计寿命一般为20年，但是其可能承受百年一遇甚至更恶劣的极端条件，并导致系泊缆张力过大而损坏。内转塔式单点系泊系统关键风险点见图6。

图6 内转塔式单点系泊系统关键风险点

海洋环境荷载信息和FPSO整体运动响应信息也是内转塔式单点监测的重要部分，但由于系泊形式和工作原理的不同，系泊系统受力测量方法和技术也不尽相同。对于转塔式系泊系统，系泊受力测量主要有如下几种方法[4]。

1)高精度的浮体位置测量，采用数值方法计算得到系泊系统受力。

2)系泊缆角度测量，根据系泊缆角度推导得出系泊系统受力。此方法需要建立系泊系统响应模型，并根据测量的系泊缆角度确定系统整体受力。

3)系泊缆张力测量。该方法是最直接的测量方法，但由于需要在系泊缆中嵌入张力测量元件，并使之成为荷载传递路径中的一部分，因此也是风险最大的一种测量方法。

4)在转塔支撑结构上布置测量元件，通过建立的系泊-结构间传递函数，推断系泊系统受力。

内转塔单点系泊系统受力测量技术对比见表2。

表2 内转塔单点系泊系统受力测量技术对比

注：风险系数分为1～5级，其中5.0代表风险最高。

由表2可见，高精度的浮体位置测量无论从技术风险还是时间、经济性上来说，都是最优的系泊力测量方法。系泊缆角度测量虽然整体性价比也很高，但由于其测量原理的限制，仅适用于悬链式系泊系统受力测量，而不适用于张紧式系泊系统受力测量。系泊缆张力测量是最直接的测量方法，也是获得系泊缆动态张力的惟一方法。由于测力元件作为系泊缆荷载传递的组成部分，对于现役系泊系统需要将系泊缆卷起、剪断并重新连接，从技术风险和费用综合考虑都是不可接受的。

3 结束语

FPSO单点系泊监测系统通过实时测量海洋环境、FPSO运动和位置、系泊系统受力等信息，不仅可以实时反映FPSO及单点系泊系统工作状态，为作业者提供决策支持，而且还可以验证FP-

SO及附属的立管、系泊系统设计，为今后同类型设计提供改进支持。

目前海洋石油113、112等FPSO均已安装了单点系监测系统，获取了大量宝贵的现场第一手资料，为油田安全生产提供了重要的支持。

[1] 吕立功,景 勇,温宝贵,等.FPSO系泊系统设计上的考虑[J].中国造船,2005，46(增刊):348-356.

[2] ABS.Rules for Building and Classing Single Point Moorings[S].American Bureau of Shipping,1996.

[3] Floating Production System JIP FPS Mooring Integrity[R].UK:Health and Safety Executive,2006:Research Report 444.

[4] PATERSON R B,EDWARDS R Y.A conceptual study of techniques for measuring global loads on the terra nova FPSO[R].Canada:National Research Council Canada,2000:PERD/CHC Report 20-57.