内转塔式单点系泊系统设计方法研究

白雪平，李 达，范 模，易 丛，邹 星

(中海油研究总院，北京 100027)

随着国内海洋事业的不断发展，海洋开发逐渐转向东海和南中国海海域，FPSO 作为海上油气田的主要生产设施，对海上油田开采起着至关重要的作用。根据不同的海域和海况条件，目前世界上的FPSO 主要采用以下三种定位方式:单点系泊系统、多点系泊系统以及动力定位系统。在世界上环境条件最恶劣的三大海域(北海、墨西哥湾和南中国海)，几乎所有的FPSO 都配置内转塔式单点系泊系统。虽然南中国海由于风浪流等环境参数极为恶劣，环境条件的方向性不明显，但内转塔式单点系泊系统在南中国海具有多年安全生产的经验，因此其成为了南中国海FPSO 定位的最佳选择。内转塔式单点系泊系统承担着FPSO 定位、油气水生产及信号传输功能，并使FPSO 具有了风向标效应，这样FPSO 能够随着风浪流进行360°回转，且在各种风浪流作用下FPSO 的受力最小［1］。

图1 恩平24-2 油田主要工程设施Fig.1 The main engineering facility of Enping 24-2 oilfield

以恩平24-2 油田FPSO 单点系泊系统为例，介绍内转塔式单点系泊系统的设计方法，为今后南中国海内转塔式单点系泊系统设计提供一定的借鉴。恩平24-2 油田位于南中国海珠江口盆地北部坳陷带西南缘恩平凹陷南部，在地理上属于南中国海北部大陆架，油田所在海域水深约90 m。根据恩平24-2 油田开发的需要，其主要工程设施确定为:1 座8 腿钻采平台，设计年限25年;1 艘15 万吨级FPSO 及1 套单点系泊系统，设计年限30年;1 条2.2 km 海底混输软管，动态段与静态段靠水下基盘连接，设计年限25年;1 条2.2 km 海底复合电缆，设计年限25年(如图1 所示)。

1 单点系泊系统总体规划

1.1 单点的选型

单点系泊系统设计和FPSO 船体设计是一个相互配合的过程，单点系泊系统的总体布置和重量直接影响着FPSO 船体甲板布置和船体性能，同时船体的性能又影响着单点系泊缆的受力。目前，单点设计均由单点公司承担，且由于专利件较多，其核心技术仍为单点公司所垄断。从以往中海油新建FPSO 的实际情况来看，一般都在基本设计阶段后期才开始启动单点招标工作，而此时船体已经进行到基本设计，这样给船体设计带来一定的障碍，因此在基本设计阶段甚至更早(概念设计)开展单点初步设计显得尤为重要。恩平24-2油田开发项目在基本设计阶段开展了单点的初步设计，这是中海油建造FPSO 项目中首次在基本设计阶段开展相关工作。

恩平24-2 FPSO 所在区域水深为87.1 m，其具备油气水生产处理、原油储存和外输、电力供应等功能，船体主要设计参数如表1 所示。

表1 恩平24-2 FPSO 船体主要设计参数Tab.1 The main design parameters of the EP24-2 FPSO 参数

南中国海共有9 艘FPSO，均为内转塔式单点系泊系统，其中有4 艘新建FPSO 为内转塔式永久单点系泊系统，台风期间FPSO 不解脱，但关井、停产、人员撤离。由于其具备在南中国海操作维护经验丰富、适应极端海况能力强、通道数量限制低等优势，确定为恩平24-2 FPSO 的单点系泊型式［2-3］。众所周知，南中国海属于台风频发区，FPSO 频繁地解脱和回接必然带来油田长时间的停产和高昂的回接费用，为了应对南中国海紧急状况和维修的需要，内转塔式单点应尽量设计成具有解脱功能:解脱程序为人工操作，保证24 小时内解脱，因此，针对南中国海恶劣的环境条件，具有解脱功能的内转塔式永久系泊系统是最适宜南中国海FPSO的单点形式［4］，它既能抵抗南中国海恶劣的环境条件，又能在突发或者维修情况下能快速解脱，同时也是恩平24-2 油田兼顾经济性、技术可行性和安全性的最佳选择。

根据恩平24-2 油田开发方案，兼顾区域开发的潜在需求，进一步完善了单点的功能:根据FPSO 的处理能力，以及周边油田的输送需求，单点液体滑环数量确定为1 用2 备;根据FPSO 上最大的电力输送能力，35kV 高压电滑环确定为1 用1 备;根据平台与FPSO 间通讯要求，通讯滑环确定为1 套，含36 路信号;根据油田生产安全和海域基础资料搜集的需求，设置1 套在线监测系统，监测风浪流环境条件、FPSO 运动轨迹以及单点系泊缆的受力，为生产维护提供指导，为以后项目积累原始数据。

1.2 单点总体布置

根据单点厂家的不同，南中国海FPSO 的滑环模块有两种布置:一是布置在船体甲板上(SBM/SOFEC/BLUEWATER 公司);二是布置在船舱内(APL 公司)。对于布置在船体甲板上的滑环模块，由于维修和操作在露天进行，便于维修和操作，但占用空间较大，甲板布置紧张，且容易受风浪影响;而布置在船舱内的滑环模块由于操作空间相对封闭，不利于安全，但能节省空间，有利于甲板布置，且易于建造和安装。在恩平24-2 FPSO 初步设计阶段，考虑易于检验、维护、维修，以及FPSO 有富裕的甲板面积，因此推荐将滑环模块布置在艏楼甲板上。

根据恩平24-2 单点初步研究成果，内转塔永久式单点系泊系统由单点浮筒、分离器、转塔结构、立管甲板、收球甲板、滑环模块和龙门结构组成(如图2 和图3 所示)，系泊缆、立管和电缆在安装时预先连接固定在浮筒上。单点舱月池直径约9 m，滑环模块布置在甲板上，浮筒、分离器和转塔结构位于船体单点舱内。由于系泊缆、立管和电缆自重较大，使得浮筒直径较大，为10.5 m;单点浮筒自重为402 t，净浮力约350 t;浮筒与上部结构的锁紧结构为常规设计的铸造件。系泊缆布置和锚链拖拉布置确定了内转塔尺寸，初步设计阶段规划出内转塔直径为7 m;由于较大的系泊荷载，内转塔安装精度非常重要，需要配置较大的滚珠轴承(直径为7.8 m);此外单点舱、船体甲板处主轴承和下部轴承处均需要加强。

图2 单点组成Fig.2 Combination of single point system

图3 单点总体布置示意Fig.3 General arrangement of single point system

1.3 单点解脱和回接

内转塔式系泊系统一般可以分为永久式系泊系统和可解脱式系泊系统，这两种单点系泊系统在南中国海都应用很成功，近几年由于技术可行且油田生产效率高，永久式单点系泊系统被大量采用;可解脱式系泊系统需要匹配可自航FPSO，每年仅使用几次航行，FPSO 投资大，效能低。恩平24-2 FPSO 采用带解脱装置的永久式系泊系统，主要考虑是:一旦环境条件超过设计工况后，也能解脱;二是FPSO 需要解脱进坞维修后再连接时，各系泊缆无需再进行一次海上连接，通过锚机提拉浮筒而实现整体连接，在较短时间内完成海上解脱和回接工作，从而缩短了油田的停产时间。它与传统意义上可解脱式单点系泊系统有些区别，不需要采用快速解脱装置;它的不足之处是投资大，使用机会少。

综合考虑到南中国海海域环境条件和工程船的操作限制，单点的解脱和回接限制环境条件为:有义波高2 m，1 分钟平均风速10 m/s，表层流速为0.5 m/s。针对恩平24-2 单点浮筒，采用Orcaflex 软件进行动态分析，从图4 所示的分析结果发现:浮筒位于水面以下15 m 处，单点浮筒所需要的绞车力达到最大为530 t，同时由于FPSO 的偏移大大影响了锚机的能力，因此建议解脱和回接时FPSO 的最小吃水应为15 m，以减少绞车力，并尽量使浮筒与FPSO 之间的相对距离最小。单点浮筒解脱时，浮筒内充入压载水，系泊缆、立管和电缆将连接在浮筒转盘上，考虑到结构的自身重力和浮力作用，从图5 中显示浮筒位于水面以下40 m 处达到平衡，而且单点浮筒从水面以下15 m 解脱至40 m 处所需时间约为15 s。

图4 不同浪向下系泊绞车最大张力Fig.4 Winch dynamic tension in different wave headings

图5 浮筒解脱后的轨迹图Fig.5 Dropped buoy orbit

2 单点系泊系统设计方法研究

2.1 单点系泊系统设计方法

从南中国海多条FPSO 的单点故障中不难发现，单点系泊系统的主要破坏形式是系泊缆的破环，而究其主要原因则是原有单点系泊系统的设计缺陷和恶劣海况的频发。因此，设计阶段需结合目标海域海况特点，采用最优的设计方法来进行系泊系统评估。

针对恩平24-2 油田的特性，单点系泊系统设计难点在于:

1)采用500年一遇环境条件设计。由于最近几年南中国海FPSO 频发的单点事故及恶劣海况时有发生，甚至会出现超过百年一遇的极端环境条件。按照500年一遇的极端环境条件，即有义波高Hs为14.2 m，流速2.3 m/s，风速58 m/s，可以使新建FPSO 适应南中国海不同区域恶劣海况的要求，有效降低恶劣海况下FPSO 安全事故发生的可能性，但FPSO 将经受较强的波流耦合作用，波浪慢漂力将会很大，将会使得系泊缆的尺寸增大。

2)安装海域水深浅。恩平24-2 油田水深只有87.1 m，加上500年一遇的恶劣环境条件，系泊系统设计时必须考虑浅水的影响，这样恩平单点系泊系统就成为最难设计的系泊系统:悬链线效应将无法发挥其长处，在FPSO 运动的作用下，悬链线将会迅速全部拉紧，拉力将成指数增长。

3)由于单点具有解脱功能，因此系泊系统设计还需考虑解脱和回接工况的各种要求。

各个系泊系统设计规范［5］都对设计方法进行了相关的规定，对于采用动力分析方法的安全系数，各规范规定几乎一致，对于完整状态的安全系数须不小于1.67，破损状态安全系数不小于1.25。恩平24-2 内转塔式单点系泊分析初步设计阶段采用了准动力分析方法，使用时域和频域综合分析的方法求得计算结果，系泊缆的张力是按导缆孔处的准静力响应而得到，此方法对于浅水系泊系统具有足够的精度，在南中国海FPSO系泊系统设计中得到了较好的应用，但恩平24-2 海域单点系泊系统分析需考虑浅水和五百年一遇的恶劣环境条件，对于系泊缆的张力，需进行动力放大得到系泊缆的动力响应结果。此外，在系泊缆张力满足规范所要求的最小安全系数的前提下，应尽量减少FPSO 的位移，降低动态立管和电缆的设计难度。

2.2 系泊系统总体布置

对于内转塔式系泊系统，系泊缆的布置可以采用两种模式:分组模式和均布系泊模式。这两种形式的布置方式在南中国海FPSO 上均有使用，但相关研究结果表明:分组式系泊的最大张力比均布式系泊小20%;分组式系泊的FPSO 在恶劣环境下的最大偏移量比均布式小5%，因此分组式系泊模式有更多的冗余防止系泊失效。另外，采用分组式系泊，组与组之间有较大的空间来布置立管和电缆。

由于南中国海台风的方向性是多变的，它会以意想不到的方向到达FPSO 所在海域，这将导致均布式系泊系统不再满足设计要求而损坏，因此恩平24-2 系泊系统设计综合考虑极端环境条件、立管和电缆布置的需要、海上安装工程量等因素，采用3 组×4 根系泊缆布置(如图6 和图7 所示)，组与组之间的夹角是120°。

图6 系泊系统总体布置Fig.6 General arrangement of mooring system

图7 单点系泊系统立体图Fig.7 Effect drawing of mooring system

2.3 系泊缆设计

系泊缆的组成取决于环境条件和水深，其有两种组合形式:①锚链和钢缆;②锚链和合成纤维缆。聚酯缆是目前在工程中使用最多的合成纤维缆，根据研究结果表明，对于深水、环境条件恶劣的系泊系统，锚链和聚酯缆组合的系泊缆是最经济的，聚酯缆的优越性将随着水深的增加而增加。由于恩平24-2 FPSO 属于浅水永久系泊，系泊缆需长久与海底接触，而聚酯缆具有拉力特性，且容易产生蠕变，对浅水系泊的整体性是不利的，因此恩平24-2 单点采用锚链和钢缆组合的系泊缆，既能降低系泊缆重量，提高系泊性能，又能在一定程度上减少工程投资。

由于系泊缆的长度与水深、FPSO 吨位、环境条件、系泊缆的构造和锚的形式有密切关系，因此也是系泊分析一个优化的技术指标。恩平24-2 单点系泊系统属于浅水系泊，系泊缆自身几何变形引起悬链线形状的变化是有限的，此外为了防止在锚点处产生上拔力，因此需要足够长的系泊缆，以使部分系泊缆卧地来补偿FPSO 的运动，降低系泊缆的动载荷。锚链由于其重量大，恢复力大，耐摩擦，且与FPSO 相连一端需使用止链器，所以考虑在系泊缆的两端采用锚链。钢缆由于其重量轻且价格便宜，工程应用较广，而对于悬链线部分，采用钢缆，尤其在FPSO 解脱时，将减少系泊缆的重量，但是钢缆不耐磨，加上浅水，钢缆的使用就有其局限性，另外也将带来系泊系统额外的复杂性和安装难度，因此系泊缆悬链线部分不考虑使用钢缆，只在卧地缆部分考虑钢缆。对于卧地部分的钢缆，即使在大风暴情况下，可能会从海底拉起，但此时系泊缆处于几乎拉直状态，触地点处的钢缆弯曲将会很小。综合考虑锚链和钢缆的特性，因此恩平24-2 单点系泊缆采用锚链—钢缆—锚链的组合，根据设计成果得知，除了702 m 卧底钢缆外，其他均为锚链，半径1 200 m(如图8 所示)。

在系泊分析时系泊锚链(系泊钢缆由于有保护套，不考虑腐蚀裕量)破断强度要根据相应设计年限的腐蚀裕量进行折减，在腐蚀裕量的考虑上，不同规范有不同的要求。事实上，根据南中国海操作维护经验，锚链腐蚀问题并不严重。综合规范规定、南中国海使用经验等因素，确定了锚链腐蚀裕量按照0.3 mm/a 设计，并根据要求定期检测，腐蚀达到更换条件时及时更换。

图8 系泊缆的组成Fig.8 Combination of mooring line

系泊系统刚度决定了系泊缆受力和船体的偏移，刚度太大，会产生更大的系泊力;刚度太小，浮体运动剧烈，因此刚度要适中，且刚度曲线应尽可能平滑，图9 为恩平24-2 FPSO 满载工况下的系泊系统刚度曲线。由于浅水恶劣环境条件下，波流耦合作用将带来较大的慢漂运动，这样系泊缆张力将会很大。为了增加单点系泊系统的恢复力，降低FPSO 的偏移和系泊缆受力，防止锚点处的上拔力，需对系泊缆进行适当增加配重，可增加卧地缆重量，缩短卧地缆的长度。通过对单位长度配重块重量的敏感性分析，得出随着单位长度重量的增加，FPSO 的偏移量减小，而在系泊缆完整状态下系泊缆的平均受力有所增加，极限张力却有所下降，综合考虑系泊缆的受力和FPSO 的偏移，初步设计阶段考虑单位长度配重块重量为1.3 t。根据单点系泊系统分析方法，系泊系统分析结果如表2 所示，安全系数满足规范要求［6］，FPSO 的偏移量满足动态立管和电缆的设计要求。对于配重块的结构设计，如果设计不当很容易导致在未来的使用过程中脱落，从而降低系泊系统的能力，从南中国海单点故障中不难发现，FPSO 存在配重块丢失的现象，因此配重块连接形式的选择就变得尤为重要。恩平24-2 单点初步设计阶段，考虑配重块制造能力和系泊缆组成，选用的配重块形式如图10 所示。

表2 恩平24-2 单点系泊系统分析结果Tab.2 Results of EP24-2 mooring system

图9 满载工况下系泊系统刚度曲线Fig.9 Stiffness curve of mooring system in the full condition

图10 配重块形式Fig.10 The shape of weight

恩平24-2 系泊缆的设计年限为30年，因此系泊缆需长时间经受南中国海恶劣环境条件的考验，系泊缆的疲劳问题也将发生，而系泊缆的疲劳寿命基本上与设计年限成正比，过大的设计年限将导致系泊系统材质选择困难，从而增大系泊缆投资。系泊系统的疲劳分析一般采用T-N 曲线方法，且应该考虑所有设计工况对疲劳损伤影响明显的荷载。针对恩平24-2 FPSO 具有单点系泊的船体，应考虑风向标效应，进行浪向分析，以计入慢漂和波浪偏离船艏的影响;考虑环境参数的概率分布，以反映实际场址以及系泊条件的影响。在分析时需结合目标海域各方向下的波浪超越概率和风浪流的概率分布进行全方位的筛选［7］。根据本文的研究，得出恩平24-2 系泊系统最小疲劳寿命为467.5 a，满足规范要求。从南中国海系泊缆疲劳破坏原因中发现，过去的系泊系统中靠近海底段的系缆端部未安装限弯接头，导致靠近海底的系泊缆重复性与海底碰撞造成磨损，加速锈蚀，易于产生疲劳损伤。为避免类似情况的发生，在恩平24-2 单点初步设计阶段，考虑在系泊缆靠近海底的端部安装限弯接头，提高关键节点的疲劳寿命。此外适当优化确定系泊钢缆长度避免出现钢缆常在海底附近上下运动，并且在系泊钢缆外部加装抗磨损性能良好的塑料护套，以改善系泊系统设计，延缓系泊缆的损耗速度。

锚的设计需要根据锚点处的土壤条件和水深来决定，根据南中国海FPSO 多年的操作经验和安全性来考虑，桩锚具有技术成熟、中海油有实际建造安装经验等优势，桩锚作为设计方案首选，且桩锚能承受很大的抗拔力和抗侧移力，随着时间的推移它也非常牢固［8］。综合系泊缆处的受力和地质条件，选择桩锚直径约200 cm(60 寸)，入泥深度为39 m，单根桩重约44 t［9］。

2.4 动态立管和电缆设计

考虑到动态立管和电缆不是用于FPSO 的定位，因此动态立管和电缆只需满足规范最低要求的百年一遇极端环境条件即可。针对动态立管和电缆的评估，同样存在着恶劣环境条件和浅水所带来的设计难题，同时立管和电缆的设计还受着FPSO 偏移的影响。此外，立管和电缆在任何恶劣环境条件下都不能和海底及系泊缆碰撞，因此动态立管和电缆的设计形式，在初步设计阶段主要是从技术可行性、性能、费用和安装等方面进行选择:悬链线、Lazy Wave、Steep S 形式从技术上不可行，原因是悬链线形式不能适应FPSO 在浅水中较大的偏移和运动;Lazy Wave 形式在横向上没有足够的约束，在大波流作用下，触地点附近将产生较大的弯曲;Steep S 形式需布置中水浮筒和立管基盘来降低形状的复杂性和高费用，并且在浮筒解脱后立管和电缆有触底的可能。因此，动态立管和电缆的形式只能从Steep Wave 和Lazy S 中选择，如表3 所示。

表3 Steep Wave 和Lazy S 形式比选Tab.3 Comparative results between Steep Wave and Lazy S

综合考虑技术可靠性、复杂性、安装和维修，采用带浮子的Steep Wave 形式可以保证动态立管和电缆的弯曲半径符合设计要求［10］，并不出现触底现象，适合浅水恶劣海况下动态立管和电缆的设计。

3 结 语

以恩平24-2 油田开发工程FPSO 内转塔式单点系泊系统为例，提出了内转塔式单点总体布置方案以及设计方法，指出了浅水系泊、动态立管和电缆的设计难点，得出如下的结论与建议:

1)南中国海作为世界上环境条件恶劣的三大海域之一，是台风多发区，对FPSO 的设计、建造和操作带来较大的挑战。内转塔式永久单点系泊系统由于具备在南中国海操作维护经验丰富、适应极端海况能力强、通道数量限制低等优势，确定为恩平24-2 FPSO 的单点系泊型式，同时考虑到南中国海环境条件越来越恶劣，在环境预报超过500年一遇或者突发、维修情况时，具有解脱功能的内转塔式永久单点系泊系统是最能满足中海油的需求，也是恩平24-2 单点形式的最佳选择。

2)恩平单点系泊系统初步设计阶段是由中海油首次完成，单点系泊系统采用了3 组×4 根系泊缆布置，系泊缆是由锚链—钢缆—锚链组合，系泊缆半径为1 200 m，只在卧地80 米长锚链上增加配重块以提高系泊缆的性能、采用桩锚作为系泊缆的基础、采用带浮子的Steep Wave 形式的动态立管和电缆形状。设计方案和成果，满足国内外相关规范和标准的要求。

3)由于单点设计与船体设计具有相关性，建议在船体概念设计阶段同时开展单点初步设计，这样单点初步设计成果可用于单点系泊系统、动态软管和电缆招标，并能为EPCI 提供强有力的技术支持，也能为国内单点的技术发展积累设计经验，不再受制于国外单点公司。

［1］刘生法.单点系泊系统关键技术探讨［J］.中国海洋平台，2012(27):39-43.(LIU Shengfa.On the critical technology of single point mooring system［J］.China Offshore Platform，2012(27):39-43.(in Chinese))

［2］《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程FPSO 与单点系泊系统设计［M］.北京:石油工业出版社，2007.(Offshore Oil Engineering Design Guidelines Editorial Committee.Offshore oil engineering FPSO and single point mooring system design［M］.Beijing:Petroleum Industry Press，2007.(in Chinese))

［3］金晓健.FPSO 最佳实践与推荐做法［M］.北京:中国石油大学出版社，2012.(JIN Xiaojian.The excellence application and recommended practices on FPSO［M］.Beijing:China University of Petroleum Press ，2012.(in Chinese))

［4］范模.南海浮式生产储油装置总体设计与关键技术研究［J］.中国海上油气，2013(5):69-72.(FAN Mo.The overall design and key technology study of FPSO in the South China Sea［J］.China Offshore Oil and Gas，2013(5):69-72.(in Chinese))

［5］API RP 2SK，Recommended practice for design and analysis of station keeping system for floating structures［S］.2005.

［6］DNV OS E301，Position mooring［S］.2010.

［7］DNV RP H103，Modeling and analysis of marine operations［S］.2010.

［8］薛士辉，李怀亮，胡雪峰.内转塔式单点系泊系统及安装工艺介绍［J］.中国造船，2008(49):243-250.(XUE Shihui，LI Huailiang，HU Xuefeng.Internal turret mooring system and construction technique［J］.Shipbuilding of China，2008(49):243-250.(in Chinese))

［9］API RP 2A，Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design［S］.2002.

［10］API RP 17B，Recommended practice for flexible pipe［S］.2008.