FPSO系泊系统设计相关因素分析

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300452)

FPSO系泊系统设计既要具有良好的顺应性，以避免对FPSO产生过大的力，又要具有足够的刚度，以避免过大的偏移造成立管损坏。从作业模式与设计环境条件、单点和多点系泊、系泊线布置、系泊线组成、转塔位置的影响、计算状态和方法等方面说明系泊系统设计需要考虑的因素。

1 作业模式与设计环境条件

1.1 作业模式

作业模式主要有两种：解脱、拖走避风和不解脱，停产/坚持生产。作业模式的确定需要考虑极端海况条件。

1.1.1 极端海况条件

世界海域有2种极端海况条件[1]。

1)冬季风暴。冬季风暴发生在英国北海、挪威海和加拿大东部海域，通常作用的时间长、波及的区域广。但是，风速很少超过44.76 m/s，比较稳定，并可以预测。冬季风暴的设计波高大于热带气旋，因为它作用的时间比“快速移动”的热带气旋长得多。不适合采用油田停产、FPSO解脱、人员撤离的作业模式。

2)热带气旋(飓风或台风)。热带气旋与冬季风暴截然不同，它能够很快从1级(38.07 m/s左右)上升到5级(79.73 m/s左右)，具有高度不确定性。由于热带气旋的高度不确定性，要求系泊系统有较大的设计裕度，以防止超过100年一遇的海况时发生损坏。

1.1.2 解脱、拖走避风作业模式

当风暴来临时，FPSO停止作业、关井、与系泊系统解脱、拖走避风。风暴过后再回接、复产。因为多数时间环境条件良好或适中，所以这种作业模式安全、经济，尤其适用于二手油船改装的FPSO。南中国海和墨西哥湾的部分FPSO采取此种作业模式。

1.1.3 不解脱，停产/坚持生产作业模式

台风来袭时，停产、人员撤离。FPSO和系泊系统风暴自存，台风过后复产。南中国海新设计建造的FPSO大都采取这种作业模式。

尽管北海冬季风暴的作用时间长，但是比较稳定而且可以预测。即使达到甚至超过墨西哥湾飓风的量级，也不关井，坚持生产作业。

1.2 设计环境条件

DNV OS E-301规范中给出了世界典型设计环境条件，台风期间不解脱的永久性系泊，至少按100年重现期的海洋环境条件设计，其中包括浮体稳性、耐波性、总纵强度等均须满足船级社规范要求，设计要求比对常规运输油轮的设计要求高得多。解脱的移动式系泊根据需要的环境条件进行设计，设计条件相对较低。

2 单点与多点系泊

系泊系统可以分为两大类，即单点和多点。 以往大多数系泊系统都属于“被动”系统，现在已经有很多动力定位系统(DP)和系泊系统一起应用的案例。

2.1 单点

通常，FPSO是船形的，有较大的长宽比，对外力的方向很敏感，因而需要设计成具有风向标功能，使其能够随着风浪方向作360°全方位回转，始终处于迎风浪状态，从而大幅度减小风、浪、流引起的环境载荷和运动幅度。但是，单点系泊系统需要多个构造复杂、价格昂贵的机械部件，诸如大轴承、旋转接头等。对于在环境条件恶劣海域作业的船形FPSO，宜选用单点系泊系统。

2.2 多点

多根系泊线在多个不同位置的点与船体连接，使得船体不能自由转动，波向角基本保持不变。优点是构造简单，初始投资和维护费用低。如果用在海况恶劣的海域，环境力可能引起很大的船体位移和系泊载荷。多点系泊适用于对环境力的方向不太敏感或长宽比接近的FPSO，多用于半潜平台，在环境条件温和的海域，例如,西非、东南亚和巴西，船形FPSO也可以采用多点系泊。

3 系泊线布置

系泊系统最重要的组成部分是系泊线，可以通过系泊线的布置和型式选择，来获得优良的系泊特性。

3.1 系泊线布置方式

3.1.1 均布模式

一般由12根系泊线组成，按均布模式排列，系泊线之间的角度为30°。这种布置方式在“海上移动式钻井装置”(MODU)的多点系泊系统中很常见。在有多根生产立管(和电缆)的情况下，布置可能发生冲突。

3.1.2 分组不对称模式

一般由12根系泊线组成，分3组，每组4根系泊线，系泊线之间的角度通常为5°。在这种布置模式中，FPSO有两个极端方位，即“in line”——船体中心线与一组受拉系泊线同线和“in between line”——船体中心线处于两组受拉系泊线中间。分组布置模式具有下述优点：

1)安全度提高了。与均布模式比较，在1根系泊线破断的不利情况下，分组模式最大系泊线张力比均布模式约低20%，最大位移减少5%。

2)便于立管布置。组与组之间有较大的空间，可以布置数量众多的立管。

3.2 设计考虑因素

虽然在设计上系泊线对称布置最简单，但性能不是最好的，设计考虑因素如下。

1)环境力的方向性：特别是当风暴经常从某个特定的方向来袭时，采用不对称布置的系泊线来抗衡这些环境力，可能更为合理。

2)水下空间布置：海底设备和海底管线可能会影响系泊线和锚的布置。

3)立管系统：立管是系泊线布置的限制条件，必须避免立管与系泊线系统发生矛盾。

4)转塔区域的空间限制：为了获得更多的空间，系泊线分组可能更好。

4 系泊线组成

4.1 全锚链

锚链在多年海洋工程实践中表现出良好的耐久性、抗磨损能力和防止锚上拔能力。通常，用在与船或平台的连接部位，以及与锚连接的部位。

对于深水系泊，全锚链系统的重量过大，而使船舶的载重量大幅度降低，系泊系统的刚度、恢复力也大幅度降低，并要求很高的初始预张力。因此，深水系泊不采用全锚链系统。

锚链分为有档链(stud)的和无档链(studless)两种。有档链具有坚固、可靠、易于装卸的特点，常用在相对较浅的水域。但是，横档可能导致局部疲劳，如失去一个横档将会在连接处产生较高的弯曲力矩。因此，永久性系泊系统更倾向于采用无档链。

在水深小于100 m时，可以考虑采用全锚链的系泊线。

4.2 全钢缆

在等强度条件下，钢缆单位长度的重量仅为锚链的1/3～1/5。在同样预张力的情况下，能够提供较大的恢复力。随着水深增大，这个优点显得尤为重要。但是，其抗摩擦能力远不如锚链。因而，永久性系泊系统很少采用全钢缆系统。

4.3 组合式

系泊线由锚链、钢缆或合成纤维缆组合而成。在锚链-钢缆组合中，锚链与锚连接，这样做有利于防止系泊线与海底的磨损，以及防止锚上拔。通过锚链和钢缆的恰当搭配来达到：减小对预张力的要求；产生大的恢复力；提高锚的抓持力；增大抗海底磨损的能力。

组合系泊线已成为深水系泊的优选方案。在超深水(水深>1 500 m)海域，传统的锚链-钢缆组合也显得太重，并且系统的刚度低、海底占地面积大，因而不再受欢迎。 “张紧的纤维缆系泊系统”应运而生，ABS于1999年制订了相应的指南。

5 转塔位置的影响

转塔在船上的位置，对设计的影响很大。以南中国海和北海的FPSO为例，说明转塔位置选择时应考虑的问题。

5.1 转塔位置差异

1)南海西江油田。南海西江油田的FPSO(海洋石油115)，转塔距船艏20.4 m，不足船长的1/10，FPSO具有良好的风向标功能。该FPSO台风期间不解脱，人员撤离，无动力定位系统。

2)北海油田。转塔布置在距艏1/3船长处，FPSO的风向标功能几乎丧失殆尽，而不得不依靠DP协助转向[2]，导致增加设备、增加初投资、增加动力消耗和管理环节。但是，实践结果表明，系泊线张力大幅度减小，安全系数可提高15%～18%。对于北海特殊的(长时间)冬季风暴条件，FPSO不解脱，常年坚持生产，这种选择是合理的。应当强调指出，这种转塔布置不适用于台风期间关井、停产、人员撤离的管理模式，因为届时DP没有了动力来源。

5.2 设计考虑

在选择转塔位置时，应综合考虑以下因素。

1)当为船型FPSO设计转塔系泊系统时，除了考虑风向标效应外，还应考虑对立管使用寿命和系泊线张力的影响。转塔距船中越远，风向标效应越好，即使在与风、浪、流不同向情况下，也很容易转到环境力最小的方位上。转塔距船中越远，转塔处的垂向运动幅度越大。船上各部位的纵摇(pitch)运动幅度与距船中的距离成正比。这将给立管和系泊系统带来十分不利的影响。转塔在船上的相对位置，是立管和系泊线设计最重要的参数之一。

2)深海和超深海的FPSO，立管系统和系泊系统的工程投资与船体(包括结构、机、电设备)相当。减小立管、系泊系统的运动、受力，延长其使用寿命，显得十分重要。

3)完全风向标功能的FPSO比用DP协助调整方位的FPSO，具有明显的投资省，运营、维护成本低的优势。

6 计算分析状态和方法

6.1 分析状态

系泊系统一般分析下述3种状态：

1)完好状态。所有构件完好无损。

2)破损状态。1根系泊线破损或失效。

3)瞬时状态。1根系泊线破损，FPSO到达新的平衡状态之前。

6.2 分析方法

研究分析系泊系统的运动和受力涉及的主要理论有船舶流体静力、流体动力、波浪理论。目前已经开发出多个计算机软件，船级社对系泊系统的设计、建造和入级也有专门的规范标准。单点或多点系泊系统的设计计算分析方法越来越趋于成熟。单点系泊系统的运动和受力的计算分析方法主要有准静力法和准动力法两种。至于全动力法，尚处在发展阶段。

6.2.1 准静力法

由于准静力法简单易行而广泛地应用于浅水、移动式系泊系统，如原油进出口终端、钻井平台、铺管船等。渤海湾“友谊”和“明珠”FPSO，茂名原油进口终端(CALM)的系泊系统设计，采用的就是准静力法。对于深水、永久性系泊系统，这种方法仅用于初步设计阶段，不推荐用于最终设计阶段。特点如下。

1)准静力分析通常针对线性问题，在运动方程里使用了线性化了的系统刚度，即将载荷—位移静特性曲线平均位移处的刚度(切线的斜率)作为系泊系统的刚度。

2)波浪的动载荷，通过确定的船舶静位移予以考虑。

3)风力、流力和定常波浪漂移力按静力考虑，使船舶产生平均位移。将波频一阶和低频二阶波浪力产生的动位移，合理地模拟成静位移，与平均位移叠加，形成总位移。

4)不考虑流体作用于系泊线上的载荷。

5)仅考虑船上系缆点水平运动，忽略系缆点的垂向运动。

在准静力分析中，同向环境条件的假设是偏于保守的；考虑不确定因素，采用较大的安全系数；没有体现某些重要的动力特性。

6.2.2 准动力法

随着水深的增加，系泊线的质量、阻尼和流体加速度随时间变化的影响显得越来越重要，必须在设计中予以考虑。南中国海的FPSO系泊系统设计，多数采用准动力法。准动力分析比准静力分析要复杂得多，特点如下。

1)准动力分析通常针对非线性问题，在运动方程里分别使用每个水平偏移量所对应的系泊系统刚度。

2)通常采用时域分析。可以模拟波频和低频船舶受力和运动响应，而将风力和流力模拟成定常力，不考虑系泊线本身的动力特性。

3)运动方程进行时域积分。计算分析中考虑了与浮体有关的附加质量和阻尼的影响。

4)考虑流体作用于系泊线上的载荷。

5)考虑船上系缆点6个自由度的运动。通常在系泊缆平面内，考虑系缆点的垂向和水平向2个运动就足够了。

目前，有多种动力分析方法，他们之间的区别在于处理非线性的程度。

6.2.3 全动力法

对于深水和恶劣环境条件下的系泊系统，系泊线和船体之间的相互作用是不容忽视的，系泊线和流体之间相对运动引起的流体动力阻尼效应对船体的运动和受力以及系泊线载荷的影响同样是不容忽视的。因此，需要采用船体与系泊系统耦合的分析方法来综合考虑上述影响。在这种情况下，系泊线动力特性对船体运动的影响包含在时域解内，将系泊线划分为许多个“杆单元”来求解系泊线与流体的相对运动，考虑质量、阻尼和刚度的影响。

全动力分析还不很完善，在系泊线阻尼取值问题上尚存在分歧，处在发展阶段。

6.3 建议的分析方法和状态

表1 建议的分析方法和状态

7 结论

FPSO系泊系统设计首先需要根据油田开发计划、作业环境条件等，明确作业模式；进而确定设计环境条件，设计环境条件是系泊系统设计的基础；根据设计环境条件和作业区域特点(水深、允许偏移量等)，确定单点和多点系泊的选择、系泊线布置和组成、转塔位置等；确定环境载荷，船体的运动响应以及系泊系统的运动和受力，是计算分析的首要任务，永久性系泊建议采用准动力法，移动式系泊建议采用准静力法。

[1] 金晓剑.FPSO最佳实践与推荐做法[J].中国石油大学出版社,2012.

[2] 谭家翔.海上油气浮式生产装置[J].石油工业出版社,2014.