FPSO原油外输系统研究

崔宇涛 赵柯翔

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

所谓原油外输系统即是与船体原油外输硬管连接的输油终端设备，其主要负责与穿梭油轮的系泊连接及外输管线连接，是FPSO非常重要的设备之一， 一旦出现故障，会使整个海上油田的生产作业陷入停顿和瘫痪状态，从而造成巨大的经济损失。目前为止主要应用的原油外输系统包括串靠外输、旁靠外输、串旁联合式、浮筒外输、HiLoad以及海底管线运输等几种型式，本文即针对上述几种主要外输型式的应用条件进行论述，针对不同型式的外输系统配置方案进行研究。需要说明的是，海底管线运输不需配备外输系统，因此本文不作说明。HiLoad 可以用于原油外输也可用于LNG外输，但由于其对FPSO来说应用性价比极低，且未得到广泛应用，本文也不作展开。

1 原油外输系统型式选取

目前世界范围内应用的FPSO，其外形大多数为船型，少部分为圆筒型或者多边形等［1］，对于不同型式的FPSO结合工作海域及系泊方式的不同，原油外输系统的型式也需要根据其自身特点在方案确定前进行相应论证。

1.1 船型FPSO

船型FPSO是目前公认的适应性最好的型式之一，不仅体现在应用环境及永久系泊方式的良好适应性，也体现在对原油外输系统具有较好的适用性，船型FPSO几乎可以搭载所有型式的外输系统。

在西非、东南亚等热带区域，海况较好，百年一遇有义波高仅为3 m，常年主导浪向明显［2］。船型FPSO应用在这些海域，一般采用多点系泊系统，由船体首部迎浪，外输系统则设置在船体尾部，从而使穿梭油轮不至于因为环境力的作用与FPSO相撞。当然，如果主导浪向随着季节的变化出现180°变化时，也可以考虑在首部加设一套串靠外输设备，工作原理与布置在尾部时相同，串靠外输在多点系泊船型FPSO上的应用如图1所示。

图1 串靠外输在多点系泊船型FPSO上的应用

另外，在此海域也适用浮筒外输，FPSO内储存的原油通过货油泵输送到约2 km外的输油系统终端（浮筒），浮筒具备定位能力并可以安全系泊穿梭油轮，原油通过浮筒上设置的外输系统传输到穿梭油轮上，相比串靠外输，浮筒外输更安全，但由于外输距离较远、阻力大，泵的能力要求更高，如图2所示。采用多点系泊系统的FPSO假如采用旁靠外输型式，需考虑穿梭油轮与系泊腿碰撞的安全隐患。

图2 浮筒外输系统示意

应用在中国南海、墨西哥湾等没有主控方向且环境条件较为恶劣的海域的FPSO，一般采用单点系泊系统，在此环境应用的船型FPSO由于其明显的风标效应，大多数还是采用串靠尾输，在风标效应的作用下，FPSO和穿梭油轮的外输作业安全性更高，如下页图3所示。

此种系泊型式也可以采用旁靠外输的型式，如下页图4所示。但此种方式存在缺点，由于是穿梭油轮与FPSO在舷侧系在一起，而由于两者运动不同步，在风浪较大时，会发生危险，因此，选择此种外输方式时需慎重。由于此种系泊型式的FPSO位置具有不确定性，因此，此区域不适选用浮筒外输。

图3 串靠外输系统在单点系泊船型FPSO上的应用

图4 旁靠外输系统的应用

1.2 圆筒及多边型FPSO

总体来说，圆筒型FPSO对环境方向性不敏感，抵御载荷的能力优于船型FPSO，因此也更适用于环境恶劣的海域。多边形FPSO原理与圆筒型基本类似，由于其特殊的外部形状，决定了其无法使用旁靠外输，而其不具备风标效应的特点，如果采用浮筒外输，则外输管线的受力可能会较大，因此也不建议采用浮筒外输的型式。目前世界上已经应用的圆筒型FPSO大多采用串靠外输型式的外输设备，一般配备2套外输设备，2套尽量远离布置，使每套外输系统均可覆盖约180°的范围，由于其无风标效应的特点，因此，在外输过程中，尽可能选择合力较小的一侧进行外输作业，且无论合力方向如何，处于安全考虑均需配备1~2艘拖轮拉住穿梭油轮尾部，使其不至于因合力方向突然变化而导致穿梭油轮与FPSO碰撞。参见图5。

图5 圆筒FPSO外输系统布置

2 原油外输系统设备配置

2.1 串靠外输系统配置

串靠外输主要是指在外输作业时，穿梭油轮与FPSO两艘船一前一后串接在一起。串靠系泊的主要优点是系泊操作比较简单，输油过程中可以抵抗较大的风浪，外输距离较远，安全性较高。

串靠外输设备主要包括以下几个系统：

（1）穿梭油轮串靠系泊装置；

（2）软管及收放装置；

（3）动力装置；

（4）附属装置。

穿梭油轮的系泊装置主要包括：大缆卷车、快速释放装置、大缆组件。

大缆卷车不同于常规的系泊绞车，其不仅要缠绕主系泊缆，还要把防磨链、引缆及连接卸扣等缠到卷筒上。大缆卷车的驱动方式以液压驱动为主，因为液压驱动可以无级调速且超负荷能力较强、结构简单，其液压泵站可以与外输系统的其他液压设备共用，一般布置与甲板下舱室内，节省甲板空间。

快速释放装置除需满足应急释放功能外，还是一个为大缆提供拉力的“强点”，因此其设计强度需要满足穿梭油轮的拉力要求。除此之外，快速释放装置还需配备一套带有显示、声光报警和记录功能的自动张力监测系统，以便现场人员对系统的使用进行实时监控。快速释放装置可以是独立设备，也可以和大缆卷车集成设计。快速释放装置应在本地和中央控制室均可操作。

大缆组件主要由图6所示的几部分组成。其总长度主要根据外输距离确定。最为常用的主系泊缆为纤维索，两端带有防磨链，除此之外，大缆上还配有辅助连接作业的引缆和拾起缆等附件。有些大缆在靠近穿梭油轮一侧的防磨链上会设置一个可断链环“WEAK LINK”，该可断链断裂力应大于系泊系统的安全工作拉力，但小于大缆的破断拉力，这样在紧急状态下，可以依靠机械的方式断开，从而保证系泊大缆其他部分不会被损坏［3］。

图6 大缆的组成

穿梭油轮系泊装置除上述主要设备外，还配备了导向装置及排缆器等辅助设备。导向装置保证了大缆在180°范围内可以快速收放大缆，排缆器的设置主要是用于让系泊大缆排列的更有序。

软管长度主要由外输距离来确定，其通常由10.7 m的单节软管通过法兰连接而成。软管形式为双层漂浮软管，且需要满足OCIMF“ Guide to Purchasing， Manufacturing and Testing of Loading and Offloading Hoses for Offshore Mooring”要求，软管的参数需根据实际外输距离、压降以及流量等数据来确定。

串靠外输系统所采用的软管系统主要有两种型式，其中一种为漂浮软管（如图7所示），即软管不设置收存设备，一直漂浮在海上。由于这种型式对软管的伤害较大，目前新建FPSO已基本不再使用。另一种是利用软管卷车把漂浮软管缠绕在卷筒上，软管通常仅在卷筒上缠绕一层，因此对软管起到了很好的保护作用。此种形式是目前软管收放较为常见的形式，如下页图8所示。

图7 漂浮软管型

图8 软管卷车收放式

作为输油软管和回收软管卷筒上的连接点应有以下功能：

（1）要能承受外输软管全部放出后软管在水中所受的拉力，并可使软管前后左右在一定角度内摆动。

（2）要设有应急解脱装置。此装置可以为遥控的（ERC），也可以使用机械断裂的接头（MBC）。无论哪种解脱装置，在应急情况解脱后，都要保证在断开处管线两端均封闭，防止原油外漏。

由于FPSO首尾部空间较小，外输设备又通常会布置在FPSO的首部或尾部，因此在设计选型时尺寸通常是一个重要的因素。同能力的液压驱动的设备和电动相比，液压驱动的设备尺寸较小，因此外输设备一般会以液压的形式进行设计。选择液压驱动还有一个非常重要的原因就是外输站通常作为一个危险区域考虑。如果设备使用电动，则设备的电气元件需考虑防爆要求，成本会大幅增加。因此，外输设备如无特殊需求，一般采用液压驱动。

外输系统的液压泵站通常布置在甲板面以下较安全的位置，但尽量不要与甲板面的液压设备距离太远，否则阻力损失会较大。在常规的外输设备中，液压泵站主要为大缆卷车、大缆快速释放装置、软管收放装置及ESD阀等设备提供动力。

外输系统附属装置主要用于原油外输作业及外输设备的维护保养，主要包括：

（1）大缆卷车控制台；

（2）外输软管收放装置控制台；

（3）应急释放装置（包括大缆和软管）控制台；

（4）本地控制室，控制室需具有较好的视野，可监控到整个外输过程；

（5）气动式抛绳枪，当无工作船在附近辅助作业时，可以通过气动式抛绳枪直接与穿梭油轮进行连接；

（6）输油软管拆卸维护设施包括软管起重机、软管拆卸维护平台、单根软管存放托架、单根软管吊具、拖拉绞车等，这些设备也可以利用甲板系泊设备或其他相关设备兼用，以降低建造成本。

2.2 旁靠外输系统配置

旁靠外输主要是指在外输作业时，穿梭油轮与FPSO平行系泊于FPSO某一舷，可以船头同向，也可以头尾同向。在外输作业过程中，穿梭油轮始终与FPSO始终保持相对稳定的运动，因此，穿梭油轮与FPSO的主尺度对旁靠外输的影响较大，且海况的要求也较高。相对于串靠系泊，外输距离过近并且应急解脱速度慢是其最大的缺点，但由于良好的经济性，在某些特定海域，其依然也是目前外输系统设计的一个合理选择方案。

旁靠外输设备主要包括以下几个系统：

（1）碰垫；

（2）穿梭油轮旁靠系泊装置；

（3）软管及收放装置；

（4）动力装置；

（5）附属装置。

碰垫是旁开外输系统中非常重要的一个部件，如下页图9所示，其在整个外输过程起到防护安全的作用。如之前提到，两艘旁靠系泊的船，由于其主尺度不同，风浪流的作用会使两艘船产生相对运动，容易产生碰撞，这也是外输作业中最需要关注的安全问题。碰垫的作用就是作为缓冲介质，可以有效吸收和减弱两者之间的相互作用。碰垫形式一般选用充气式［4］，通过索具与船体连接，依靠船上起重机进行下放，放置位置可以是舷边，也可以为水线。

图9 旁靠外输系统的碰垫设备

旁靠外输系统的系泊装置相对来说型式较简单，类似于码头系泊，主要通过船体配备的系泊绞车、羊角滚轮导缆器、带缆桩、导缆孔等系泊设备完成。绞车的组成可根据实际布置情况选择合适数量的系泊卷筒和副卷筒。所有系泊设备的数量和强度需通过校核并且严格按照计算所确定的结果进行带缆。随着科技的发展，数值模拟计算确定系泊方案的方法已得到广泛应用。

旁靠系泊所采用软管的设计标准与串靠系泊软管的标准相同，区别在于旁靠系泊使用的软管不需满足漂浮的要求。由于系泊距离的不同，旁靠系泊软管的长度较短，但其可以根据流量或外输时间的要求配备多根外输软管，这些软管可由安装在FPSO上的一座或多座吊车、A字架或塔架来管理［5］。软管提升设备必须能够提起预计最大旁靠外输油轮所需最大、最长软管的操作质量，另外，提升设备还需满足软管系统所需的回转半径的要求，既可以跨接到外输油轮的管汇处，也可以到达本船的外输软管维修区域。

旁靠外输系统并没有像串靠系泊系统一样专用的动力装置，由于大多依靠船体设备进行操作，因此，只要船体的动力装置可以满足上述辅助设备的动作即可，需说明的是ESD（应急关断）阀需要船体的动力装置提供动力，ESD阀有蓄能器，可以满足在紧急情况停止原油的外输作业。

旁靠外输系统附属装置主要包括软管防磨工具、CCTV系统等。

2.3 浮筒外输系统配置

浮筒外输系统一般应用于海况较温和的海域，浮筒采用多点系泊。由于其是依靠浮筒与穿梭油轮进行外输作业，对于FPSO来说是绝对安全的，而穿梭油轮与浮筒的碰撞概率也要小的多，但缺点是由FPSO到外输浮筒的距离过长，货油泵能力需要配置较大。

浮筒外输设备主要包括以下几个系统：

（1）Inloading 系统 ；

（2）浮筒设备；

（3）附属装置。

Inloading 系统也就是指FPSO将原油外输到浮筒的设备，主要包括软管、浮力块、ESD阀等设备。浮筒外输型式浮筒距离FPSO的间距较远，相应的管线长度要更长，管线呈波浪式柔性分布，输油管两端带有万向节，每节标准软管两端和其他软管为法兰连接，软管在整个外输距离内设有浮力模块，主要用于避免输油工况下管线滑脱分离，保持输油管线形状不变。另外，为应对应急工况，在FPSO上同样需设置ESD阀及蓄能装置。软管的性能参数主要由外输距离、管线压降及外输量等因素决定。

浮筒是浮筒外输的关键部件，如下页图10所示，其浮力应能承受自重以及Inloading软管的垂向载荷。浮筒一般采用单点系泊系统，穿梭油轮可以绕单点360°转动，实现风标效应。浮筒一般只设油舱和空舱，空舱用来提供浮力，油舱主要用于紧急情况下的原油应急泄放。浮筒上还需配备信号灯、号角和易于雷达发现的雷达反射器。如果是小型浮筒，其电力源可依靠可再生能源，如太阳能、风能等，并配备容量足够的蓄电池；大型浮筒可由FPSO或附近基站提供电力。除此之外，浮筒还需配备监测系统和遥控系统。监测系统包括大缆张力监测、系泊缆张力监测、阀的状态、货油的相关参数监测、CCTV系统等，遥控系统主要包括系统的应急关断阀的控制及大缆应急释放等。

图10 浮筒装置

对于浮筒外输形式来说，由于其核心的设备均在浮筒端，因此在FPSO端并无太多辅助装置，仅有一些软管接口处的辅助平台或维修平台，所有远程遥测面板一般布置在FPSO中控室。

3 结 语

本文通过对不同型式的外输系统进行了比较和研究，得出以下结论：

（1）串靠外输系统对环境和系泊方式的适用性较好，与穿梭油轮外输距离适中，连接方便且具有应急解脱功能，虽然初期投资成本略高，但更为安全，是目前FPSO最主流的外输方式。

（2）旁靠外输系统对环境和系泊方式的适用性也较好，但由于其旁靠的系泊方式导致其对外输作业环境的要求较高，且安全性较串靠外输型式要低，因此，其实际工程应用不如串靠外输系统广泛。

（3）浮筒外输系统由于其对系泊方式和环境条件的敏感性，决定其只能用于特定海域及船型，适用性较差，但安全性最好。

（4）本文所介绍的串靠外输系统、旁靠外输系统及浮筒外输系统为目前世界上应用最广泛的三类外输系统，不同设计厂家可能在设备设计上略有差异，但原理基本一致。