明珠号FPSO串靠艉输改造方案研究

王国富，李 洁，刘吉飞，程久欢，郝孟江

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

FPSO外输系统按系泊方式不同可分为旁靠（横向输油）外输和串靠外输（艉部输油）两种方式，串靠艉输是目前国内外FPSO的主流外输方式[1]。

1 明珠号FPSO艉输方案研究

1.1 油田周边设施影响评估

相对于旁靠外输，明珠号FPSO 改为串靠艉输后具有更大的回转半径（如图1所示），需校核与周边海上构筑物的安全距离。

图1 FPSO 艉输示意

艉输回转半径R 计算见式（1）[2]：

式中：L1为单点最大运动位移，m；L2为单点至FPSO艏距离，m；L3为FPSO船长，m；L4为系泊缆长度，m；L5为系泊缆最大伸长量，m；L6为最大穿梭油轮船长，m；L7为拖拽系泊缆长度，m；L8为拖拽系泊缆最大伸长量，m；L9为拖拽拖轮长度，m。

经计算，明珠号FPSO 串靠外输时外输作业船只围绕单点总的回转半径约695 m。FPSO 距周边WHPB 平台 2.5 km，距 WHPC 平台 2.1 km，距WHPD 平台2.7 km。串靠艉输时，作业船与最近平台有两倍回转半径的安全裕量，满足油田区域安全距离要求。

1.2 串靠艉输软管方案比选

根据外输软管存放方式的不同，常见的FPSO串靠艉输方案有以下三种：滚筒式、滑道式和漂浮式[3]，如图2所示。方案的比选如下：

（1）滚筒式输油软管方案。在外输间隙，输油软管存放在软管绞车上；外输作业时，在穿梭油轮系缆完成后，由工作拖船把软管末端运送到穿梭油轮舯部，穿梭油轮服务吊机再把软管末端吊到舯部甲板并与集油管汇连接；外输完毕后，软管末端从穿梭油轮甲板舯部拆掉放到海面上，拆掉软管绞车应急释放液压软管，绞车将软管回收盘到滚筒上。

图2 常见的FPSO 串靠艉输软管方案[2]

若本项目采用软管绞车方案，则需要拆除并移位明珠号FPSO 艉多个设备，停产改造时间长，油田停产损失大。而且软管绞车尺寸大，距离火炬较近，正常气量下绞车表面温度约为51 ℃，堵塞工况下绞车表面温度约为75 ℃，而软管允许使用的环境温度为-29 ～52 ℃，环境温度过高，将影响软管安全和使用寿命。

（2）滑道式输油软管方案。在外输间隙，输油软管存放在FPSO 软管滑道上，滑道一般布置在FPSO 主甲板上，由艉开始沿舷侧纵向布置，滑道的长度与软管的长度相当；为方便软管回收，一般设置有坡度并坡向艉，通过绞车将外输软管回收到滑道上。

根据明珠号FPSO 现场实际情况，甲板上没有空间可布置二百多米的滑道，故本项目采用滑道式方案不可行。

（3）简易漂浮软管方案。在外输间隙，输油软管长期随FPSO 漂浮在海面上；外输作业时，在系缆完成后，由工作拖轮将漂浮软管端部拖至穿梭油轮舯部，穿梭油轮再将其吊到舯甲板并连接集油管汇；外输结束后，将软管一端封堵后吊到海面上，然后由工作船拖离穿梭油轮，拖离的漂浮软管长期浮在海面上。

相对而言，漂浮软管方案具有占地少、FPSO改动小且可实现不停产改造等特点，同时明珠号FPSO 在本油田剩余服役年限较短，经技术经济分析认为，漂浮软管方案技术可靠，经济性较佳，为本次研究的推荐方案。该方案不足之处是明珠号FPSO 所在海域冬季有海冰存在，海冰有损坏软管的风险，为此制订了专门的应对方案。上述几种外输软管方案对比情况见表1。

表1 外输软管方案对比

1.3 简易漂浮软管外输系统的设计及防护

简易漂浮软管外输系统由系泊、外输软管和控制系统组成。

1.3.1 系泊系统的设计

结合明珠号FPSO 在本油田拟服役年限短及可用空间紧张的实际情况，因此选用了占地少、费用低、采办周期短的简易系泊系统方案，同时为提高外输的安全性，增加了拉力监测和快速脱钩装置（QRH）。

系泊设施包括绞车、导缆孔、系缆桩、拖力眼板及系泊缆，其中系泊缆由摩擦链、主系缆、摩擦链、引缆组成，系泊缆布置方案如图3所示。

图3 系泊缆布置

1.3.2 外输软管系统的设计

为尽可能降低外输软管损坏对环境的影响，建议选用双层漂浮软管。外输泵工作压力1 260 kPa，考虑到10%的正常压力波动，按最大工作压力1 386 kPa 选取外输软管，同时为匹配软管厂家标准系列产品，公称压力取1 500 kPa。软管长度的选取需综合考虑外输作业的安全性、方便性及软管采办的经济性，推荐软管长度L 按式（2）进行计算，式（2）中部分参数的物理意义图解见图4。

图4 软管长度计算[4]

式中：SF为安全系数，本项目取1.2；L1为FPSO外输管汇到软管接头距离，本项目取0 m；EMH为FPSO 外输管汇距离主甲板高度，本项目取2.5 m；EFmax为FPSO 最大干舷高度，本项目取11.6 m；HL为系泊缆和摩擦链长度，本项目取80 m；E 为系泊缆最大伸长量，本项目取8 m；LBTM为穿梭油轮集油管汇中心到艏距离，本项目取89 m；Lm为集油管到管汇中心距离，本项目取4.5 m；Fmax为穿梭油轮最大干舷高度，本项目取11.6 m；MH为集油管汇到主甲板高度，本项目取2.1 m；Dm为集油管接口到船舷距离，本项目取4.6 m。

计算得到明珠号漂浮软管长度L=250.68 m。对照软管厂家标准管参数，最终选用22 节软管，各节软管之间用法兰连接，各段软管布置如图5所示。

图5 软管布置方案

1.3.3 外输软管保护措施

（1）水击防护。外输作业由于误操作或控制系统失灵导致管道流量突变或阀门急速关闭时，管内稳定状态受到破坏压力发生瞬变，在管路中会出现水锤现象。由于FPSO外输流量大，产生的水击压力比正常外输压力高出很多。根据相关文献研究，最大的水击压力出现在外输关断阀处[5]，为此需要在靠近外输SDV阀处设置泄放阀或水击保护阀。

（2）破断应急保护。为防止外输作业时穿梭油轮紧急解脱而拉断未置换的外输软管，从而造成原油泄漏，外输软管须设置应急释放接头，常见的应急释放接头及优缺点见表2。基于安全性、检修便利性及软管回接时间（十分重要）考虑，推荐采用表2中的主动式保护措施。

（3）外输软管的吹扫及清洗。为方便外输软管存放及减少漏油风险，每次外输完毕后需对外输软管进行氮气吹扫，需在明珠号FPSO 外输ESDV阀后增加氮气吹扫口，接入氮气吹扫系统。在外输软管大修、更换拆卸前需要对外输软管进行清洗，为此需在明珠号FPSO 外输钢管上设置一个清洗接口（可采用生产水进行清洗），并在舯部设置洗管站（增加一条去污水舱的管道）。洗管时由工作拖轮将漂浮软管拖至明珠号FPSO 右舷吊机附近，然后利用右舷吊机将外输软管与洗管站连接。

（4）海冰及应对措施。明珠号FPSO 所在海域冬季有少量流冰存在，流冰会碰撞并划伤外输软管，沿外输软管冻结的海冰有拉断外输软管的风险。应对措施：提高软管防护等级。如加厚软管外防护层来防止小块流冰的碰撞和划伤；在明珠号FPSO 的艏右舷侧设一软管挂钩，若冰情加重，将软管一端挂到艏，然后用系泊绞车将输油软管吊至FPSO 船侧系住，防止海冰沿软管冻结而拉断外输软管。遇到严重冰情时，沿用FPSO的旁靠外输系统，利用尾部电动绞车将软管拆除，然后将其在工作拖轮上逐节拆除并运至陆地存放。

1.3.4 控制系统

外输作业时，需要对外输压力波动进行监测预警，需要对外输作业进行紧急关停，对系泊缆张力仪可进行监测报警，同时需要在明珠号FPSO 艉增加闭路电视监视外输作业情况。由于受篇幅限制，本文对控制系统不作详细描述。

表2 应急释放接头对比

2 对穿梭油轮的要求

需要在穿梭油轮集油管汇附近配备服务吊机，用于连接外输软管。吊机工作范围应能够覆盖服务拖轮，其安全工作负荷SWL（Safe Working Load）计算公式为：SWL=动载系数× （需吊起的最长软管重+软管附属设施重+软管充液重）。根据OCIMF 规范[2]，服务吊机应能将软管吊离至距离穿梭油轮主甲板8 m 处，且偏离集油管中心1 m。本项目穿梭油轮的最大干舷高度11.6 m，服务吊机需吊起的软管长度为20.6 m，服务吊机需起吊的各部分质量如下：尾段加强软管两节（共21 m）共3.54 t，外输软管尾部阀门和快接头约0.25 t，吊链及尾部浮子0.2 t，软管内充液3 t（按水计），因此起吊最大净质量共计7.06 t。根据BZ25-1 油田环境条件，动载系数取1.5，故SWL=103.8 kN（相应质量10.59 t，可向上圆整为11 t）。

3 结论

（1）明珠号FPSO 改为串靠艉输后，可满足与周边油田设施安全距离的要求。

（2）简易系泊+漂浮软管串靠艉输方案简单可靠，经济适用，是低投资及受限空间下FPSO 外输系统改造的首选方案。

（3）漂浮外输软管的应用需考虑海冰等异物破坏的风险，应采取双层管、加厚保护层、增加临时固定装置等应对措施。