南海FPSO单点系泊系统中系泊腿特殊设计与应用

张宝雷

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

0 引 言

南海某油田位于南中国海珠江口盆地北部坳陷带西南缘凹陷南部，南海番禺油田区块以西，位于香港以南约200 km，该海域水深约为88 m。根据油田的地理位置，同时考虑附近环境条件和地质油藏情况，通过对该油田进行技术方案深度研究，最终确定该油田开发方案采用1座钻采平台+1艘FPSO(浮式储油生产系统)+1条海底混输管道+1条海底复合电缆的方案。

此FPSO布置于该油田钻采平台西北2.2 km处，其相对固定平台的位置主要基于设施方位、环境条件方向、外输操作便利性等因素来确定。

根据以往南海FPSO单点系统的水下系泊腿设计，主要考虑应用大型安装设备进行安装，系泊腿的设计不受安装资源能力的限制。近年来，海上安装的整体思路逐渐向以DSV(潜水支援船)等更为灵活的小型资源为主作业船，考虑到小型资源的吊装能力、甲板面积等限制，这就对系泊腿的设计提出了一定要求，因此本文在南海某油田FPSO单点系泊系统选型、详细设计、建造兼顾后期海上安装的一体化设计及工程管理取得成功的基础上，进行相关的技术专题论证并总结出更行之有效的解决办法，为今后类似工程设计项目提出了建设性的技术工作建议[1-5]。

1 南海某油田FPSO单点系泊系统设计准则

根据行业内各规范对系泊系统设计的最低要求(长期系泊的单点须满足百年一遇极端环境条件)，考虑到南海各区块近年极端环境条件不断刷新纪录，从极端恶劣环境条件以及该FPSO服役整个南海的角度(该海域500年一遇环境条件接近周边海域100～200年一遇环境条件)出发，适当提高设计条件，可有效避免以往的事故，该FPSO船体和单点系泊系统均按照500年一遇极端条件进行设计。

考虑到单点系泊系统所占FPSO整体投资较大，且与单点系泊系统设计中的风、浪和流组合，波高和周期的关系密切，确定科学合理的设计参数，避免因为采用500年一遇的设计条件而导致工程投资大幅度增加是确定设计环境条件的大前提或原则。在经过反复论证之后，确定该FPSO单点系泊系统最终设计标准如下：

(1) 500年一遇环境设计条件。

(2) 设计年限为30年。

(3) 应用BV船级社对风、浪、流组合要求以及环境要素折减原则。

(4) 锚系构件腐蚀裕量为0.3 mm/a。

(5) 依照动态分析要求，锚系完整状态安全系数不小于1.67，单根锚系破断状态安全系数不小于1.25。

考虑到潜在的周边油田开发需求，同时尽量避免在服役期间维修系泊缆的高昂费用，系泊腿等受力结构按照设计寿命30年考虑。在此原则上，最终确定此FPSO单点系泊系统水下锚系构件的规格高于南海海域其他几艘同类FPSO单点系泊系统的水下锚系构件规格，其参数对比如表1所示。

表1 南海海域同类型FPSO单点系泊系统设计参数对比

(续 表)

① 1 in=2.54 cm。

2 系泊腿的特殊设计

该FPSO设计采用500年一遇的环境条件，由此导致系泊锚系构件的规格明显提高，特别是锚桩长度和重量都超过以往类似项目，同属于大型结构物吊装作业，通常情况下需要动员大型的重吊船等施工资源，其作业难度和作业风险都远大于其他结构物安装。另外，由于该FPSO单点系泊系统由以往的3×3组(9腿)增加为4×3组(12腿)，其海上安装作业周期明显加长。为保证在有限的气候窗内完成海上安装，项目组针对性地提出了锚系构件连接方式的优化设计，并据此调整海上安装船顺序和作业方式，最终实现安全且高效的海上安装作业。

2.1 锚链分段式设计

该FPSO的系泊锚系原设计分别由锚桩(84 in)、下锚链(40 m)、下钢缆(665 m×8+965 m×4)、躺地链(220 m)和上钢缆(121 m)组成。其中，220 m躺地链按照功能性又可分为调整链、配重链和普通过渡链三部分，躺地链原设计在工厂生产完成后进行分段标记，用于现场识别。该常规设计符合锚系设计的强度和刚度要求，但如此设计会因为锚系安装船甲板和锚链舱空间受限等，导致安装资源得不到最优化，施工期和费用增加。考虑到作业顺序优化的需要，我们创新性地提出了将躺地链进行分段式设计和生产，其调整链、配重链和普通过渡链均采用特殊的H形连接件连接，如图2和图3所示。

图1 某FPSO水下锚系躺地链分段设计示意图

图2 H-Link示意图

图3 一体式安装和分段式安装示意图

通过比较整条设计/生产和分段设计/生产对海上安装作业的影响，不难看出，采取整条设计时只能采用传统的N形铺设方式，由于锚系安装船甲板和锚链舱空间有限，单趟仅能装载两条220 m长的躺地链，配重块只能在海上现场进行装配，单趟躺地链的铺设海上作业都将耗时一个月之久。改为分段设计后，可以将躺地链的铺设方式从一体式安装改为分段式安装，如图4所示，即前半程完成12条下钢缆和调整链的铺设，同时在陆地完成全部配重块的装配，后半程只需在现场连接调整链、配重链和过渡链，就可以省去传统铺设方式中现场装配配重块的作业时间。采用优化后的H形连接分段安装设计后，施工总工期可较原设计节省约11%，相应的施工费用节省约6%，如图5所示。

图4 施工费用和工期对比图

2.2 单销式抗剪切配重块设计

为了确保单点系泊锚系的刚度以及立管系统的安全，FPSO系泊后的最大安全漂移范围需要控制在以单点系泊为中心的设计圆周范围内。在系泊设计时，通常在锚系躺地链段另行增加配重，增加配重有利于改善系泊系统的回复特性。综合考虑后期海上安装的可行性和便利性，在锚系配重设计时，可以在靠近锚系单点系泊中心着泥点位置选择附加锚链或者配重块的形式。当FPSO漂移很小时，配重链躺在海床上，相对静止；当FPSO随着风、浪、流的漂移增大时，漂移反向位置锚系的配重链会被抬离海床，配重链则随着FPSO往返漂移而上下往复抬离和落回，并撞击海床，导致配重链的主链和配重块连接存在较大的运动疲劳，越靠近单点中心位置，疲劳问题就越突出。因此，配重块连接疲劳问题是其设计考虑的最为关键的因素之一。水下锚系布置及配重块位置如图6所示。

在单点系泊锚系配重设计选型时，通常选用分体式配重块，其配重块由两瓣铸体组成，在拼接设定的配重链环上，两瓣铸体设计为销柱螺栓连接。该配重块设计在南海之外的各海域的实际应用是可行的，但南海海域“海洋石油111”“海洋石油115”和“海洋石油116”FPSO单点锚系配重块在运行5年内，相继发生多处脱落情况，如图7所示。

图5 水下锚系布置及配重块位置示意图

图6 原分体式系泊腿配重块连接松弛和脱落

图7 单体式配重块设计示意图

图8 球珠形快速接头装配示意图

通过进一步分析，认定配重块外形和螺栓连接方式设计不合理，加之FPSO漂移引起配重块抬离和落回泥面的往复运动引起的连接疲劳损坏，是导致系泊锚系配重块出现脱落的主要原因。为提高配重块设计在单点系泊锚系设计寿命内的可靠性和完整性，配重块改用单体单销式抗剪切设计，大大减少连接设计失效的问题，如图8所示。该单销式配重块可有效提供超过1倍的抗剪切能力，同时将单体式配重块的重量减小至原设计的1/3，其抬离再落回海床时的撞击载荷也大大降低，导致配重块本身的顺变应力和连接螺栓集中应力都大大减小，从而在很大程度上提高了配重块的连接可靠性。为进一步提高配重块的可靠性，我们还对配重块的铸件材料和螺栓连接也进行了调整，原灰铁铸件改为球墨铸铁，重点校核并配备规格合理的连接螺栓，并且在配重块陆地装配时对连接螺栓进行预张紧，从而减少配重块撞击海床时螺栓连接的应力变化，提高螺栓连接的抗疲劳性能。

同时，单体式配重块的装配简易，其配重重心位于螺栓与链环连接的水平面下方，确保配重链下放过程中不会发生偏转。新型单体式配重块的设计非常有利于陆地装配，可以缩短海上作业的关键路径，规避海上现场作业的风险。该FPSO的单体式配重块自投用至今已超过5年，截至目前暂未发现脱落、松动和破损迹象。由此可知，新式单体配重块的实际应用效果良好，有效规避了原分体式配重块的缺陷。

2.3 大型球珠形快速接头连接方式

锚系与系泊浮筒回接是单点锚系安装的一大难点，回接方法的选择也因锚系与浮筒连接方式的不同而有所不同，比如SOFEC设计的系泊浮筒通常选用对角提拉，SBM设计的系泊浮筒通常选用假体浮筒辅助回接，APL设计的系泊浮筒通常选用吊装入水再压载。常规的锚系和系泊浮筒连接设计方式都是硬连接，连接销柱的尺寸较大，锚系张力和作业空间受限，导致作业难度极大。同时，又因为锚系连接作业时浮筒所处水深并非潜水作业的理想水深位置，从而给潜水作业带来了很大的风险。

为解决锚系与浮筒连接作业的上述难题，本项目针对性地选用目前阶段可靠性较高的球珠形快速接头连接方式，将母接头装配在浮筒锚系连接轴体上，并预装好必要的索具，公接头装配在钢缆索接头上，如图9和图10所示。相对于传统索接头设计，每个索接头需要饱和潜水安装约2天，该快速接头仅需ROV支持安装，且每个工期约为1天，该方式不仅可减少对饱和潜水资源的依赖，同时可有效降低施工时间和费用。索接头与快速接头对比如表2所示。

图9 球珠形快速接头连接作业示意图

对比项目原索接头新快速接头连接资源饱和潜水ROV连接工期2天/个1天/个

3 结 语

截至南海某油田新建FPSO投产之前，南海先后投用的近10条FPSO无一例外地均采用内转塔单点系泊系统。本文上述的三个特殊设计是在对以往FPSO单点系泊腿设计的经验和教训总结后，针对南海某油田提出的适用性优化设计。以上三个特殊设计分别从系泊腿的安装方式、操作维护和浮筒连接方式等三个方面对系泊腿的设计提供可借鉴的设计思路。

(1) 巧用H-Link等连接件对系泊腿进行分段设计。目前南海的海上施工不再仅依赖于浮吊等大型施工船，而更多地采用更为灵活且适应性强的DSV作为主作业船进行系泊系统的安装。系泊腿的分段设计给DSV等小型资源互相配合安装提供了较强的可实施性。使得南海油气开发的施工方式更为灵活，可用资源更为丰富，进而有效地推动了南海油气开发走向深海的步伐。同时，在一定程度上提高了施工效率并节省了资源占用费用。

(2) 一体式配重块解决操作维护难题。相较于南海多条FPSO采用的分体式配重块在操作维护过程中遇到的易脱落难题，一体式配重块的设计在总结原设计的优势和缺陷的基础上，从配重块形式和材质两个方面进行了优化设计，在确保适当的系泊刚度的前提下，有效地解决了配重块易脱落的难题，并经过了时间的考验。

(3) 应用新型球珠形快速接头提高浮筒连接效率。通常，快速接头主要应用于深水或超深水，不便使用饱和潜水的锚链进行连接。然而，通过对以往FPSO的STP浮筒与系泊腿连接进行总结，发现不仅潜水员在水下连接操作困难，而且在甲板上连接操作同样困难。此次创新性地将球珠形快速接头应用于系泊腿与STP浮筒的连接，不仅较大幅度地提高了施工效率，同时有效降低了连接施工时的风险。

从以上可以看出，设计系泊腿在传统的设计方法的基础上，还可以从如下三个方面进行优化考虑： ①施工资源适用性及施工方式发展趋势对特殊设计的要求；②总结原设计经验教训，针对性地提出特殊设计解决方式；③新产品的创新应用改善施工效率并降低施工风险。以上三项特殊设计的应用便是较好的示范。