童 波

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

外輸油系統(tǒng)是FPSO非常重要的設(shè)備之一，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)使整個(gè)海上油田的生產(chǎn)作業(yè)陷入停頓和癱瘓狀況，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。FPSO外輸油系統(tǒng)主要由系纜系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成。我國(guó)自行設(shè)計(jì)的多艘作業(yè)于南海和渤海的FPSO都是采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，其外輸油裝置主要有利用輸油臂的旁靠外輸油系統(tǒng)；簡(jiǎn)易漂浮軟管式或軟管卷車(chē)式串靠外輸油系統(tǒng)等，軟管卷車(chē)式串靠外輸油系統(tǒng)無(wú)論在操作、維修還是監(jiān)視和安全性方面均優(yōu)于前兩種外輸油系統(tǒng)，是單點(diǎn)系泊FPSO較先進(jìn)的外輸油系統(tǒng)。

然而在西非、東南亞等熱帶區(qū)域，海況較好，百年一遇有義波高僅約 3m；常年主導(dǎo)浪向明顯。位于此類(lèi)海域的FPSO可以采用多點(diǎn)系泊方式，這種輸油方式大大減小了穿梭油船與浮筒相撞受損的概率，缺點(diǎn)是FPSO與浮筒間管系長(zhǎng)度較長(zhǎng)，阻尼損耗較大。外輸油浮筒除提供系泊功能外，還有輸油功能。本文主要介紹熱帶深水海區(qū)多點(diǎn)系泊FPSO的外輸油浮筒系統(tǒng)。圖1是典型多點(diǎn)系泊FPSO及所屬油田布置圖[1]。

1 浮筒總體設(shè)計(jì)

圖1 典型的多點(diǎn)系泊FPSO

浮筒輸油系統(tǒng)主要由浮筒本體及轉(zhuǎn)塔、絞車(chē)等輔助設(shè)備、監(jiān)控和遙測(cè)系統(tǒng)、浮筒系泊定位系統(tǒng)、浮筒與穿梭油船間的offloading裝置和浮筒與FPSO間的inloading系統(tǒng)組成。浮筒輸油系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 浮筒外輸油系統(tǒng)布置

浮筒外殼提供充分的浮力支撐浮筒本體、系泊纜、輸油管以及安裝其上的設(shè)備，因此浮筒應(yīng)配備防止系泊油船或維修船碰撞的保護(hù)裝置。為便于檢測(cè)、維修浮筒，維修船停泊登乘區(qū)應(yīng)位于漂浮軟管對(duì)面，維修船停靠/防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)延伸至浮筒裙板以防止系泊裝置和維修船碰撞。另外浮筒的裙板增加運(yùn)動(dòng)的附加質(zhì)量和阻尼，可改善浮筒運(yùn)動(dòng)性能。浮筒內(nèi)部采用雙殼設(shè)計(jì)，從中央井到外殼間應(yīng)由徑向艙壁至少分割為6個(gè)水密艙[2]。浮筒內(nèi)艙室分別為若干油艙或空艙，油艙主要用于貨油管壓力過(guò)大時(shí)或風(fēng)暴環(huán)境條件下的應(yīng)急泄放艙[3]。

浮筒的轉(zhuǎn)塔裝置主要有頂部轉(zhuǎn)塔和底部轉(zhuǎn)塔2種形式，圖3、4為2種轉(zhuǎn)塔形式的浮筒布置。

圖3 頂部轉(zhuǎn)塔形式浮筒布置

為使輸油工況下浮筒保持正浮，需要計(jì)算輸油管作用在浮筒上的載荷（即對(duì)浮筒正浮的影響），在浮筒安裝時(shí)通過(guò)固體壓載（無(wú)壓載水艙）預(yù)先傾斜浮筒，以平衡輸油管對(duì)浮筒的傾斜作用，在輸油管內(nèi)未充滿油時(shí)，浮筒將處于略傾斜狀態(tài)。

圖4 底部轉(zhuǎn)塔形式浮筒布置

浮筒應(yīng)各配備一個(gè)信號(hào)燈、號(hào)角和雷達(dá)。信號(hào)燈應(yīng)在能見(jiàn)度0.85時(shí)的可視范圍達(dá)到9km，自動(dòng)信號(hào)燈每隔30s重復(fù)閃爍U信號(hào)，并配備僅在夜間工作的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；號(hào)角由浮筒遙測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)，同時(shí)配置手動(dòng)開(kāi)關(guān)，應(yīng)在55dB音量和周?chē)察o環(huán)境條件下，可聽(tīng)范圍達(dá)到3.2km；雷達(dá)反射器為0.5m直徑的不銹鋼八面體，安裝在浮筒上從任何方向可視的無(wú)障礙位置。

小型浮筒裝置的電力源為可再生能源，如風(fēng)電能和光電能，并配備蓄電池保障無(wú)風(fēng)、無(wú)光時(shí)的電力供應(yīng)。為了持續(xù)監(jiān)控原油卸載，保證浮筒安全，應(yīng)按故障安全原則設(shè)計(jì)遙測(cè)系統(tǒng)，并基于環(huán)境條件選擇用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)（電纜、光纜或無(wú)線電），當(dāng)浮筒和FPSO主控制基站間的數(shù)據(jù)傳輸失效時(shí)，主控制站應(yīng)發(fā)出警報(bào)。遙測(cè)系統(tǒng)的傳輸信號(hào)包括：系泊纜張力、系船纜張力、閥狀態(tài)、應(yīng)急關(guān)斷閥控制、貨油溫度和壓力、蓄電池電壓、PLC系統(tǒng)監(jiān)視、導(dǎo)航及控制系統(tǒng)的供電電池狀態(tài)、輸油系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)、過(guò)壓泄放艙液位和氮?dú)馄繅毫Φ取?/p>

2 浮筒系泊定位設(shè)計(jì)

海上輸油浮筒采用錨泊定位，浮筒的永久性多點(diǎn)系泊系統(tǒng)可采用半張緊式系泊纜、吸力錨或樁基錨。由于多點(diǎn)系泊FPSO作業(yè)海域常年主導(dǎo)浪向明顯，主船體正對(duì)常年主導(dǎo)浪向，浮筒應(yīng)沿著船體布置于下風(fēng)向，圖5為油田布置示意圖[4]。

浮筒系泊系統(tǒng)應(yīng)按無(wú)油船系泊時(shí)能抵御百年一遇海況，油船系泊時(shí)能抵御 1年一遇的海況設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)海況時(shí)應(yīng)考慮赤道附近區(qū)域的氣候特點(diǎn)，因波浪、局部風(fēng)和流有不同的產(chǎn)生源，而它們之間幾乎是不相關(guān)的[5]。分析浮筒系泊系統(tǒng)和輸油管系響應(yīng)時(shí)，應(yīng)考慮以下工況：

與評(píng)估對(duì)象相關(guān)的權(quán)屬證明、財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)信息和其他資料是評(píng)估的基礎(chǔ)性資料，沒(méi)有這些資料，評(píng)估將無(wú)法進(jìn)行。因此，委托人應(yīng)當(dāng)及時(shí)向評(píng)估專業(yè)人員提供這些材料，評(píng)估專業(yè)人員也有權(quán)要求委托人提供這些材料。根據(jù)本法第十八條的規(guī)定，委托人拒絕提供或者不如實(shí)提供執(zhí)行評(píng)估業(yè)務(wù)所需的權(quán)屬證明、財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)信息和其他資料的，評(píng)估機(jī)構(gòu)有權(quán)依法拒絕其履行合同的要求。同時(shí)，評(píng)估專業(yè)人員也有權(quán)要求委托人提供為執(zhí)行公允的評(píng)估程序所需的必要協(xié)助。例如根據(jù)本法第二十五條的規(guī)定，評(píng)估專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)評(píng)估業(yè)務(wù)具體情況，對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。為完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，評(píng)估專業(yè)人員有權(quán)要求委托人提供必要協(xié)助。

1)輸油工況：油船系泊，其中油船吃水分別為滿載、壓載到港和25%裝載；

2)生存工況：無(wú)油船系泊。

浮筒系泊分析應(yīng)預(yù)報(bào)在設(shè)計(jì)環(huán)境條件和外部載荷（輸油管載荷、系船纜載荷等）下，系泊纜張力，海底錨載荷和浮筒偏移的極限值。由于系泊系統(tǒng)響應(yīng)受到浮筒運(yùn)動(dòng)、輸油管響應(yīng)和油船運(yùn)動(dòng)的影響，因此分析時(shí)應(yīng)耦合這些效應(yīng)。耦合分析中應(yīng)包括輸油管充水和充油等不同情況，在時(shí)域或頻域內(nèi)應(yīng)用動(dòng)態(tài)系泊分析法計(jì)算系泊纜最大張力和浮筒最大偏移，其中浮筒的允許最大偏移是根據(jù)輸油管的設(shè)計(jì)確定的，并考慮系泊纜的完整和破損工況，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1[6]。

圖5 油田布置

表1 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

另外錨泊分析應(yīng)考慮系泊纜的腐蝕，鋼鏈考慮0.4mm/年的腐蝕量，斷裂強(qiáng)度MBL相應(yīng)減小。浮筒系泊系統(tǒng)在任何時(shí)候都不能與海底設(shè)備、立管、輸油管和FPSO系泊纜相碰。系泊系統(tǒng)應(yīng)盡量減少錨鏈磨損、平面外彎曲和張力疲勞，所有錨鏈、連接件和鋼絲繩應(yīng)滿足設(shè)計(jì)壽命要求。

3 輸油管線設(shè)計(jì)

浮筒和FPSO間距約2km，其間輸油管線呈波浪式柔性分布，輸油管兩端帶有萬(wàn)向節(jié)，其中每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)軟管兩端帶有法蘭，部分管線帶有浮力模塊。浮力模塊主要用于避免輸油工況下管線滑脫分離，保持輸油管布置形狀不變[7]。浮力模塊的設(shè)計(jì)和相互間距應(yīng)考慮局部浮力潛在的不利作用。管線充滿液體時(shí)將浸沒(méi)在水下一定的深度，保持一定的布置形狀，避開(kāi)較大的波浪載荷，也避免與穿梭油輪相撞。為防止管線渦激振動(dòng)（VIV）效應(yīng)，輸油管線上裝有螺旋側(cè)槽，并配備防污系統(tǒng)防止附著生物生長(zhǎng)[8]。管線主要特性參數(shù)有內(nèi)徑、外徑、標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度、干/濕重、剛度、許用軸向壓力、許用輸送壓力、貨油最大流速、環(huán)境溫度范圍、貨品溫度范圍以及平均熱傳遞系數(shù)等。輸油管線布置見(jiàn)圖 6[9]。輸油系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，其中包括外輸泵、計(jì)量裝置、控制閥和應(yīng)急關(guān)斷閥等，見(jiàn)圖7。

圖6 輸油管線布置

圖7 輸油系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

輸油管系設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮連接輸油管線的系泊FPSO和浮筒受到環(huán)境載荷作用產(chǎn)生的漂移，進(jìn)而引起輸油管線布置形式的改變。輸油管靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和疲勞分析中需考慮管內(nèi)都充滿水或油，一根充滿水一根充滿油等工況組合，分析不同方向的環(huán)境載荷引起的漂移。柔性輸油管線系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)包括下述6種分析[10]：

3.1 液壓分析

液壓分析用于確定輸油管的尺寸，管線內(nèi)的設(shè)計(jì)流速需要考慮輸送壓力損失和通過(guò)浮筒時(shí)的摩擦損失，通向油船的最小輸送壓力為0.1MPa[11]。

3.2 靜力分析

在輸油管安裝、靜水力試驗(yàn)和輸油工況下應(yīng)進(jìn)行靜力分析，許用應(yīng)力定義參見(jiàn)API RP 2RD。輸油管布置應(yīng)通過(guò)靜力分析確定，計(jì)算輸油管載荷和位移時(shí)需考慮不同的FPSO偏移和管內(nèi)液體。

3.3 動(dòng)力分析

根據(jù)一年一遇油船系泊作業(yè)工況和百年一遇風(fēng)暴自存工況進(jìn)行動(dòng)力分析，通過(guò)模態(tài)分析得到固有周期和共振概率等。輸油管動(dòng)態(tài)響應(yīng)考慮輸油管、FPSO、浮筒及其系泊的相互影響，使用Morison方程計(jì)算拖曳力時(shí)，拖曳力系數(shù)應(yīng)考慮VIV效應(yīng)調(diào)整。通過(guò)計(jì)算獲得輸油管的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線、頂部連接張角、應(yīng)力分布和端部載荷，從而完成輸油管布置。

3.4 安裝分析

所有安裝階段都應(yīng)進(jìn)行靜態(tài)/動(dòng)態(tài)安裝分析，以確認(rèn)輸油管安裝的可行性以及為壁厚設(shè)計(jì)提供輸入?yún)?shù)，同時(shí)還應(yīng)考慮安裝期間輸油管的疲勞損失。結(jié)合環(huán)境載荷和安裝船動(dòng)力定位能力考慮安裝船偏移，并確定作業(yè)限制環(huán)境條件和安裝船偏移包絡(luò)線，定義輸油管的最大浸沒(méi)深度，計(jì)算空管時(shí)的外壁承受壓力，驗(yàn)證壁厚設(shè)計(jì)。

3.5 疲勞分析

需進(jìn)行輸油作業(yè)和安裝階段的疲勞分析，考慮一階、二階 FPSO、浮筒運(yùn)動(dòng)和管線渦激振動(dòng)（VIV）引起的疲勞損害，其中包括浮筒升沉運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的VIV。分析時(shí)需先定義輸油管的布置、尺寸和相關(guān)材料特性，柔性結(jié)點(diǎn)剛度和延伸長(zhǎng)度是優(yōu)化輸油管疲勞壽命的關(guān)鍵參數(shù)，分析模擬中應(yīng)精確定義柔性結(jié)點(diǎn)特性，并采用合適的應(yīng)力集中系數(shù)[12]。

3.6 干擾分析

為了避免安裝期間和輸油期間輸油管和其他系統(tǒng)間可能產(chǎn)生的干擾，需要對(duì)輸油管的布置、變形和位移包絡(luò)線進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)在正常工況和輸油管破損工況下的干擾進(jìn)行分析，正常工況下不允許有系統(tǒng)間干擾，在輸油管破損工況下應(yīng)設(shè)置輸油管與其他部件間的防碰系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文參考西非EGINA油田的深水多點(diǎn)系泊FPSO浮筒原油外輸系統(tǒng)方案，根據(jù)油公司的通用設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，介紹該輸油系統(tǒng)的基本組成要素，浮筒的功能、結(jié)構(gòu)和設(shè)備，浮筒錨泊定位系統(tǒng)以及FPSO與浮筒間輸油管線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和分析方法等，供未來(lái)的油田開(kāi)發(fā)實(shí)際工程參考。

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