摘要：本文描述了內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的發(fā)展、組成和功能，探討了內轉塔式單點系泊系統(tǒng)設計、制造和試驗中涉及的主要關鍵技術，最后給出了裝置國產(chǎn)化的一些建議。

關鍵詞：單點系泊;內轉塔;FPSO;主軸承;旋轉接頭;密封;立管系統(tǒng);水動力分析

中圖分類號：U676文獻標識碼：A

On the Topic of Internal Turret Mooring System

LIU Shengfa

( Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 )

Abstract: This article describes the development, architecture, key components, functions and features of the Internal Turret Mooring System, probes into the key technologies related to its design, manufacture and test. Some suggestions are given at the end of this article.

Key words: SPM ITM FPSO Bearing Swivel Sealing Riser Hydrodynamics

1 概述

海洋油氣裝備制造業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是高端裝備制造業(yè)的重點方向。單點系泊系統(tǒng)是海洋油氣工程領域的關鍵裝備之一，它主要包括兩大部分，一是實現(xiàn)介質傳輸功能的浮式裝置，二是實現(xiàn)浮體定位功能的系泊系統(tǒng)。其基本原理是將海洋工程結構物通過一個可360°回轉的系泊點系固于海上，由于風標效應，結構物將會順應在環(huán)境力最小的方位上；在回轉的同時，介質可以在靜態(tài)結構和動態(tài)結構間進行傳輸。

內轉塔式單點系泊系統(tǒng)是海上FPSO系統(tǒng)的三大核心組成部分之一，投資（設計、制造和海上安裝）約占整個FPSO系統(tǒng)的1／3。FPSO船體部分設計和建造技術國內已完全掌握；FPSO上部工藝處理模塊國內已具有系統(tǒng)集成設計能力，但主要工藝處理設備均依賴進口。

2國內外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

單點系泊系統(tǒng)的關鍵裝置之一－－流體旋轉接頭，主要由挪威的FRAMO公司和荷蘭的BRUCK公司壟斷。

內轉塔式單點系泊系統(tǒng)用多功能旋轉接頭已經(jīng)具有多元化的產(chǎn)品和技術，包括集流體旋轉接頭、電滑環(huán)及光纖滑環(huán)于一體的旋轉傳輸裝置，其中與單點系泊系統(tǒng)旋轉接頭配套廠家以德國的MOOG為典型；產(chǎn)品涵蓋范圍廣、技術成熟，國際上大多單點系泊系統(tǒng)旋轉傳輸裝置均是從MOOG進行配套。

2.2國內發(fā)展現(xiàn)狀

國內對單點系泊系統(tǒng)相關的技術已經(jīng)進行了多年的研究，但其中專門針對內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的研究非常少，尤其是面向LNG-FPSO和LNG-FSRU的內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的研究基本沒有開展。

廣州船舶及海洋工程設計研究院自1984年開始從事近海工程的研究和設計，長期對單點系泊系統(tǒng)和旋轉接頭技術進行資料跟蹤、收集、研究和設計。1986~1992年間，成功研制了SS-800型液體旋轉接頭，并制作了樣機進行了臺架試驗，通過了鑒定及CCS（中國船級社）的認可。該成果于1994年獲中華人民共和國國家科學技術委員會頒發(fā)的國家科技成果證書。SS-800型液體旋轉接頭的研制成功填補了我國海上油田開發(fā)設備的一項空白。但是樣機在高壓15 MPa時遇到困難，且通道數(shù)僅為2個液體通道，所以離實際應用存在較大距離。2006~2007年，受中海油（中國）有限公司的委托，我院又完成了也是用于近海油田開發(fā)的“單點系泊系統(tǒng)流體旋轉接頭專題研究”項目，設計了與SS-800型密封形式完全不同的、具有3通道的SS-1200型流體旋轉接頭，并順利通過中海油公司的驗收。但由于經(jīng)費等原因，未能走到樣機試制階段。

2012年，在國家工信部和中船集團公司的支持下，廣州船院承擔了工信部“懸鏈腿式單點系泊裝置研制”項目，目前該項目正在研發(fā)中。

近幾年來，國內已有大連重工起重、大連中遠等單位開始了單點系泊裝置的研究工作，有利于國家整體研發(fā)能力的提高。

3內轉塔式單點系泊系統(tǒng)功能和組成

3.1 內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的組成和功能

內轉塔式單點系泊系統(tǒng)按解脫方式可分為永久式和可解脫式，早期內轉塔多為永久式，現(xiàn)在越來越多采用可解脫式，尤其是在可能遭遇惡劣海況的海域。

內轉塔式單點系泊系統(tǒng)包括幾大部分：大型浮體（如FPSO）、內轉塔系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)（見圖1）。對FPSO內轉塔式單點系泊系統(tǒng)而言，其主要完成3個功能：

（1）通過錨泊系統(tǒng)保持FPSO在特點區(qū)域，并允許FPSO圍繞單點旋轉，以順應環(huán)境載荷（風標效應）；

（2）流體從立管通過內轉塔系統(tǒng)傳輸?shù)紽PSO上進行工藝處理；

（3）傳輸電力、液壓以及其它介質和信號。

內轉塔式單點系泊系統(tǒng)主要應用在FPSO、LNG－FPSO和LNG－FSRU系統(tǒng)中。

3.2內轉塔系統(tǒng)組成

典型的內轉塔系統(tǒng)包含四個主要部分：

轉塔（T）――主要包括轉塔軸，轉塔腔體， 主軸承和下部軸承；

流體傳輸系統(tǒng)（FTS）－－主要指多通道旋轉接頭和管路系統(tǒng)，位于轉塔上部，并通過轉塔傳遞系統(tǒng)（TTS）來連接；

轉塔傳遞系統(tǒng)（TTS）－－ 主要指中間管匯和轉臺，轉臺可圍繞轉塔旋轉，TTS連接轉塔和FTS；

接口系統(tǒng)（IS）－－主要包括系鏈浮筒、系泊纜、撓性立管，以及旋轉接頭檢視平臺結構和其它輔助設備。

常見的單點系泊內轉塔結構型式見圖1。

4內轉塔式單點系泊系統(tǒng)涉及的關鍵技術

4.1內轉塔式單點系泊系統(tǒng)總體設計

總體設計是內轉塔式單點系泊系統(tǒng)設計要綜合幾方面考慮的問題。

（1）油氣田海域情況，包括海域位置、水文與氣象條件、地質條件等，這通常需要委托專門的海洋氣象與地質調查局（研究院）來進行，獲得專業(yè)環(huán)境條件數(shù)據(jù)和土工數(shù)據(jù)，為錨泊系統(tǒng)的設計和水動力分析提供設計輸入。

（2）油氣品質，包括密度、API重度、粘度、含蠟量、凝點、K值、含硫量、含水量、壓力、溫度等，這些數(shù)據(jù)將由業(yè)主委托專門的公司進行分析提交給設計方，為流體輸送系統(tǒng)（FTS）的設計提供基礎數(shù)據(jù)。

（3）FPSO的功能和工藝要求，包括FPSO主尺度、排水量、油氣存儲量、生產(chǎn)量、服務油氣井的數(shù)量、注水要求、注氣要求、供電要求、通信要求、控制要求等，為工藝系統(tǒng)設計尤其是旋轉接頭的設計提供依據(jù)，如流體旋轉接頭的類型，流體通道的數(shù)量，流體通道的直徑，流體通道介質壓力和溫度，電滑環(huán)的數(shù)量、額度電流和電壓，控制信號、光纖信號滑環(huán)的數(shù)量和規(guī)格，以及公用旋轉接頭（如化學藥劑、儀表氣、氮氣和蒸汽等）的數(shù)量和規(guī)格等。

（4）內轉塔的大小，主要取決于以下幾個因素：船寬的限制、多通道旋轉接頭大小的限制、滾柱軸承直徑（制造能力）的限制、滾柱軸承承載力（制造能力）的限制、筒下立管和臍帶數(shù)量的限制等。

（5）內轉塔式單點系泊系統(tǒng)布置，根據(jù)其功能要求和使用要求，確定內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的結構類型，確定轉塔、轉塔傳遞系統(tǒng)（TTS）、流體傳輸系統(tǒng)（FTS）和接口系統(tǒng)（IS）的結構型式和布置，以及轉塔系統(tǒng)各類輔助裝置的設計、選型和布置等。

4.2與船體的匹配設計

主要包括內轉塔式單點系泊系統(tǒng)與FPSO船體之間的匹配設計、結構形式和結構強度、加工精度和裝配精度要求等的確定。

FPSO船體與系鏈浮筒的接口也就是這個轉塔腔體，轉塔腔體的設計就是匹配設計的關鍵。

4.3主軸承和下部軸承

主軸承是實現(xiàn)單點系泊風標效應的重要部件，由于其尺度較大（直徑約4 m～20 m），所受荷載也較大，又處于海上惡劣環(huán)境條件下，所以軸承選型設計時必須充分考慮其受力特點、耐磨性、密封和防腐等方面的要求。同時，軸承部件的端面跳動、定環(huán)和動環(huán)的圓度、同心度、軸承間隙，以及上下軸承的同軸度等因素均至關重要，處理不好就容易產(chǎn)生不平衡載荷和疲勞載荷，導致軸承迅速損壞。頂部的主軸承是關鍵承載部件，宜采用三排滾柱軸承以承受軸向和徑向載荷。下部軸承受力相對較小，可采用徑向軸承以承受徑向載荷，安裝時確保與轉塔軸線對中。

4.4錨泊系統(tǒng)設計與水動力分析

（1）錨泊系統(tǒng)設計

錨泊系統(tǒng)的設計首先是篩選系泊方案，再根據(jù)水動力計算分析不斷優(yōu)化，在獲得較好結果的情況下通過水池模擬驗證方案的合理性。

錨泊系統(tǒng)對FPSO而言是一個單點系泊系統(tǒng)，而對于轉塔底部的浮筒而言則相當于一個懸鏈腿式系泊系統(tǒng)。

（2）水動力分析

單點系泊系統(tǒng)是一個強非線性系統(tǒng)，涉及到環(huán)境條件的非線性、結構非線性和和系泊線材料的非線性等，而風浪流還具有非定常性。早期分析通常采用準靜力分析，后逐漸采用頻域動態(tài)分析，現(xiàn)已廣泛采用時域動態(tài)分析。系泊系統(tǒng)本身的主要作用是將浮體運動限制在一定范圍內，但同時為保證系泊系統(tǒng)本身的強度，又不宜產(chǎn)生過大的約束力。最小運動與最小系泊力是矛盾的要求，因此系泊系統(tǒng)的設計和分析就在于選擇最適宜的系泊剛度。實際工程設計時，通常借助于比較成熟的商用軟件來對系泊系統(tǒng)進行仿真。常用的分析軟件有AQWA、Orcaflex、HydroStar－Ariane3D、SESAM等。

單點系泊系統(tǒng)在風、浪、流環(huán)境條件下，作用在系泊系統(tǒng)上的載荷，按其隨時間變化的不同特點可劃分為：①數(shù)值恒定的平均載荷；②緩慢變化的低頻載荷；③以波浪頻率變化的高頻載荷（一階力）。平均載荷使海洋結構物具有一個平衡位置，結構物將圍繞這一平衡位置做振蕩運動。低頻載荷是不規(guī)則波引起的二階漂力，它與一階力相比，通常具有較小的數(shù)量級，但因其變化頻率接近系泊系統(tǒng)的固有頻率，容易使結構物發(fā)生慢漂振蕩，這是系泊系統(tǒng)中的主要問題。

4.5旋轉接頭裝置的設計、制造和試驗

高壓多通道流體旋轉接頭是內轉塔式單點系泊系統(tǒng)中最核心的部件，其設計主要包括旋轉接頭總體設計、旋轉接頭本體材料的選擇、旋轉接頭密封結構設計和密封件設計、旋轉接頭回轉軸承選型設計等。

4.5.1旋轉接頭總體設計

旋轉接頭裝置往往處于風、浪、流、潮水等交替作用之下，必須具有更高的安全性；由于海上設施離岸維修條件差、檢修周期長，因此要求旋轉接頭裝置性能可靠、經(jīng)久耐用；旋轉接頭裝置常處于潮濕鹽霧環(huán)境中，海水和大氣腐蝕問題嚴重，旋轉接頭裝置應具有較高的耐腐蝕性；旋轉接頭裝置除了滿足介質傳輸功能外，還要保證不能因旋轉接頭的動密封失效而導致泄漏，否則將造成極其嚴重的后果。旋轉接頭在旋轉的同時要進行油品輸送，這要求大直徑動態(tài)不規(guī)則緩慢回轉密封技術要可靠，密封副材料配對合理。而與密封件組成密封副的重要部位，要求比本體材料更高的性能, 它應該具有很好的抗磨性和耐腐蝕性, 以保證旋轉接頭在作業(yè)過程中不因摩擦面局部損壞而導致密封失效。因此要尋求先進的合適的表面處理技術，對本體材料進行表面強化處理，改變其表面化學成分，組織結構，以獲得工件所需的表面物理和力學性能，提高使用壽命。同時，基座面、安裝面、密封配合面等須確保足夠的加工精度，滿足粗糙度、圓度、同軸度、垂直度和綜合平面跳動度等要求。

4.5.2旋轉接頭結構型式設計

旋轉接頭裝置有多種型式，其總的結構形式取決于油田生產(chǎn)設施對旋轉接頭的功能要求，如傳輸介質、流體壓力、溫度、流量、通道類型、通道數(shù)量等。

旋轉接頭的形式可以多種多樣，不同的結構形式各有其優(yōu)缺點，需要根據(jù)客戶需求、應用場合、制造加工條件、經(jīng)濟性等進行綜合考慮。

4.5.3旋轉接頭本體材料選擇

本體材料的選擇，既要考慮其耐油介質腐蝕、耐海水腐蝕，還要考慮其耐壓等級和結構強度。對于天然氣傳輸、高壓介質傳輸?shù)容^高端的應用（如CFD11油田的旋轉接頭），往往采用雙相不銹鋼材料和鍛造工藝，因其具有較高的機械性能、較好的延展性、耐低溫特性和耐麻點腐蝕性能等，但顯然具有較高的制造成本。對于原油傳輸應用（如BZ25-1油田的旋轉接頭），可考慮多采用碳鋼材料和鑄造工藝，鑄造時加鋁顆?；蜮壴剡M行晶粒細化，同時注意克服鑄造缺陷；在內腔表面尤其是與密封接觸的摩擦面上進行特殊表面處理，如堆焊一層625鎳鉻鋼，既能保證較好的耐高溫、耐腐蝕性和較高的耐磨性，又具有較好的經(jīng)濟性。但要確保堆焊層的焊接強度、堆焊層厚度的均勻性以及焊后熱處理工藝的合理性，通常要進行樣品焊接工藝試驗。

4.5.4旋轉接頭回轉軸承選型

軸承也是整個旋轉接頭最重要的部件之一，用以連接旋轉接頭的內外環(huán)，是實現(xiàn)單點系泊風標效應的功能部件之一。它不同于系泊主軸承，并不承受巨大的系泊力。為了保持旋轉接頭內外環(huán)嚴格的同軸度，以保證旋轉接頭流體流動的安全性和工作壽命，軸承必須有足夠的加工精度和裝配精度，徑向和軸向間隙應能達到總體設計技術要求。根據(jù)其要承受垂向力和傾覆力矩的特點一般選用三排滾柱軸承或圓錐向心軸承。

4.5.5旋轉接頭密封件

密封件是整個旋轉接頭最重要的部件之一，它對旋轉接頭的可靠性、耐久性和安全性具有關鍵性的影響，也是國內外旋轉接頭研制方面最主要的差距所在。旋轉接頭密封材料的主要要求是：在工作介質中有良好的穩(wěn)定性，即不易膨脹及收縮、難溶解、軟化和硬化；在工作介質中壓縮恢復性大，永久變形小；有適當?shù)臋C械強度和硬度，受工作介質影響后，其變化??；耐熱性、耐寒性及吸振性能好；耐磨性好，摩擦系數(shù)??；耐老化性好；密封件材料還必須與密封配合面相“配對”，并經(jīng)過大量試驗確保其可靠性。

常用的密封件材料主要有橡膠改性材料和聚四氟乙烯改性材料。

4.5.6旋轉接頭密封系統(tǒng)布置

為了保證密封的可靠性，旋轉接頭必須采用多道密封。按由內到外的順序，整個油氣通道密封系統(tǒng)通常包括：第一道油氣密封、第二道油氣密封、防水／防塵密封三部分。

4.6立管系統(tǒng)設計

立管系統(tǒng)是內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的重要組成部分，也是一項關鍵技術。對于深海油氣田開發(fā)，海洋立管以其全新的形式、動態(tài)的特性、以及高技術含量變得格外引人注目。適用于FPSO內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的立管主要包括鋼懸鏈立管（SCR）、柔性立管（FR）和塔式立管（HTR）或它們的組合。

為了解決深水立管技術需要一個新型的工業(yè)立管設計標準。第一個立管設計標準是API RP 2RD 1998，然后是挪威船級社OS F2012001。這兩個立管的規(guī)范從原理上不盡相同，美國石油協(xié)會的RP 2RD 是基于許用應力方法，而挪威船級社的OS F201 是基于可靠性分析的荷載抗力系數(shù)法(LFRD) 。

立管系統(tǒng)設計分析主要包括:

（1）確定立管系統(tǒng)設計的基礎文件；

（2）立管系統(tǒng)的選型與總體設計；

（3）管線材料選取及壁厚設計；

（4）立管系統(tǒng)的總體水動力特性分析。

4.7 內轉塔式單點系泊系統(tǒng)海上安裝與試驗

4.7.1海上安裝

主要包括內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的海底錨固安裝、錨鏈系統(tǒng)安裝以及鏈臺浮筒的海上對接安裝和解脫等。

內轉塔式單點系泊系統(tǒng)的海上安裝，必須首先制訂總安裝流程，然后制訂各組成系統(tǒng)，如系錨點的的安裝流程，系泊線（錨腿）安裝流程，浮筒安裝流程，撓性立管安裝、連接流程，海底電纜鋪設、連接流程，F(xiàn)PSO回接流程，以及試驗和試運行流程等，成功后交付使用。

4.7.2內轉塔關鍵部件功能試驗

主要試驗包括轉塔與旋轉接頭的旋轉試驗，以便評估轉塔和旋轉接頭的作用還有FPSO回接后壓力試驗等。

所有管子在連接到相關設備之前還須進行靜壓試驗，保持時間不低于設計要求。

5關于單點系泊裝置國產(chǎn)化

目前，國家已經(jīng)出臺了政策，促進自主創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)化，包括政府加大投入力度、通過無償資助、貸款貼息、補助（引導）資金、保費補貼和創(chuàng)業(yè)風險投資等方式，加大對自主創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化的支持。但在海洋工程高風險、高技術行業(yè)要推動關鍵裝備國產(chǎn)化，扶持力度需要更大一些，引導、鼓勵國內用戶采用國產(chǎn)化裝備的政策和措施更具體一些，以達到加快研發(fā)成果的產(chǎn)業(yè)化和技術進步，早日趕上國際先進水平。

參考文獻

[1] 呂立功, 景勇, 劉振國.FPSO系泊系統(tǒng)設計上的考慮[J].中國造船, 2005(11).

[2] 譚靜軒, 劉振國.FPSO-STP中深水單點系泊系統(tǒng)[J].中國造船, 2005(11).

[3] 薛士輝, 李懷亮, 胡雪峰. 內轉塔式單點系泊系統(tǒng)及安裝工藝介紹[J]. 中國造船, 2008(11).

[4] 趙耕賢. FPSO 內轉塔浮子穴結構建造工藝[J]. 造船, 2006(6).

[5] 房曉明. 文昌油田單點系泊系統(tǒng)海上安裝[J].中國海上油氣(工程), 2003(2).

[6] 劉志剛, 何炎平.FPSO轉塔系泊系統(tǒng)的技術特征及發(fā)展趨勢[J]. 中國海洋平臺, 2006(10).

作者簡介：劉生法（1963-），研究員級高級工程師。主要從事海洋工程設計研究工作。

收稿日期：2014-04-18