苗宗葉中海油能源發(fā)展股份有限公司銷售服務(wù)分公司 天津 300457

FPSO限位作業(yè)中載荷分析及拖輪配置

苗宗葉
中海油能源發(fā)展股份有限公司銷售服務(wù)分公司 天津 300457

浮式生產(chǎn)儲油輪（FPSO）為現(xiàn)今海洋石油開發(fā)的主流設(shè)施之一，其生產(chǎn)運(yùn)營期間通過單點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與其他生產(chǎn)設(shè)施的連接與FPSO的定位。為了保證在FPSO旋轉(zhuǎn)半徑內(nèi)有施工需求時，不影響正常的生產(chǎn)運(yùn)營，需要對FPSO進(jìn)行限位作業(yè)。本文以渤海明珠號”FPSO在BZ25-1油田的限位作業(yè)為例，分析作業(yè)海域環(huán)境條件，計(jì)算FPSO所受到的風(fēng)、流等環(huán)境載荷，確定限位方案、拖輪及其相關(guān)屬具的配置，對保證FPSO海上作業(yè)安全性有著重要的意義。

FPSO；限位；載荷分析；拖輪配置

引言

FPSO（floating production storage and offloading）即浮式生產(chǎn)儲油輪是一種龐大的綜合性海洋石油生產(chǎn)基地，可以在其系統(tǒng)中完成石油天然氣的生產(chǎn)加工、內(nèi)部儲存、外部輸送及生活、動力供應(yīng)的一整套過程。投入使用至今，F(xiàn)PSO以其經(jīng)濟(jì)性、多功能性、海域適用性、可靠性等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于淺海、深海和邊際油田的海洋石油開發(fā)中，成為了各國海上石油工程發(fā)展的重要領(lǐng)域。

FPSO通過單點(diǎn)（SPM）與油田其他生產(chǎn)設(shè)施連接，在風(fēng)、流等外力的作用下，F(xiàn)PSO會圍繞著單點(diǎn)做自由旋轉(zhuǎn)。

引言

FPSO（floating production storage and offloading）即浮式生產(chǎn)儲油輪是一種龐大的綜合性海洋石油生產(chǎn)基地，可以在其系統(tǒng)中完成石油天然氣的生產(chǎn)加工、內(nèi)部儲存、外部輸送及生活、動力供應(yīng)的一整套過程。投入使用至今，F(xiàn)PSO以其經(jīng)濟(jì)性、多功能性、海域適用性、可靠性等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于淺海、深海和邊際油田的海洋石油開發(fā)中，成為了各國海上石油工程發(fā)展的重要領(lǐng)域。

FPSO通過單點(diǎn)（SPM）與油田其他生產(chǎn)設(shè)施連接，在風(fēng)、流等外力的作用下，F(xiàn)PSO會圍繞著單點(diǎn)做自由旋轉(zhuǎn)。但是，在生產(chǎn)運(yùn)營期間，在FPSO旋轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)可能會有大型船舶進(jìn)行施工，為了保障油田開發(fā)和單點(diǎn)系統(tǒng)的日常維保，此時就需要施加外力（通常為拖輪拖帶方式）將FPSO穩(wěn)定和控制在一定的范圍內(nèi)，避免FPSO與靠近附近施工的其他設(shè)施發(fā)生碰撞等，這項(xiàng)作業(yè)稱之為“限位”。在限位作業(yè)過程中，應(yīng)根據(jù)FPSO作業(yè)區(qū)域的風(fēng)、流等自然環(huán)境，準(zhǔn)確分析FPSO受風(fēng)、流等載荷的影響，合理選配拖輪，制定詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃，確保限位作業(yè)安全成功。

本文以“渤海明珠號”FPSO在BZ25-1油田（SPM位置38°13′25.854″N 119°07′16.908″E）的限位作業(yè)為例，分析并計(jì)算其限位作業(yè)中的載荷，確定在FPSO穩(wěn)定與控制過程中的拖輪布置等內(nèi)容。從實(shí)際工程的角度，分析作業(yè)過程的極限載荷并討論風(fēng)險規(guī)避，確保整個控制過程中單點(diǎn)系統(tǒng)和作業(yè)船舶的安全性。

一、FPSO參數(shù)與環(huán)境條件

1.FPSO船體參數(shù)

“渤海明珠號”FPSO載重58000噸，采用軟鋼臂單點(diǎn)系泊裝置進(jìn)行定位作業(yè)，主要服務(wù)海域?yàn)椴澈?，工作水深?0m以下，屬于淺水。其主尺度如表1所示。

表1 FPSO主尺度

2.油田環(huán)境參數(shù)

目標(biāo)FPSO的作業(yè)油田地理位置前文中已給出，其中具體的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)、浪、流的極值條件

二、環(huán)境載荷計(jì)算分析

分析中風(fēng)向和流向與FPSO的入射角定義如圖1所示。

圖1 風(fēng)向和流向與FPSO的夾角定義

1.風(fēng)載荷與流載荷

FPSO所受風(fēng)載荷與流載荷采用OCIMF出的公式與系數(shù)計(jì)算。風(fēng)載荷、流載荷計(jì)算公式見式（1）、（2）。

式中：

載荷分量分別對應(yīng)風(fēng)、流引起縱蕩力、橫蕩力及首搖力矩；

其余為風(fēng)力系數(shù)與流力系數(shù)，是風(fēng)、流相對于FPSO的入射角的函數(shù)，其值通過試驗(yàn)獲得。

根據(jù)以上公式分別計(jì)算和分析了在滿載狀態(tài)（吃水=11.7m）下和壓載狀態(tài)（吃水=8.423m）下，單位風(fēng)速（1m/s）下作用于FPSO的風(fēng)力和風(fēng)向的關(guān)系和單位流速（1cm/s）下作用于FPSO的流力與流速的關(guān)系（由于受本文篇幅的限制，在此不再列舉出來）。

2.最大單位載荷

根據(jù)計(jì)算與分析結(jié)果，可以得出：當(dāng)風(fēng)向、流向與FPSO成90°時，F(xiàn)PSO遭受到最大的單位載荷，具體結(jié)果如表3所示。

表3 最大單位載荷

三、限位拖輪配置

根據(jù)實(shí)際工程施工過程中工程船布設(shè)錨的方位和錨纜長度的要求，F(xiàn)PSO的允許活動范圍如圖2所示，即要求FPSO被穩(wěn)定在首向角為118°至235°的117°范圍內(nèi)。

圖2 FPSO限位圖

根據(jù)環(huán)境資料，BZ25-1油田海域的海流為往復(fù)流，主流向約為漲潮時112.5°左右、落潮時292.5°左右。再考慮到施工作業(yè)限定條件（參見圖2），本次限位作業(yè)確定FPSO被控制在首向角為120°左右的位置，如圖3所示。

圖3 FPSO的被限位置

為了穩(wěn)定和控制FPSO，保證單點(diǎn)系統(tǒng)和作業(yè)船舶的安全性，結(jié)合前文中的計(jì)算與分析結(jié)果，本次限位作業(yè)采用2條輸出拖力大于50t的拖輪來實(shí)現(xiàn)對FPSO的控制。針對不同的海況，具體的拖輪布置方案可采用如下兩個：方案一：No.1拖船布置在FPSO的尾部，主要作用為抵抗環(huán)境載荷中風(fēng)、流的轉(zhuǎn)船力矩，使FPSO穩(wěn)定在被控位置；No.2拖船布置在FPSO中部(離單點(diǎn)距離約70m），主要作用為抵消不平衡力，保護(hù)單點(diǎn)系統(tǒng)的安全。方案二：No.1、No.2拖船均布置在FPSO的尾部，即No.2拖船移至FPSO的尾端左舷或右舷，與NO.1拖船一起抵抗環(huán)境載荷中風(fēng)、流的轉(zhuǎn)船力矩，穩(wěn)定FPSO，保證限位作業(yè)達(dá)到應(yīng)有的效果。

四、風(fēng)險規(guī)避及拖纜、拖點(diǎn)要求

1.風(fēng)險規(guī)避

在海況較好的條件下(風(fēng)力不超過三級，海況不超過二級)，穩(wěn)定和控制FPSO時出現(xiàn)誤操作的可能性相對較小。而當(dāng)海況變化惡劣(風(fēng)力超過三級，海況二級以上)的情況時，穩(wěn)定和控制FPSO時則相對較容易出現(xiàn)誤操作，可以從以下幾方面出發(fā)來規(guī)避風(fēng)險，避免誤操作的發(fā)生：

⑴在拖船選擇上，盡可能使用操縱性能好、拖力高的拖船，如：ZP型、VSP型拖船。

⑵拖纜必須選擇質(zhì)量好、強(qiáng)度大的拖纜，出纜的長度應(yīng)足夠。拖纜系于纜樁上，應(yīng)采用∞字形，且道數(shù)應(yīng)足夠，防止受力后滑出。拖船拖力宜漸次增大，以防止在拖纜上沖擊張力的產(chǎn)生。

⑶拖船必須保證就位良好，且在拖船與FPSO之間保持不斷的通信聯(lián)系，使得拖船能夠及時的了解風(fēng)向、風(fēng)速、FPSO首向、潮流情況等，以便作業(yè)順利進(jìn)行。

⑷當(dāng)FPSO被控制在規(guī)定的位置后，可適當(dāng)松緩?fù)侠|，允許FPSO在允許的范圍內(nèi)自由運(yùn)動，此操作方式可以減小單點(diǎn)受力，降低發(fā)生風(fēng)險的可能性[7]。

⑸當(dāng)No.1拖船發(fā)生故障時，No.2拖船應(yīng)及時移到尾部替代No.1拖船。

2.拖纜確定

對于拖纜的選取，基于Mooring Equipment Guidelines （1997），OCIMF（Oil Companies International Marine Forum）的要求進(jìn)行。本文所選用的拖船拖力為50噸，拖纜效率為70%，最大允許拉力為最小破斷負(fù)荷的55%。那么：

⑴若拖纜采用鋼絲繩：最小破斷力（噸）＝拖船的橫向最大拖力/（0.7*0.55）=130（噸）。

⑵考慮到鋼絲繩使用不方便，還可以選用尼龍繩，但其強(qiáng)度應(yīng)增加20%（尼龍纜在潮濕狀態(tài)下，其強(qiáng)度減弱20%）。即當(dāng)拖纜為尼龍繩時：最小破斷力為：1.2*130 =156( 噸)。

基于以上分析，本次作業(yè)選用的拖纜為直徑120毫米尼龍繩(8股)，最小破斷力為166噸。

為充分發(fā)揮拖船的有效拖力，保證操作的靈活性以免使拖纜承受更大的張力，應(yīng)使拖纜有最小的俯角，一般情況應(yīng)小于15°，即：拖纜長度應(yīng)大于FPSO拖纜出口至水面高度的4倍以上，最小長度為45米，根據(jù)天氣情況和周圍海域作業(yè)環(huán)境的變化，適當(dāng)調(diào)整拖纜的長度。

3.拖點(diǎn)強(qiáng)度

FPSO甲板上的帶纜樁的安全工作載荷(SWL)應(yīng)大于70t，如圖4所示，否則的話，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

圖4 FPSO甲板帶纜樁安全工作載荷要求

五、結(jié)論

隨著世界各沿海國家對于海洋資源的開發(fā)，F(xiàn)PSO憑借著諸多優(yōu)勢成為了現(xiàn)今海洋石油開發(fā)的主流設(shè)施之一。在我國的海上石油開采中，渤海油田開發(fā)占有著重要的地位，由于工作水深較淺，F(xiàn)PSO多采用軟剛臂式的單點(diǎn)系泊方式，圍繞著單點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動。有時出于施工要求，需要將FPSO限定的一定的角度范圍內(nèi)，即限位作業(yè)。本文通過以BZ25-1油田作業(yè)的“渤海明珠號”FPSO為例，分析并計(jì)算其限位作業(yè)過程中的環(huán)境載荷，確定拖輪配置，穩(wěn)定和控制FPSO，保證海上石油生產(chǎn)的同時降低作業(yè)的安全風(fēng)險，具有較高的工程實(shí)用價值。

[1] 肖龍飛,楊建民. FPSO水動力研究與進(jìn)展［J.海洋工程,2006,24(4):116-123．

[2] 劉志剛,何炎平. FPS0轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢[J].中國海洋平臺.2006(5):1-6.

[3] 李士濤,于長生,商濤，等. 不停產(chǎn)狀態(tài)下運(yùn)用單拖輪對FPSO 限位的可行性研究［J］. 中國造船，2012，53(S2):316-320．

[4] Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floting Structures［S］． Recommended Practice 2SK，3rd Edition，America: American Petroleum Institute，2005．

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[6] Van Oortmerssen. The Motion A Ship in Shallow Water[J]. Ocean Engineering. 1976, 3(4): 221-255.

[7] Yang J M, Xiao L F, Peng T, et al. Experimental Research on Motion Performance of Large FPSO in Shallow Water[C]. Proc. of the 3rd New S-Tech Conf. Kobe, Japan:2002.

中海油液貨外輸終端（碼頭）與船舶匹配性研究（HFXMLZXS2016001）

【作者簡介】苗宗葉(1975～)，男，漢，中海油能源發(fā)展股份有限公司銷售服務(wù)分公司，船長，研究方向：海洋石油開發(fā)。

Load analysis and tug configuration during FPSO position limiting operation

Miao Zong-ye，CNOOC Energy Technology & Services-Marketing Services Co.Ltd, Tianjin，300457

Nowadays FPSO is one type of the mainstream offshore oil development facilities. During its production, it can connect with other production facilities and f x the FPSO position via a single point. In order to guarantee that there is no impact on the normal production when there are construction requirements in the FPSO rotating radius, the FPSO should be limited in a f xed position. This paper takes the position limiting operation of “Bo Hai Ming Zhu” FPSO as an example, which locates in BZ25-1 oilf eld. It determines the position limiting scheme, and the tug and relevant f ttings required by analyzing environmental conditions of the sea area and calculating the environmental loads such as wind, f ow and so on. It is of great signif cance to ensure the safety of FPSO operation on the sea.

FPSO；position limiting operations；load analysis；tug conf guration

U698.6

A

楊旭（1985～），男，漢，中國石化集團(tuán)金陵石化公司烷基苯廠，高級工程師，研究方向：煉化設(shè)備管理和設(shè)備國產(chǎn)化工作。