“明珠號”FPSO跨海域作業(yè)單點系泊改造分析

韋曉強

（中海油能源發(fā)展采油服務分公司，天津300457）

0 前言

我國海域遼闊，大陸架面積約130萬km2。1979年海上石油開發(fā)實行對外開放以來，我國的海上石油開發(fā)進入高速發(fā)展期。目前，海洋已成為我國重要的原油生產(chǎn)基地［1］。

渤海油田作為我國第一個開發(fā)的海上油田，部分老油田的產(chǎn)量明顯下降，天然氣產(chǎn)能不足。隨著開發(fā)概念和開發(fā)思路的轉(zhuǎn)變，天然氣管網(wǎng)和原油管網(wǎng)更新了規(guī)劃和實施［2］。作為渤海油田開發(fā)生產(chǎn)的浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO），目前已有兩艘處于擱置檢驗狀態(tài)。兩艘浮式裝置為5萬噸級FPSO，按滿足渤海海域作業(yè)設計，單點系泊系統(tǒng)為塔架軟剛臂（YOKE）形式。

為了充分利用現(xiàn)有閑置資源，實現(xiàn)FPSO的重新啟用，擬將其中1艘FPSO“明珠號”，調(diào)遣到北部灣潿洲海域某油田進行生產(chǎn)作業(yè)（見圖1）。

圖1 “明珠號”FPSO

經(jīng)論證，“明珠號”船體部分可以滿足在南海北部灣潿洲海域作業(yè)時的規(guī)范［3］等要求，但原單點系泊系統(tǒng)已不能滿足“明珠號”在南海北部灣潿洲海域作業(yè)時的需求。因此對“明珠號”改用外轉(zhuǎn)塔形式單點系泊系統(tǒng)在北部灣潿洲海域作業(yè)時的適用性做分析論證。

分析計算主要流程：建立不同裝載工況下的水動力面單元模型，進行水動力分析→建立系泊錨鏈模型→船體環(huán)境力計算→篩選危險工況組合→三維全耦合分析→FPSO最大偏移量計算→立管系統(tǒng)分析→船體結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)強度計算分析。

1 “明珠號”概況

“明珠號”具有鋼質(zhì)的船型船體，船體內(nèi)配備有齊全的保船設備。油、氣、水處理設備、發(fā)電設備和惰性氣體發(fā)生裝置等均布置在生產(chǎn)甲板上。船體首部為生活樓與單點，生活樓頂部設有直升飛機平臺。主要參數(shù)：

表1 “明珠號”船體主要參數(shù)

2 單點系泊系統(tǒng)選型

2.1 基礎條件

單點系泊系統(tǒng)按滿足南海潿洲海域100年一遇環(huán)境條件設計、平均水深50 m、設計壽命是15 a。

2.2 單點選型

在滿足潿洲海域環(huán)境條件要求下，充分考慮單點系泊系統(tǒng)與“明珠號”船體的匹配。經(jīng)咨詢SBM、APL、Bluewater、Sofec等世界主流單點系統(tǒng)廠家，外轉(zhuǎn)塔單點型式是所有廠家均推薦的單點型式，在相似海域有較多的工程應用。工程實例如表2。

表2 外轉(zhuǎn)塔單點工程實例

因此，“明珠號”在南海北部灣潿洲海域作業(yè)時的單點系泊系統(tǒng)推薦選用外轉(zhuǎn)塔單點型式。

3 外轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)

外轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)包括外轉(zhuǎn)塔、系泊和軟管/電纜等部分。FPSO采用9根錨鏈系泊，軟管和電纜上端點位于單點立管甲板，下端點與PLEM連接。單點轉(zhuǎn)塔與船體之間通過主軸承連接，且船體可以繞主軸承旋轉(zhuǎn)。

3.1 環(huán)境條件

單點系統(tǒng)按照潿洲海域100年一遇環(huán)境設計條件，風、浪和流的方向按照規(guī)范組合如下：

1）風、浪和流同向；

2）風和流同向，且與浪夾角30°；

3）風與浪夾角 30°，且流與浪夾角 90°。

采用數(shù)值模擬方法，計算分析不同環(huán)境條件方向組合及不同船體裝載工況下的系泊力和船體運動。環(huán)境條件見表3。

3.2 基本準則

外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)研究通常需要校核系泊設計、軟管/電纜設計以及船體結(jié)構(gòu)強度。FPSO滿載和壓載工況下，系泊、軟管/電纜和船體結(jié)構(gòu)均需滿足100年一遇環(huán)境設計要求。

表3 環(huán)境條件

3.3 外轉(zhuǎn)塔單點總體結(jié)構(gòu)

外轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)位于FPSO船首，包括旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分，其中旋轉(zhuǎn)部分包括FPSO船體和懸臂梁；非旋轉(zhuǎn)部分包括轉(zhuǎn)塔、系泊系統(tǒng)。FPSO繞轉(zhuǎn)塔主軸承旋轉(zhuǎn)。其總體形式見圖2，系統(tǒng)總體布置見圖3。

圖2 外轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)示意圖

圖3 外轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)總體布置

轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)塔柱體、立管甲板、清管甲板、滑環(huán)堆棧、主軸承、系泊錨鏈、軟管/電纜及其他輔助設備，總體布置見圖4。船體和滑環(huán)可繞轉(zhuǎn)塔自由轉(zhuǎn)動。

圖4 轉(zhuǎn)塔總體布置

系泊系統(tǒng)由9根錨鏈組成，可為FPSO提供安全、可靠的永久系泊。錨鏈采用無擋錨鏈形式，錨鏈底部與樁錨鏈接，設計壽命15 a。

軟管/電纜系統(tǒng)包括1根生產(chǎn)立管、1根注水立管和1根電纜。

主軸承將系泊、軟管和電纜荷載傳遞到轉(zhuǎn)塔和船體結(jié)構(gòu)。

3.4 系泊系統(tǒng)設計

3.4.1 設計準則

系泊系統(tǒng)設計按照API 2SK規(guī)范［3］設計，安全系數(shù)取值見表4。

表4 系泊系統(tǒng)設計安全系數(shù)

3.4.2 系泊系統(tǒng)布置

系泊系統(tǒng)由9根錨鏈組成，成3×3布置形式，平面布置見圖5。

圖5 系泊系統(tǒng)平面布置

每3根錨鏈構(gòu)成1組，且組內(nèi)錨鏈夾角是5°。每一組錨鏈之間的夾角是110°，系泊半徑約900 m，錨鏈的組成見表5。

表5 錨鏈組成

3.4.3 分析計算結(jié)果

計算分析了100年一遇條件下，完整工況和破斷工況下的錨鏈張力和FPSO位移。計算分析結(jié)果見表6和表7。

表6 完整工況系泊分析結(jié)果

表7 破斷工況系泊分析結(jié)果

根據(jù)計算分析結(jié)果，系泊系統(tǒng)設計滿足規(guī)范［3］要求。

3.4.4 立管形式

立管系統(tǒng)包括1根8英寸（1英寸=25.4 mm）生產(chǎn)柔性軟管、1根6英寸注水柔性軟管和1根4英寸電纜。根據(jù)水動力計算分析結(jié)果，F(xiàn)PSO波頻運動較大且由于水深較淺、流速較大，使用陡波形立管形式，分析結(jié)果見表8，海管海纜布置見圖6。

表8 立管系統(tǒng)分析結(jié)果

圖6 海管海纜布置圖

3.5 懸臂梁結(jié)構(gòu)

懸臂梁從首樓甲板開始，貫穿主甲板、底甲板至B甲板。懸臂梁頂部與首樓甲板相連，底部與B甲板相連，見圖7。

3.5.1 懸臂梁結(jié)構(gòu)設計

懸臂梁主要承受由船體運動和錨鏈引起的水平力和豎向力，見圖8。由于FPSO可繞單點轉(zhuǎn)動，不考慮橫向力對懸臂梁的影響。

懸臂梁結(jié)構(gòu)設計采用ANSYS軟件計算分析，其模型見圖9。

圖7 懸臂梁側(cè)視圖

圖8 懸臂梁主要荷載

圖9 懸臂梁結(jié)構(gòu)有限元模型

懸臂梁根部采用固定約束見圖10。

圖10 懸臂梁根部約束

計算分析僅考慮了最危險的工況，各荷載力的方向見圖11。

圖11 計算模型荷載

懸臂梁采用Q235鋼材，根據(jù)計算分析結(jié)果，懸臂梁整體結(jié)構(gòu)應力低于許可應力。懸臂梁應力分布圖見圖12。

圖12 懸臂梁應力分布圖

3.6 船體結(jié)構(gòu)加強計算分析

船體結(jié)構(gòu)加強改造設計采用ANSYS軟件計算分析。計算分析中，懸臂梁采用梁單元進行模擬，轉(zhuǎn)塔和上部龍門結(jié)構(gòu)用質(zhì)量點模擬，有限元模型見圖13。

船體結(jié)構(gòu)加強設計荷載主要包括轉(zhuǎn)塔重量、靜水壓力、系泊力和慣性力。懸臂梁自重按照密度由軟件計算得到。

船體濕表面施加靜水壓力，見圖14。FPSO設計吃水是11.7 m，在平均海平面處，靜水壓力為0，在船底位置靜水壓力為0.1176 N/mm2。

圖13 船體與懸臂梁結(jié)構(gòu)有限元模型

系泊力采用100年一遇最大系泊載荷，水平力、豎向力和彎矩計算值見表9。慣性力僅考慮FPSO縱蕩和垂蕩方向加速度，設計取值見表10。

表9 最大系泊載荷

圖14 濕表面靜水壓力（吃水11.7 m）

表10 最大運動加速度

船體結(jié)構(gòu)采用Q235鋼材，根據(jù)計算分析結(jié)果，除了局部熱點，船體結(jié)構(gòu)整體強度低于許可應力。應力結(jié)構(gòu)云圖見圖15。

圖15 應力結(jié)構(gòu)云圖

4 結(jié)語

1）“明珠號”跨海域作業(yè)外轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)的適用性分析表明，對長期服役于溫和海況條件下的FPSO，在船體部分滿足惡劣海況海域作業(yè)要求的前提下，在一定水深范圍內(nèi)通過改變其單點系泊形式可以實現(xiàn)跨海域作業(yè)，能極大提高FPSO（尤其是閑置FPSO）的作業(yè)能力和運營率。

2） 因不同油田原油物性存在差別，本文未對FPSO的工藝處理系統(tǒng)進行分析。項目研究前期建議需對FPSO的原工藝處理系統(tǒng)作出分析評估。

3）“明珠號”屬于高齡FPSO。單點系泊系統(tǒng)改造投資在整個FPSO改建中占比較大。建議類似項目在設計初期應結(jié)合油田的實際經(jīng)濟年限確定出單點系泊系統(tǒng)科學合理的壽命期，達到節(jié)省投資的目的。

4）目前設備國產(chǎn)化率不斷提高，現(xiàn)役FPSO的單點系泊系統(tǒng)改造可采用國產(chǎn)化設備，打破國外壟斷，降低FPSO改建投資，以期發(fā)揮低油價下閑置FPSO在"全海式"開發(fā)中、小油田中的應用優(yōu)勢。