南海FPSO單點系泊系統(tǒng)中系泊腿特殊設(shè)計與應(yīng)用

張寶雷

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452)

0 引 言

南海某油田位于南中國海珠江口盆地北部坳陷帶西南緣凹陷南部，南海番禺油田區(qū)塊以西，位于香港以南約200 km，該海域水深約為88 m。根據(jù)油田的地理位置，同時考慮附近環(huán)境條件和地質(zhì)油藏情況，通過對該油田進(jìn)行技術(shù)方案深度研究，最終確定該油田開發(fā)方案采用1座鉆采平臺+1艘FPSO(浮式儲油生產(chǎn)系統(tǒng))+1條海底混輸管道+1條海底復(fù)合電纜的方案。

此FPSO布置于該油田鉆采平臺西北2.2 km處，其相對固定平臺的位置主要基于設(shè)施方位、環(huán)境條件方向、外輸操作便利性等因素來確定。

根據(jù)以往南海FPSO單點系統(tǒng)的水下系泊腿設(shè)計，主要考慮應(yīng)用大型安裝設(shè)備進(jìn)行安裝，系泊腿的設(shè)計不受安裝資源能力的限制。近年來，海上安裝的整體思路逐漸向以DSV(潛水支援船)等更為靈活的小型資源為主作業(yè)船，考慮到小型資源的吊裝能力、甲板面積等限制，這就對系泊腿的設(shè)計提出了一定要求，因此本文在南海某油田FPSO單點系泊系統(tǒng)選型、詳細(xì)設(shè)計、建造兼顧后期海上安裝的一體化設(shè)計及工程管理取得成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)專題論證并總結(jié)出更行之有效的解決辦法，為今后類似工程設(shè)計項目提出了建設(shè)性的技術(shù)工作建議[1-5]。

1 南海某油田FPSO單點系泊系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則

根據(jù)行業(yè)內(nèi)各規(guī)范對系泊系統(tǒng)設(shè)計的最低要求(長期系泊的單點須滿足百年一遇極端環(huán)境條件)，考慮到南海各區(qū)塊近年極端環(huán)境條件不斷刷新紀(jì)錄，從極端惡劣環(huán)境條件以及該FPSO服役整個南海的角度(該海域500年一遇環(huán)境條件接近周邊海域100～200年一遇環(huán)境條件)出發(fā)，適當(dāng)提高設(shè)計條件，可有效避免以往的事故，該FPSO船體和單點系泊系統(tǒng)均按照500年一遇極端條件進(jìn)行設(shè)計。

考慮到單點系泊系統(tǒng)所占FPSO整體投資較大，且與單點系泊系統(tǒng)設(shè)計中的風(fēng)、浪和流組合，波高和周期的關(guān)系密切，確定科學(xué)合理的設(shè)計參數(shù)，避免因為采用500年一遇的設(shè)計條件而導(dǎo)致工程投資大幅度增加是確定設(shè)計環(huán)境條件的大前提或原則。在經(jīng)過反復(fù)論證之后，確定該FPSO單點系泊系統(tǒng)最終設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 500年一遇環(huán)境設(shè)計條件。

(2) 設(shè)計年限為30年。

(3) 應(yīng)用BV船級社對風(fēng)、浪、流組合要求以及環(huán)境要素折減原則。

(4) 錨系構(gòu)件腐蝕裕量為0.3 mm/a。

(5) 依照動態(tài)分析要求，錨系完整狀態(tài)安全系數(shù)不小于1.67，單根錨系破斷狀態(tài)安全系數(shù)不小于1.25。

考慮到潛在的周邊油田開發(fā)需求，同時盡量避免在服役期間維修系泊纜的高昂費用，系泊腿等受力結(jié)構(gòu)按照設(shè)計壽命30年考慮。在此原則上，最終確定此FPSO單點系泊系統(tǒng)水下錨系構(gòu)件的規(guī)格高于南海海域其他幾艘同類FPSO單點系泊系統(tǒng)的水下錨系構(gòu)件規(guī)格，其參數(shù)對比如表1所示。

表1 南海海域同類型FPSO單點系泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)對比

(續(xù) 表)

① 1 in=2.54 cm。

2 系泊腿的特殊設(shè)計

該FPSO設(shè)計采用500年一遇的環(huán)境條件，由此導(dǎo)致系泊錨系構(gòu)件的規(guī)格明顯提高，特別是錨樁長度和重量都超過以往類似項目，同屬于大型結(jié)構(gòu)物吊裝作業(yè)，通常情況下需要動員大型的重吊船等施工資源，其作業(yè)難度和作業(yè)風(fēng)險都遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)物安裝。另外，由于該FPSO單點系泊系統(tǒng)由以往的3×3組(9腿)增加為4×3組(12腿)，其海上安裝作業(yè)周期明顯加長。為保證在有限的氣候窗內(nèi)完成海上安裝，項目組針對性地提出了錨系構(gòu)件連接方式的優(yōu)化設(shè)計，并據(jù)此調(diào)整海上安裝船順序和作業(yè)方式，最終實現(xiàn)安全且高效的海上安裝作業(yè)。

2.1 錨鏈分段式設(shè)計

該FPSO的系泊錨系原設(shè)計分別由錨樁(84 in)、下錨鏈(40 m)、下鋼纜(665 m×8+965 m×4)、躺地鏈(220 m)和上鋼纜(121 m)組成。其中，220 m躺地鏈按照功能性又可分為調(diào)整鏈、配重鏈和普通過渡鏈三部分，躺地鏈原設(shè)計在工廠生產(chǎn)完成后進(jìn)行分段標(biāo)記，用于現(xiàn)場識別。該常規(guī)設(shè)計符合錨系設(shè)計的強度和剛度要求，但如此設(shè)計會因為錨系安裝船甲板和錨鏈艙空間受限等，導(dǎo)致安裝資源得不到最優(yōu)化，施工期和費用增加?？紤]到作業(yè)順序優(yōu)化的需要，我們創(chuàng)新性地提出了將躺地鏈進(jìn)行分段式設(shè)計和生產(chǎn)，其調(diào)整鏈、配重鏈和普通過渡鏈均采用特殊的H形連接件連接，如圖2和圖3所示。

圖1 某FPSO水下錨系躺地鏈分段設(shè)計示意圖

圖2 H-Link示意圖

圖3 一體式安裝和分段式安裝示意圖

通過比較整條設(shè)計/生產(chǎn)和分段設(shè)計/生產(chǎn)對海上安裝作業(yè)的影響，不難看出，采取整條設(shè)計時只能采用傳統(tǒng)的N形鋪設(shè)方式，由于錨系安裝船甲板和錨鏈艙空間有限，單趟僅能裝載兩條220 m長的躺地鏈，配重塊只能在海上現(xiàn)場進(jìn)行裝配，單趟躺地鏈的鋪設(shè)海上作業(yè)都將耗時一個月之久。改為分段設(shè)計后，可以將躺地鏈的鋪設(shè)方式從一體式安裝改為分段式安裝，如圖4所示，即前半程完成12條下鋼纜和調(diào)整鏈的鋪設(shè)，同時在陸地完成全部配重塊的裝配，后半程只需在現(xiàn)場連接調(diào)整鏈、配重鏈和過渡鏈，就可以省去傳統(tǒng)鋪設(shè)方式中現(xiàn)場裝配配重塊的作業(yè)時間。采用優(yōu)化后的H形連接分段安裝設(shè)計后，施工總工期可較原設(shè)計節(jié)省約11%，相應(yīng)的施工費用節(jié)省約6%，如圖5所示。

圖4 施工費用和工期對比圖

2.2 單銷式抗剪切配重塊設(shè)計

為了確保單點系泊錨系的剛度以及立管系統(tǒng)的安全，F(xiàn)PSO系泊后的最大安全漂移范圍需要控制在以單點系泊為中心的設(shè)計圓周范圍內(nèi)。在系泊設(shè)計時，通常在錨系躺地鏈段另行增加配重，增加配重有利于改善系泊系統(tǒng)的回復(fù)特性。綜合考慮后期海上安裝的可行性和便利性，在錨系配重設(shè)計時，可以在靠近錨系單點系泊中心著泥點位置選擇附加錨鏈或者配重塊的形式。當(dāng)FPSO漂移很小時，配重鏈躺在海床上，相對靜止；當(dāng)FPSO隨著風(fēng)、浪、流的漂移增大時，漂移反向位置錨系的配重鏈會被抬離海床，配重鏈則隨著FPSO往返漂移而上下往復(fù)抬離和落回，并撞擊海床，導(dǎo)致配重鏈的主鏈和配重塊連接存在較大的運動疲勞，越靠近單點中心位置，疲勞問題就越突出。因此，配重塊連接疲勞問題是其設(shè)計考慮的最為關(guān)鍵的因素之一。水下錨系布置及配重塊位置如圖6所示。

在單點系泊錨系配重設(shè)計選型時，通常選用分體式配重塊，其配重塊由兩瓣鑄體組成，在拼接設(shè)定的配重鏈環(huán)上，兩瓣鑄體設(shè)計為銷柱螺栓連接。該配重塊設(shè)計在南海之外的各海域的實際應(yīng)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單點錨系配重塊在運行5年內(nèi)，相繼發(fā)生多處脫落情況，如圖7所示。

圖5 水下錨系布置及配重塊位置示意圖

圖6 原分體式系泊腿配重塊連接松弛和脫落

圖7 單體式配重塊設(shè)計示意圖

圖8 球珠形快速接頭裝配示意圖

通過進(jìn)一步分析，認(rèn)定配重塊外形和螺栓連接方式設(shè)計不合理，加之FPSO漂移引起配重塊抬離和落回泥面的往復(fù)運動引起的連接疲勞損壞，是導(dǎo)致系泊錨系配重塊出現(xiàn)脫落的主要原因。為提高配重塊設(shè)計在單點系泊錨系設(shè)計壽命內(nèi)的可靠性和完整性，配重塊改用單體單銷式抗剪切設(shè)計，大大減少連接設(shè)計失效的問題，如圖8所示。該單銷式配重塊可有效提供超過1倍的抗剪切能力，同時將單體式配重塊的重量減小至原設(shè)計的1/3，其抬離再落回海床時的撞擊載荷也大大降低，導(dǎo)致配重塊本身的順變應(yīng)力和連接螺栓集中應(yīng)力都大大減小，從而在很大程度上提高了配重塊的連接可靠性。為進(jìn)一步提高配重塊的可靠性，我們還對配重塊的鑄件材料和螺栓連接也進(jìn)行了調(diào)整，原灰鐵鑄件改為球墨鑄鐵，重點校核并配備規(guī)格合理的連接螺栓，并且在配重塊陸地裝配時對連接螺栓進(jìn)行預(yù)張緊，從而減少配重塊撞擊海床時螺栓連接的應(yīng)力變化，提高螺栓連接的抗疲勞性能。

同時，單體式配重塊的裝配簡易，其配重重心位于螺栓與鏈環(huán)連接的水平面下方，確保配重鏈下放過程中不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。新型單體式配重塊的設(shè)計非常有利于陸地裝配，可以縮短海上作業(yè)的關(guān)鍵路徑，規(guī)避海上現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險。該FPSO的單體式配重塊自投用至今已超過5年，截至目前暫未發(fā)現(xiàn)脫落、松動和破損跡象。由此可知，新式單體配重塊的實際應(yīng)用效果良好，有效規(guī)避了原分體式配重塊的缺陷。

2.3 大型球珠形快速接頭連接方式

錨系與系泊浮筒回接是單點錨系安裝的一大難點，回接方法的選擇也因錨系與浮筒連接方式的不同而有所不同，比如SOFEC設(shè)計的系泊浮筒通常選用對角提拉，SBM設(shè)計的系泊浮筒通常選用假體浮筒輔助回接，APL設(shè)計的系泊浮筒通常選用吊裝入水再壓載。常規(guī)的錨系和系泊浮筒連接設(shè)計方式都是硬連接，連接銷柱的尺寸較大，錨系張力和作業(yè)空間受限，導(dǎo)致作業(yè)難度極大。同時，又因為錨系連接作業(yè)時浮筒所處水深并非潛水作業(yè)的理想水深位置，從而給潛水作業(yè)帶來了很大的風(fēng)險。

為解決錨系與浮筒連接作業(yè)的上述難題，本項目針對性地選用目前階段可靠性較高的球珠形快速接頭連接方式，將母接頭裝配在浮筒錨系連接軸體上，并預(yù)裝好必要的索具，公接頭裝配在鋼纜索接頭上，如圖9和圖10所示。相對于傳統(tǒng)索接頭設(shè)計，每個索接頭需要飽和潛水安裝約2天，該快速接頭僅需ROV支持安裝，且每個工期約為1天，該方式不僅可減少對飽和潛水資源的依賴，同時可有效降低施工時間和費用。索接頭與快速接頭對比如表2所示。

圖9 球珠形快速接頭連接作業(yè)示意圖

對比項目原索接頭新快速接頭連接資源飽和潛水ROV連接工期2天/個1天/個

3 結(jié) 語

截至南海某油田新建FPSO投產(chǎn)之前，南海先后投用的近10條FPSO無一例外地均采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)。本文上述的三個特殊設(shè)計是在對以往FPSO單點系泊腿設(shè)計的經(jīng)驗和教訓(xùn)總結(jié)后，針對南海某油田提出的適用性優(yōu)化設(shè)計。以上三個特殊設(shè)計分別從系泊腿的安裝方式、操作維護(hù)和浮筒連接方式等三個方面對系泊腿的設(shè)計提供可借鑒的設(shè)計思路。

(1) 巧用H-Link等連接件對系泊腿進(jìn)行分段設(shè)計。目前南海的海上施工不再僅依賴于浮吊等大型施工船，而更多地采用更為靈活且適應(yīng)性強的DSV作為主作業(yè)船進(jìn)行系泊系統(tǒng)的安裝。系泊腿的分段設(shè)計給DSV等小型資源互相配合安裝提供了較強的可實施性。使得南海油氣開發(fā)的施工方式更為靈活，可用資源更為豐富，進(jìn)而有效地推動了南海油氣開發(fā)走向深海的步伐。同時，在一定程度上提高了施工效率并節(jié)省了資源占用費用。

(2) 一體式配重塊解決操作維護(hù)難題。相較于南海多條FPSO采用的分體式配重塊在操作維護(hù)過程中遇到的易脫落難題，一體式配重塊的設(shè)計在總結(jié)原設(shè)計的優(yōu)勢和缺陷的基礎(chǔ)上，從配重塊形式和材質(zhì)兩個方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在確保適當(dāng)?shù)南挡磩偠鹊那疤嵯拢行У亟鉀Q了配重塊易脫落的難題，并經(jīng)過了時間的考驗。

(3) 應(yīng)用新型球珠形快速接頭提高浮筒連接效率。通常，快速接頭主要應(yīng)用于深水或超深水，不便使用飽和潛水的錨鏈進(jìn)行連接。然而，通過對以往FPSO的STP浮筒與系泊腿連接進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)不僅潛水員在水下連接操作困難，而且在甲板上連接操作同樣困難。此次創(chuàng)新性地將球珠形快速接頭應(yīng)用于系泊腿與STP浮筒的連接，不僅較大幅度地提高了施工效率，同時有效降低了連接施工時的風(fēng)險。

從以上可以看出，設(shè)計系泊腿在傳統(tǒng)的設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，還可以從如下三個方面進(jìn)行優(yōu)化考慮： ①施工資源適用性及施工方式發(fā)展趨勢對特殊設(shè)計的要求；②總結(jié)原設(shè)計經(jīng)驗教訓(xùn)，針對性地提出特殊設(shè)計解決方式；③新產(chǎn)品的創(chuàng)新應(yīng)用改善施工效率并降低施工風(fēng)險。以上三項特殊設(shè)計的應(yīng)用便是較好的示范。