某300 000 DWT級(jí)VLCC改裝為FPSO系泊系統(tǒng)可行性分析

王領(lǐng) 黃渙青 劉生法

摘? ? 要：系泊系統(tǒng)是FPSO的重要組成部分，保證FPSO在海上安全作業(yè)。本文以某300000DWT級(jí)VLCC改裝為FPSO為例，研究系泊系統(tǒng)改裝的可行性。該改裝后FPSO擬使用于巴西海域，水深約2100m。

關(guān)鍵詞：系泊系統(tǒng);VLCC改裝;FPSO

中圖分類號(hào)：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Feasibility of Converting Mooring System for 300 000 DWT

VLCC Conversion to FPSO

WANG Ling， HUANG Huanqing， LIU Shengfa

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： Mooring system is an important part of FPSO to ensure its safe operation at sea. This paper takes a 300 000 DWT VLCC conversion to FPSO as an example to study the feasibility of converting the VLCC mooring system. After conversion， the FPSO is intended to be used in the Brazilian sea with a water depth of about 2 100 m.

Key words： Mooring system; VLCC conversion; FPSO

1? ? ?前言

FPSO是集原油生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存、輸送于一體的大型海上浮式生產(chǎn)設(shè)施，主要由原油分離與處理裝置、生產(chǎn)水處理裝置、外輸系統(tǒng)、熱介質(zhì)系統(tǒng)、動(dòng)力模塊、生活樓、輪機(jī)艙和公用設(shè)施艙、原油存儲(chǔ)和污油水艙、壓載艙、注水系統(tǒng)、直升機(jī)平臺(tái)、貨物卸放區(qū)、甲板吊機(jī)、火炬塔、系泊支撐等部分組成，因其具有較強(qiáng)的生產(chǎn)適應(yīng)性和較大的存儲(chǔ)能力，備受海洋工程市場(chǎng)青睞。目前全球作業(yè)的FPSO共有70余艘，其中大多數(shù)都是由VLCC改裝而成。

系泊系統(tǒng)作為FPSO的重要部分，將FPSO的船體與海底連接，保證FPSO在風(fēng)、浪、流作用下可以長(zhǎng)期安全地在海上作業(yè)。系泊系統(tǒng)改裝，主要是根據(jù)FPSO所處海域的環(huán)境條件和目標(biāo)VLCC的狀況，在VLCC上尋找合適位置布置新增的相關(guān)系泊設(shè)備，同時(shí)對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)或新增結(jié)構(gòu)。本文以某300 000 DWT級(jí)VLCC改裝為FPSO為例（改裝后目標(biāo)海域位于巴西，水深約2 100 m），研究VLCC系泊系統(tǒng)改裝的可行性，包括系泊系統(tǒng)選型、空間布置以及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等。

2? ? 系泊系統(tǒng)選型

FPSO使用壽命一般為20～30年，通過系泊系統(tǒng)長(zhǎng)期固定在海面上經(jīng)受波浪載荷、風(fēng)載荷以及流載荷等的作用，因此對(duì)系泊系統(tǒng)有較高的要求。VLCC改裝為FPSO，首先要考慮的是系泊系統(tǒng)的類型，不同的系泊系統(tǒng)類型對(duì)應(yīng)的改裝內(nèi)容有很大差別。目前國(guó)內(nèi)外FPSO的系泊方式，主要有單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和多點(diǎn)系泊系統(tǒng)兩種。

2.1? ?單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是指海洋工程結(jié)構(gòu)物通過一個(gè)系泊點(diǎn)系固于海上，可以圍繞該系泊點(diǎn)作 360?回轉(zhuǎn)。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的特點(diǎn)是：具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)物會(huì)順應(yīng)在環(huán)境力最小的方位上，從而使得系泊系統(tǒng)可以承受較惡劣的海況。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)類型很多，包括：懸鏈腿式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、固定塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、單錨腿式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)等。

（1）懸鏈腿式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

通常適用于淺水海域的原油或其它化學(xué)品的離岸裝/卸終端;

（2）固定塔式系泊單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

主要適用于較淺水海域;

（3）軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

包括水上軟剛臂以及水下軟剛臂兩種型式，僅適用于淺水海域且該系泊型式應(yīng)用實(shí)例僅限于中國(guó)渤海的FPSO;

（4）單錨腿式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

僅適用于淺水到中等水深海域;

（5）轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

適用于全球任何海域，特別是臺(tái)風(fēng)、旋風(fēng)、颶風(fēng)多發(fā)海域，其型式如圖1所示。該系泊系統(tǒng)中系泊索不是從船首或船尾展開，而是從轉(zhuǎn)塔開始展開，以懸鏈?zhǔn)交虬霃埦o方式與海底錨固系統(tǒng)連接。

轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，又可分為裝載在船體外側(cè)的外轉(zhuǎn)塔式和裝載在船體內(nèi)部的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式兩種：外轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，通常用于中等及較淺水海域;內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，主要適用于中等及深水海域。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，如圖2所示：主要由系泊錨點(diǎn)、錨腿和內(nèi)轉(zhuǎn)塔式浮筒組成，浮筒通過錨腿與錨點(diǎn)連接構(gòu)成完整的系泊系統(tǒng)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)在浮體內(nèi)部，因此對(duì)浮體空間要求較大，系泊船的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)受轉(zhuǎn)塔位置的制約。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為解脫和不解脫式兩種，在深海海域使用具有更大的優(yōu)越性;此外，系泊浮體的噸位較大，可設(shè)置多通道旋轉(zhuǎn)接頭;內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)保養(yǎng)方便、有效作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、系泊性能好、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，特別適用于臺(tái)風(fēng)不解脫的海況惡劣的浮式生產(chǎn)系統(tǒng)。但相對(duì)而言，其造價(jià)較高，比較適合于油氣儲(chǔ)量較大的深水油氣田的開發(fā)。

2.2? ? 多點(diǎn)系泊系統(tǒng)

多點(diǎn)系泊系統(tǒng)是指錨泊系統(tǒng)與海洋工程結(jié)構(gòu)物有多個(gè)接觸點(diǎn)，把其系泊于海上。多點(diǎn)系泊系統(tǒng)通常由幾組系泊線構(gòu)成，分別置于結(jié)構(gòu)物的各個(gè)邊角，從而保持結(jié)構(gòu)物有穩(wěn)定的首向;當(dāng)結(jié)構(gòu)物所受的環(huán)境力對(duì)環(huán)境的方向因素不敏感時(shí)，多點(diǎn)系泊系統(tǒng)保證其在正常位置工作;當(dāng)結(jié)構(gòu)物對(duì)環(huán)境的方向較為敏感且海況較為惡劣時(shí)，多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。多點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意圖，如圖3所示。

圖3? ?多點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意圖

多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：由于結(jié)構(gòu)物保持固定的首向，可以采用傳統(tǒng)的系泊設(shè)備而不需要轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，也不需要專門的輸送油、氣、水的旋轉(zhuǎn)接頭和輸送電力或信號(hào)的電滑環(huán)，可在FPSO外側(cè)設(shè)置大量的立管和臍帶纜;多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：不能適用于較惡劣的海域環(huán)境，浮體在環(huán)境主導(dǎo)一側(cè)對(duì)系泊的要求較高;對(duì)采用緊密對(duì)稱布置的系泊鏈，錨鏈之間存在一定程度的干擾;隨著水深增加，系泊系統(tǒng)的成本也增加更快。

多點(diǎn)系泊系統(tǒng)一般用于較溫和的海況（如東南亞和西非海域）以及高度定向環(huán)境（如巴西海域的特定區(qū)域）等。平穩(wěn)海域的波浪和風(fēng)向都是一定的，F(xiàn)PSO可順著風(fēng)浪的方向進(jìn)行多點(diǎn)系泊;也適用于常年環(huán)境條件溫和、在風(fēng)暴到來時(shí)環(huán)境條件變得很惡劣的海域，可采取臨時(shí)停產(chǎn)、解脫避風(fēng)措施，風(fēng)暴過后再回復(fù)生產(chǎn);此外，對(duì)于在海洋工程施工作業(yè)中不允許進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)的浮體，或?qū)Νh(huán)境力方向非常敏感的浮體，只要環(huán)境條件平緩、浮體主受力方向比較固定，都可以考慮使用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

2.3? ?環(huán)境條件及系泊系統(tǒng)選型

根據(jù)上面的論述，適用于本案的系泊系統(tǒng)主要有內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。下面對(duì)這兩類系泊系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析（見表1）。

從該表1可以看出，目標(biāo)海域的環(huán)境條件及FPSO的使用條件，直接影響系泊系統(tǒng)的選擇。本案FPSO將用于巴西海域，其環(huán)境條件見表2。

從表2可知，該海域的海況屬于中等偏溫和的海況?？紤]到工作海域的環(huán)境條件、所用立管的根數(shù)、改裝工作量等各種因素，本案選取多點(diǎn)系泊系統(tǒng)型式，主船體正對(duì)常年主導(dǎo)浪向，該系泊系統(tǒng)無需采用價(jià)格昂貴的單點(diǎn)系泊轉(zhuǎn)塔裝置。

根據(jù)系泊水深及FPSO主尺度的情況，本多點(diǎn)系泊系統(tǒng)在主船體船首及船尾對(duì)稱布置四組系泊點(diǎn)，每組含6個(gè)獨(dú)立錨鏈系統(tǒng)，共有24個(gè)系泊點(diǎn)。

3? ? 多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的空間布置

多點(diǎn)系泊系統(tǒng)通過錨鏈將FPSO固定于目標(biāo)海域，系泊系統(tǒng)的錨鏈與船體的連接由主甲板邊緣的上導(dǎo)向裝置和下方的導(dǎo)鏈裝置組成，鏈索自主甲板上多點(diǎn)平臺(tái)的系纜裝置進(jìn)入導(dǎo)向裝置，沿著舷側(cè)垂直向下延伸，在距基線一定高度處通過止鏈器與船體形成一定夾角伸向海底，并與海底錨固基礎(chǔ)相連。

系泊系統(tǒng)改裝在布置空間上主要是在VLCC上增加導(dǎo)向裝置和導(dǎo)鏈裝置。其中：導(dǎo)向裝置由多點(diǎn)張緊系統(tǒng)平臺(tái)等組成，位于主甲板邊緣;導(dǎo)鏈裝置由止鏈器結(jié)構(gòu)、止鏈器支撐調(diào)整裝置組成，位于FPSO空載水線處。

多點(diǎn)張緊系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)為外懸掛式，附著于主甲板舷側(cè);平臺(tái)上主要有絞車、起鏈裝置、電動(dòng)輪、滑移系統(tǒng)、導(dǎo)向裝置、控制臺(tái)、液壓?jiǎn)卧雀綄贆C(jī)械結(jié)構(gòu);平臺(tái)下方設(shè)置船體護(hù)舷，防止鏈索摩擦損害船體。多點(diǎn)張緊系統(tǒng)示意圖，如圖4所示。

起鏈裝置的正下方設(shè)有錨鏈艙，用于儲(chǔ)存錨鏈;導(dǎo)鏈裝置主要包括導(dǎo)鏈管、導(dǎo)鏈器和止鏈器，每組系泊系統(tǒng)設(shè)置6個(gè);導(dǎo)鏈裝置支撐結(jié)構(gòu)穿過外板，嵌入船體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)鏈裝置示意圖，如圖5所示。

從以上分析可知，系泊系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，布置在FPSO主船體舷外，減少對(duì)主船體空間布置的影響，也方便系泊系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的布置。這種改裝方式，需要著重考慮FPSO主船體與系泊系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

4? ? 多點(diǎn)系泊系統(tǒng)相關(guān)船體結(jié)構(gòu)的改裝

4.1? ?多點(diǎn)系泊系統(tǒng)水動(dòng)力分析

系泊系統(tǒng)型式及布置空間確定后，首先對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力分析。使用三維勢(shì)流理論及非線性時(shí)域耦合分析方法，研究多點(diǎn)系泊FPSO的水動(dòng)力性能以及系泊力，為改裝區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效參考。

在系泊水深及FPSO主尺度確定的前提下，根據(jù)規(guī)范選取系泊半徑為3 500 m;多點(diǎn)系泊系統(tǒng)采用4組，在FPSO主船體前后兩舷對(duì)稱布置;每個(gè)系泊點(diǎn)布置6根系泊鏈，系泊鏈間夾角為5°;系泊鏈采用錨鏈—鋼纜—錨鏈的組合型式，首段為長(zhǎng)110 m、公稱直徑120 mm的R4錨鏈，中間段為長(zhǎng)2 970 m、直徑125 mm的鋼纜，末段為長(zhǎng)1 265 m、公稱直徑120 mm的R4錨鏈。

根據(jù)初步計(jì)算，系泊系統(tǒng)在百年一遇的情況下最大系泊力為4 381 kN。

4.2? ?船體結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)

由于系泊系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)為新增結(jié)構(gòu)，其與原船體相連的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是影響系泊系統(tǒng)改裝的關(guān)鍵因素。系泊結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受極限環(huán)境荷載及索鏈破斷的偶然載荷，在正常操作工況下還應(yīng)能承受長(zhǎng)期低周疲勞載荷作用。

多點(diǎn)張緊系統(tǒng)平臺(tái)位于主船體外且為獨(dú)立平臺(tái)，不參與全船的總縱彎曲。但由于平臺(tái)應(yīng)力較大，故采用AH36高強(qiáng)度鋼;平臺(tái)為箱型結(jié)構(gòu)，上表面設(shè)有2根大T型材做成的導(dǎo)軌和6個(gè)貫穿平臺(tái)的導(dǎo)鏈管，并在平臺(tái)面鋪設(shè)格柵;平臺(tái)設(shè)有1個(gè)儲(chǔ)鏈筒、2組鏈條的限位，面積較小，載荷相對(duì)集中，因此與其連接的外板換新為AH36-Z材質(zhì);反面支撐結(jié)構(gòu)，采用T型材和大肘板加強(qiáng);懸掛平臺(tái)通過預(yù)制安裝，其主船體支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝。

由于6個(gè)止鏈器總質(zhì)量達(dá)240 t，且位于接近空載水線的位置，船體會(huì)受到較大的錨鏈拉力，此處的整個(gè)舷側(cè)雙殼結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行改裝：支撐止鏈器的強(qiáng)力平臺(tái)直接穿過外板，嵌入船體結(jié)構(gòu);主船體應(yīng)在首部及尾部的系泊點(diǎn)設(shè)中間肋骨;強(qiáng)力平臺(tái)之間應(yīng)設(shè)有垂向開孔隔板和強(qiáng)力肘板，并采用AH36高強(qiáng)度鋼，以保證強(qiáng)度;止鏈器錨鏈調(diào)整裝置位于止鏈器結(jié)構(gòu)下方，主要由管桁架結(jié)構(gòu)組成，與船殼連接處采用大肘板形式相連，反面艙內(nèi)增加肘板或扁鐵加強(qiáng);在每處系泊點(diǎn)設(shè)有2層管結(jié)構(gòu)，每層均布6個(gè)彈簧卡槽和6個(gè)管槽孔來控制止鏈器的轉(zhuǎn)向角度和導(dǎo)鏈管的擺動(dòng)角度。

在多點(diǎn)張緊系統(tǒng)平臺(tái)和空載水線之間對(duì)應(yīng)的4檔肋距長(zhǎng)度，設(shè)置半圓形的舷側(cè)鏈條護(hù)舷，并在FPSO船體對(duì)應(yīng)護(hù)舷位置處新增反面肘板加強(qiáng)。

因?yàn)橄挡袋c(diǎn)錨鏈角度要求，器械與結(jié)構(gòu)相接，在結(jié)構(gòu)改裝中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）多點(diǎn)張緊系統(tǒng)平臺(tái)的定位直接影響錨鏈的角度，上下導(dǎo)鏈管必須對(duì)心;

（2）上導(dǎo)鏈管和止鏈器必須對(duì)心，船外的止鏈器結(jié)構(gòu)可用于與上導(dǎo)鏈管對(duì)心，與船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)力平臺(tái)部分對(duì)接;

（3）根據(jù)安裝止鏈器的箱型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，確定箱型結(jié)構(gòu)尺寸，F(xiàn)PSO主船體內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)與止鏈器箱型結(jié)構(gòu)對(duì)齊;

（4）止鏈器支撐結(jié)構(gòu)艙內(nèi)改裝，新增的強(qiáng)力平臺(tái)與縱骨要保持連續(xù)，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

4.3? ?系泊系統(tǒng)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)布置方案確定后，采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。本案采用Sesam/GeniE軟件進(jìn)行三維建模，利用有限元法對(duì)系泊支撐結(jié)構(gòu)及相關(guān)船體部分進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)FPSO系泊支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。

設(shè)計(jì)載荷主要考慮FPSO在一年一遇和百年一遇環(huán)境條件下，裝置及支撐結(jié)構(gòu)受到的系泊錨鏈作用力和對(duì)應(yīng)的船體運(yùn)動(dòng)加速度，需注意系泊支撐結(jié)構(gòu)和主船體支撐結(jié)構(gòu)的許用衡準(zhǔn)有所差異。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，F(xiàn)PSO與系泊系統(tǒng)連接部分船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，其應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度應(yīng)滿足規(guī)范要求。

5? ? 結(jié)論

本文以某300 000 DWT級(jí)VLCC改裝為FPSO為例，分析了系泊系統(tǒng)改裝在布置空間和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)上的可行性，主要結(jié)論如下：

（1）系泊系統(tǒng)類型眾多，VLCC改裝為FPSO首先應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件，并結(jié)合FPSO功能以及造價(jià)確定系泊系統(tǒng)類型;

（2）多點(diǎn)系泊系統(tǒng)不用設(shè)置昂貴的流體旋轉(zhuǎn)接頭和電滑環(huán)，經(jīng)濟(jì)性方面相對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)較優(yōu)，在環(huán)境條件允許的情況下可優(yōu)先考慮;

（3）多點(diǎn)系泊系統(tǒng)在FPSO空間布

置中可設(shè)計(jì)在主船體舷外，節(jié)省主船體空間;

（4）多點(diǎn)系泊系統(tǒng)為新增結(jié)構(gòu)，其與原船體相連的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是影響系泊系統(tǒng)改裝的關(guān)鍵因素。系泊支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠承受極限環(huán)境荷載及索鏈破斷的偶然載荷，在正常操作工況下還應(yīng)能承受長(zhǎng)期低周疲勞載荷作用。

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