一種內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)布置方案

胡 斌，黃天星，王 領(lǐng)，程 偉

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250）

1 前言

內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)通過(guò)與浮式裝置內(nèi)部浮子穴或月池結(jié)構(gòu)將浮式裝置系固在海上，使浮式裝置可隨風(fēng)浪流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而降低浮式裝置在風(fēng)浪流等外界環(huán)境作用下的載荷和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，一般適用于較惡劣海況的海區(qū)作業(yè)，其型式如圖1 所示。

圖1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)在深海使用具有極大的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：系泊裝置的噸位大，可安裝多通道旋轉(zhuǎn)接頭總成，系泊系統(tǒng)抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。但其造價(jià)較高，比較適合于大儲(chǔ)量油氣田的開(kāi)發(fā)。

近年來(lái)，為了縮短海上油氣田建設(shè)周期，海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）逐漸向通用型方向發(fā)展，相應(yīng)的對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)也提出了通用化的發(fā)展需求，針對(duì)擬開(kāi)發(fā)的200 萬(wàn)桶通用型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置，作者提出了一種通用型內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的初步布置方案。

2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)布置方案

內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)一般由系泊系統(tǒng)、水下立管系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔與浮筒、機(jī)械鎖緊裝置與提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)接頭總成裝置、公用設(shè)施等組成。

2.1 系泊系統(tǒng)布置

系泊系統(tǒng)主要用于將浮式裝置的環(huán)境載荷傳遞到海底錨固基礎(chǔ)，由系泊纜和海底錨固設(shè)施組成。大量的試驗(yàn)證明：分組式系泊布置具有更好的系泊承載性能和更多的立管布置空間，因此，系泊系統(tǒng)采用分組式布置方案。

常用的分組式系泊纜布置是3×3 形式，即系泊纜分為3 組、每組3 根系泊纜。具體到每個(gè)工程，每組系泊纜的數(shù)量與海域的環(huán)境條件及要求的安全系數(shù)有關(guān)，適當(dāng)增加系泊纜數(shù)量可減小系泊纜直徑；另外，某些業(yè)主可能會(huì)要求將1根系泊纜破斷作為完整工況、2 根系泊纜破斷作為破損工況進(jìn)行系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此系泊纜的數(shù)量應(yīng)具有一定的拓展性，能兼容3×3、3×4 乃至3×5 的布置，故本方案使用3×5 系泊纜布置形式，可根據(jù)海域環(huán)境條件的不同選擇布置3×3,或3×4 或3×5 的系泊纜，其主要布置方案如下：

在系鏈浮臺(tái)上每間隔120°布置6 個(gè)系泊眼板，其中中間4 個(gè)眼板為雙層眼板，下層6 個(gè)系泊眼板可容納3×3 的系泊纜，4 個(gè)雙層眼板的上層形成2 個(gè)備用系纜點(diǎn)，從而組成3×5 的系泊纜布置形式，如圖2 所示。

圖2 系泊纜3×5 布置

系泊系統(tǒng)的布置，還需要考慮系泊纜末端與轉(zhuǎn)塔系鏈浮臺(tái)之間錨纜末端固定與安裝方式，常用的固定方式有掣鏈器、插銷、伸縮球抓緊式等。其中：掣鏈器一般用于不可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔及外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)；插銷式常用于解脫型內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)；伸縮球抓緊式為新型的易于海上安裝的末端固定形式。

2.2 水下立管布置

水下立管是指用于連接水面浮式裝置和海底管匯的管路系統(tǒng)，是用于向浮式裝置傳送液體的基本設(shè)備，也是海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中最復(fù)雜的設(shè)備。水下立管包括：井液立管、注水注氣立管、氣舉立管、化學(xué)劑注入等公用立管。立管的數(shù)量和直徑與水下生產(chǎn)系統(tǒng)有關(guān)，立管的布置要通過(guò)適當(dāng)?shù)臉?gòu)型設(shè)計(jì)保證惡劣海況時(shí)的立管仍不會(huì)產(chǎn)生干涉且有避碰空間。

從立管的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，可以分為鋼懸鏈立管（SCR）、柔性立管（FR）和塔式立管（HTR）或它們的組合：

（1）鋼懸鏈立管

是指使用鋼質(zhì)立管，在立管中間段增加浮力裝置抵抗一部分張力，在水中形成拱彎段和垂彎段。這種形式立管能夠?qū)⒐軈R基盤(pán)附近立管的運(yùn)動(dòng)和頂端立管的運(yùn)動(dòng)隔離，減小立管頂端載荷，提高立管疲勞壽命；

（2）柔性立管

是指立管具有較好的柔度，其構(gòu)型設(shè)計(jì)形式非常靈活，根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境和應(yīng)用要求，柔性立管的截面組成往往是不同的；

（3）塔式立管

是一種以鋼性立管作為主體，通過(guò)立管頂部浮筒的張力作用垂直站立在海底，通過(guò)浮筒附連的跨接軟管與海上浮式裝置連接的立管結(jié)構(gòu)形式。

上述三種形式中：柔性立管采用復(fù)合材料生產(chǎn),設(shè)計(jì)復(fù)雜且造價(jià)高,目前國(guó)內(nèi)的制造能力較弱，且不適合深水使用; 塔式立管安裝過(guò)程特別復(fù)雜,需要考慮立管接頭的外形和重量、安裝船的要求以及安裝周期；鋼懸鏈立管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低,目前廣泛應(yīng)用于深海油氣田的開(kāi)發(fā)。因此，選用鋼懸鏈立管布置形式，如圖3 所示。

圖3 水下立管布置形式

2.3 浮筒與轉(zhuǎn)塔布置

浮筒是錐形結(jié)構(gòu)，布置在通用型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置的船體底部浮子穴內(nèi)，它可產(chǎn)生足夠的浮力保證在解脫后懸浮于水中；浮筒的尺寸主要受水深、系泊錨腿形式、立管數(shù)量、水下立管構(gòu)型的影響。對(duì)于指定油田生產(chǎn)參數(shù)，浮筒下立管和系泊載荷是固定的，對(duì)應(yīng)有最優(yōu)的浮筒尺寸；但對(duì)于通用型浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置，需要考慮較寬泛的油田和環(huán)境適用性，保證有一定的儲(chǔ)備浮力。按照日產(chǎn)15 萬(wàn)桶原油、日氣處理能力6 Mm3、日水處理能力12 萬(wàn)桶的要求，初步確定浮筒底徑為24.0 m、總高25.5 m、錐度約1:3，該尺度的錐形浮筒可滿足解脫后的浮筒懸浮要求。

浮筒通過(guò)下部設(shè)置的下匹配環(huán)和浮筒頂部的鎖緊裝置與浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置連接與固定：浮筒中心設(shè)有中央井，轉(zhuǎn)塔布置在浮筒的中央井內(nèi)，通過(guò)主軸承與浮筒連為一體；系泊主軸承分為上軸承和下軸承。上主軸承布置在浮筒與轉(zhuǎn)塔的頂部，是大型三排滾柱軸承，需滿足承受系泊載荷要求。但其直徑受轉(zhuǎn)塔直徑的限制，一般稍大于轉(zhuǎn)塔的直徑；下軸承布置在浮筒的底部，一般是滑動(dòng)軸承。

轉(zhuǎn)塔包括塔筒結(jié)構(gòu)、主軸承安裝座、系鏈浮臺(tái)等：轉(zhuǎn)塔底部的系鏈浮臺(tái)與系泊系統(tǒng)連接，水下立管與系鏈浮臺(tái)的底部立管法蘭連接，立管通過(guò)轉(zhuǎn)塔內(nèi)部空間到達(dá)旋轉(zhuǎn)接頭總成。對(duì)于通用型浮式裝置，轉(zhuǎn)塔的外徑根據(jù)轉(zhuǎn)塔內(nèi)立管的布置需求，初步確定為6.0 m。

2.4 鎖緊裝置及提升系統(tǒng)布置

（1）鎖緊裝置

鎖緊裝置負(fù)責(zé)將水下系泊纜及立管系統(tǒng)的全部垂向載荷通過(guò)浮筒傳遞至船體結(jié)構(gòu)。鎖緊裝置的預(yù)緊力是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，如果鎖緊力不夠會(huì)導(dǎo)致鎖緊裝置卡頭墊塊的固定螺栓切斷，這也是該裝置需要進(jìn)行定期預(yù)緊的主要原因；一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置被推至最高和最遠(yuǎn)位置時(shí)，如果浮筒受到錨鏈腿向下的作用力大于預(yù)緊提升力，浮筒與船體圓錐形月池之間的上下匹配環(huán)接觸力會(huì)變小甚至為負(fù)值，從而導(dǎo)致鎖緊裝置卡頭墊塊的固定螺栓受到太大的剪力而破壞，因此應(yīng)保證預(yù)緊提升力大于浮筒受到錨鏈腿向下的最大作用力。

鎖緊裝置是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)之一，其的結(jié)構(gòu)形式包括：插銷銷孔、三爪卡盤(pán)、弧形卡盤(pán)、齒條結(jié)構(gòu)及液壓大鉤卡頭結(jié)構(gòu)。從制造和安裝方便性考慮，鎖緊裝置一般使用液壓大鉤卡盤(pán)結(jié)構(gòu)，在操作得當(dāng)?shù)那闆r下，液壓大鉤卡盤(pán)結(jié)構(gòu)是可靠的。

鎖緊裝置一般使用分組式布置，對(duì)于8 套液壓大鉤卡盤(pán)的形式，一般分為四組均布。但經(jīng)過(guò)分析論證，使用10 套卡盤(pán)分為兩組的布置形式，在單個(gè)液壓大鉤卡盤(pán)失效時(shí)的冗余度更大。

（2）提升系統(tǒng)

浮筒提升系統(tǒng)，在海上連接時(shí)將浮筒拖曳到浮子穴指定位置，其主要包括：提升絞車、提升鋼索、導(dǎo)向輪等。提升絞車由液壓裝置控制，一般設(shè)在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置單點(diǎn)艙內(nèi)中間甲板以上空間，為降低重心高度，考慮盡量將提升系統(tǒng)布置在主甲板下方的中間甲板。

2.5 旋轉(zhuǎn)接頭總成布置

旋轉(zhuǎn)接頭總成是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，由井液旋轉(zhuǎn)接頭、公用旋轉(zhuǎn)接頭、電旋轉(zhuǎn)接頭以及配套液壓控制系統(tǒng)組成：

（1）井流旋轉(zhuǎn)接頭

入口端與水下立管連接，出口端與浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置的生產(chǎn)處理模塊輸入管線連接，構(gòu)成原油、注水、氣舉等輸送通道。井液旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)有液壓油密封系統(tǒng)，保證井流旋轉(zhuǎn)接頭在高壓高溫等工況下不泄露。

（2）公用旋轉(zhuǎn)接頭

作為水下設(shè)備液壓動(dòng)力源及化學(xué)藥劑的通道，為應(yīng)急關(guān)斷閥提供液壓動(dòng)力，為水下生產(chǎn)井注入化學(xué)藥劑。

（3）電旋轉(zhuǎn)接頭

包括電力通道及信號(hào)通道。電力通道輸出端通過(guò)海纜向水下井口平臺(tái)輸送電力，供井口平臺(tái)上的設(shè)備使用。

旋轉(zhuǎn)接頭總成一般安裝在龍門架結(jié)構(gòu)上，龍門架結(jié)構(gòu)還包括旋轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動(dòng)臂、輸出管路及控制閥門、檢修平臺(tái)等。旋轉(zhuǎn)接頭總成的下方，一般布置清管平臺(tái)及清管裝置、立管連接平臺(tái)等。

2.6 公用系統(tǒng)布置

公用設(shè)施包括照明、消防、水下監(jiān)控、艙底排放、通風(fēng)設(shè)備等，一般布置在單點(diǎn)艙內(nèi)或單點(diǎn)艙上方的甲板上：

（1）照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)的燈具，應(yīng)選用符合要求的防爆型，分電箱一般設(shè)在主甲板電氣室。

（2）消防系統(tǒng)

主要包括消防水、泡沫消防、自動(dòng)噴淋等系統(tǒng)。另外，單點(diǎn)艙內(nèi)設(shè)有手提式滅火器及手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警裝置。

（3）水下監(jiān)控系統(tǒng)

主要監(jiān)控浮筒的回接過(guò)程。在主甲板電氣室設(shè)有顯示屏，通過(guò)信號(hào)纜將視頻信號(hào)傳輸至浮式裝置的中央控制室，可監(jiān)視浮筒對(duì)接過(guò)程，以及轉(zhuǎn)塔連接區(qū)、旋轉(zhuǎn)接頭和電滑環(huán)等處的工作狀態(tài)。

（4）開(kāi)式排放及閉式排放系統(tǒng)

將單點(diǎn)系統(tǒng)中的氣液混合物進(jìn)行收集和處理，分離出的含水污油和氣體送到浮式裝置進(jìn)行處理，設(shè)有專用艙底泵用于抽排單點(diǎn)艙艙底水。

（5）通風(fēng)系統(tǒng)

主要是冷卻艙內(nèi)設(shè)備、控制艙的溫度、排除艙內(nèi)滯留的可燃?xì)怏w以防爆炸和火災(zāi)等，一般采用負(fù)壓通風(fēng)。

3 結(jié)論

本文對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的布置進(jìn)行了分析，形成初步的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的布置方案，希望可以為類似單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。