南海单点系泊系统故障分析

南海单点系泊系统故障分析

黄佳，范模，王忠畅，梁文洲，李达，王丽勤

(中海油研究总院，北京 100028)

摘要：对中国南海的内转塔单点系泊系统在使用过程中出现的故障进行总结，对其中一些典型的故障成因进行分析，就提高单点系泊系统安全可靠性提出改进建议。

关键词：单点系泊；内转塔；故障；改进措施

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.025

中图分类号：U653.2；P751

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0088-04

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一黄佳(1987-)，男，学士，工程师

Abstract:The major failures happened in operation of the internal turret singe point systems in south sea are analyzed statistically. The reasons causing the typical failures are investigated to offer some proposals and suggestions to improve safety and reliability of the sing point mooring system.

修回日期：2015-09-01

资助项目：中海油项目

(CV00C-KJ125ZDXM08LTD03ZJ2012)

研究方向:FPSO、浮式平台等设计及研究

E-mail:huangjia@cnooc.com.cn

单点系泊系统(single point mooring system)，其最大的优势在于允许所系泊的FPSO等船体围绕系泊点作360°的风标旋转，从而使得船体始终迎向风、浪、流的合力方向，处于最小受力状态，同时，也减小了船体的运动响应及船体所受的系泊载荷。

内转塔式单点系泊装置是单点系泊系统的一种，该系统将单点系泊系统设置在FPSO艏部的船体内，通过若干锚链(或组合缆)将FPSO系泊于指定位置，锚端采用大抓力锚(或锚桩，或吸力锚)固定于海底。海底到水面之间的管线、电缆、控制管线等采用柔性连接，再通过旋转机构与FPSO连接。其适用水深范围大，目前在50～1 500 m都有工程实例。其可系泊FPSO的吨位范围大，系泊性能和抗风浪能力强，具备15～20年以上连续不间断生产的能力，适用于大型海上油田开发。在我国南海的单点系泊系统均采用内转塔形式。

然而，在国内外的使用过程中，单点系泊系统出现了各类故障，严重的会导致油田停产，带来重大经济损失。影响系泊系统安全性的主要因素包括客观因素和主观因素。其中，前者主要为环境条件，包括风、浪、流载荷、船体吃水、船龄老化及磨损等；后者主要涉及操作及监管过程中的人为失误[1]。本文对中国南海单点系泊系统在使用过程中出现的故障进行梳理，对其中一些后果较严重的故障进行分析，就提高单点系泊系统安全性提出相应改进建议。

1故障情况

自2001-2011年间，全球涉及系泊系统安全性的工程事故发生了超过20起之多[2]见表1，这引起了整个海洋工程界对于系泊系统安全性的广泛关注。

在表1中所列的21起系泊事故中，整个系泊系统失效的事故至少有8起，其中个别事故中船体产生了大范围的漂移。此外，即使只有单根锚链失效，也可能引起严重的后果。比如，引起船体漂移、立管断裂、被迫停产，甚至可能会泄漏少量碳氢化合物等，这是由于单根锚链的失效，通常会加重其他锚链的负担，从而引起连锁破坏。

我国南海油田按海域分为南海东部和南海西部，目前共有9艘FPSO在役。南海东部海域油田浮式设施包括“海洋石油103”(南海发现)、“海洋石油104”(南海盛开，FSOU)、“海洋石油106”(南海开拓)、“海洋石油107”(南海胜利)、“海洋石油111”、“海洋石油115”，以及最新投入生产的“海洋石油118”(恩平FPSO)在内的共7艘FPSO。南海西部海域油田浮式设施包括“海洋石油110”(南海奋进)和“海洋石油116”2艘FPSO。南海目前在役的FPSO均使用内转塔单点形式。

常见的内转塔式系泊系统主要有3种：浮筒式转塔系泊系统(BTM)、沉没式转塔装卸系统(STL)，以及沉没式转塔生产系统(STP)[3]。自1997年STP结构首次安装在陆丰22-1油田上以来，该单点形式以其布局紧凑，结构简单灵活的特点，越来越受到广泛的关注和使用[4]。目前在我国南海所使用的转塔式系泊系统中，STP占主导地位。结构形式示意见图1。

表1　2000-2011年间全世界系泊系统事故统计

注：鉴于一些事故并未见诸报道，故实际发生的事故可能更多。

图1　STP结构形式示意

2故障原因

在长期生产过程中，南海的FPSO单点系泊系统出现了各类故障。

本文对南海单点故障进行梳理，针对其中一些后果较严重的故障进行分析。其中由于台风引起的系泊缆及立管重大故障2起(“海洋石油103”，“海洋石油107”)，由于设计缺陷引起的系泊系统故障2起(“海洋石油107”、“海洋石油111”)，由于设计缺陷引起的转塔结构故障1起(“海洋石油110”)，由于建造及安装过程中的人为因素故障1起(“海洋石油115”)。

2.1环境条件恶劣难以准确预报，且超过单点的设计标准

台风属于极端环境条件，其特点为破坏性极强却又难以准确预报，易导致系泊缆断裂，使得船体发生较大漂移，从而引起立管破坏，这种故障需要很长时间的停工修复，损失较为严重。

“海洋石油103”(南海发现号)2009年9月14日遭遇“巨爵”台风，风速达35 m/s。单点未能及时进行解脱引发事故。事故中FPSO最远漂移722 m，导致系泊锚缆断4根，水下生产立管和电缆损坏。

“海洋石油107”(南海胜利号)原本系泊系统即有缺陷，计划开始系泊抢修项目前，在2006年5月17日遇到超过百年一遇的强台风，超过单点设计标准。造成断6根锚缆，水下生产立管损坏，被迫停产维修。

此外，海洋石油106(南海开拓号)、海洋石油110(南海奋进号)系泊系统也曾因台风出现部分损伤。

2.2设计缺陷引起的系泊系统及转塔损伤及故障

设计时考虑不周或受限于当时的设计理念，系泊系统在部分节点存在应力集中、过度疲劳等情况。设计环境条件低于实际环境条件等。通常情况下，锚链的破坏大多发生在分段的接头处，或者材料不连续的地方。例如，系泊索与船体连接的导缆孔；系泊索不同分段(如链和缆)之间的连接处；系泊索与地面接触的地方等。系泊结构在设计和分析的时候，通常假定为只承受拉应力，忽略其压力、弯曲应力和扭转应力。然而，正是这些在设计中被忽略的应力，直接或间接导致系泊结构的破坏。

“海洋石油107”(南海胜利号)在台风事故发生前就存在系泊缆的缺陷。多条系泊缆出现断丝，阴极保护电压不足。原计划在2006年6月开始更换已断丝的系泊钢缆。结果在计划开始系泊抢修项目前，遇到超过百年一遇的强台风，FPSO系泊系统发生极其严重的损坏事故。系泊缆断丝主要发生在系泊系缆上、下钢缆与中水浮筒连接处附近，其主要原因是波浪和内波流作用下产生的疲劳损伤。损坏最严重的2根锚链与主波向和内波流方向基本垂直，而与主波向和内波流方向基本平行的方向上的锚链损伤很轻或没有损伤。此外系缆中间浮筒支撑结构设计不合理，当浮筒绕系缆轴心摆动时，系缆将跟浮筒同步转动。

“海洋石油111”除了出现系泊缆松股、断丝等情况外，还有配重块破损、脱落的故障。配重块本身重量较大，由于系泊链的上下运动产生的冲击载荷较大，使配重块产生疲劳损坏。配重块接触面之间无固定在冲击过程中容易产生位移，而形成附加的剪切应力，增加了螺栓以及配重块破损的可能性。当FPSO发生位移或升沉运动时，配重块随系泊缆上下运动，与海底发生碰撞，承受较大的与海底产生的冲击载荷，当FPSO运动较为剧烈时配重块承受的冲击载荷将更大。此外由于连接螺栓结构形式及材质的问题，螺栓腐蚀破坏、螺栓孔损坏等，都是配重块大量脱落的成因。

2005年9月25日“海洋石油110”遭遇超强台风(气象预报2 min平均风速为55 m/s)，单点转塔结构受损。圆锥体形STP浮筒下沉4 cm，单点舱进水。从系统可靠度设计理论看，设计需要改进。目前单点系统保证STP浮筒与船体不发生转动的惟一措施是上下接合环之间的静摩擦；该静摩擦力又是靠预紧提升力实现的。一旦预紧提升力减小，STP浮筒与船体就面临转动的风险。对于这一点作业方和设计公司原先都没有认清。自该条FPSO投产以来直至发生故障，锁紧装置液压活塞缸的压力从来没有调升过，预紧提升力无法维持所需的大小。

2.3建造及安装过程中的缺陷引起的系泊系统故障

海洋石油115锚泊系统于2007/2008完成海上安装，在2009年以及2010年的检测中发现两个问题：#3锚缆27～40 m处有断丝；#2锚缆相比其他锚缆较为松弛，#2系缆的着泥点距STP中心距离较#1和#3近30 m，系泊角度偏差较大。

经过分析，系缆受损的原因为外力机械磨损，通过各方面记录认定#3系泊缆受损原因为FPSO油船回接单点系泊系统时与工程船擦碰所致。

此外，安装过程中出现失误，导致#2系缆的系固点偏移原位置30 m，进而使得#1、#2、#3系缆松紧度不一，使整个系泊系统无法达到设计定位能力。

2.4系泊系统腐蚀退化、疲劳损伤等

系泊系统超期服役、腐蚀退化及疲劳等损伤是一个长期积累的过程，表现为系泊链的锈蚀，系泊缆的断丝等，通常不会在第一时间爆发出来，若缺陷及故障不能及时排除，会给安全造成重大隐患。

譬如，“海洋石油103”(南海发现号)于1990年改装成FPSO，船体与单点设计服务寿命都是10年。截至2009年，浮筒与系泊缆已经使用了19年，属于超期服役，但浮筒与系泊缆从未进行大检和延寿工作。在2009年9月14日遭遇台风时，系泊缆多根发生断裂。

2.5维护维修不及时

“海洋石油107”原计划最早在2006年6月开始更换已断丝的系泊钢缆。结果2006年5月19日，在计划开始系泊抢修项目前，遇到超过百年一遇的强台风，系泊系统发生极其严重的损坏事故。

而如能对系泊系统定期维护，及时更换出现缺陷的系泊缆及其他系泊构件，则能避免此类重大事故。作为典型案例，2009年9月14日，“海洋石油106”(南海开拓号)也遭遇“巨爵”号台风正面袭击。当时南海开拓号FPSO新换2根钢缆，且正好与该台风产生的波浪荷载作用方基本一致，使其成功经受最大94 kn强风的考验。

3改进方案

通过故障分析，认为可以从以下几方面着手加以改进，在今后单点系泊系统的使用过程中减少故障率，避免重大损失。

1)增加环境条件预报精度。在南海油田增加海上(现场)气象预报站，增加气象预报频次；在(海上)现场增加海流和海浪的观测设备；在台风应急反应中加大现场管理人员的决策和参与力度。

2)根据南海实际环境条件选择单点类型。南海海域环境条件比较恶劣，且随着技术的更新，推荐采用内转塔式系泊系统，对于新建FPSO，系泊系统按照台风期间不解脱标准进行设计；但建议采用可解脱装置，其技术成熟、使用情况良好，且海总对于这种系泊系统有相当多的操作经验，另外系泊系统的布置建议采用分组型式，相对于单根锚链散布型式能够提高系泊系统的可靠性。

3)完善系泊系统设计。过去为了节省系泊系统的钢材，会根据当地海域的环境条件的方向性设计系泊系统。但是由于台风的方向是多变的，会以意想不到的方向到达FPSO所在海域，这将导致方向性设计的系泊系统不再满足设计要求而损坏。建议单点设计应考虑实际的环境条件方向组合。

过去的系泊系统的靠近海底段的系缆端部未安装限弯接头，导致在靠近海底的系缆重复性的与海底碰撞造成磨损，加速锈蚀，易于产生疲劳损伤。在未来的设计中，建议在此区域均安装限弯接头，保护系缆。此外，适当优化确定系泊钢索长度可以避免出现钢索与锚链连接处与海底不断发生碰撞。系泊钢索外部加装抗磨损性能良好的塑料护套也能产生一定的保护作用。

在系缆需要安装浮筒的设计案例中，将系泊钢索中间接头下面的三角板改为万向接头，与一个圆柱型连接板组合的结构，保证让水中浮筒能绕两段系泊钢索端接头的中心连线自由转动，同时也让中间浮筒前后摆动，可有效减缓系泊缆与浮筒连接处的疲劳损伤。

此外，在对锚链结构进行设计时，应考虑如何在不更换整根锚链的前提下，方便地对存在问题的部分进行更换。船上的绞盘等装置在锚链最初安装后，仍应定期保养以保证其始终能够顺利工作。

配重块的结构设计不当，容易导致在未来的使用过程中脱落，从而降低系泊系统的能力。可优化设计配重块形式；或者直接焊接配重块，而不采用螺栓连接的方式。

4)定期进行安全检测，加强维护。为提高系泊系统的安全性。当下最有效的方式是采取严格的检查、监督机制，有效评估系泊系统的安全状况和老化形势，并对系泊系统的张拉状态进行持续不断的监测。

与船体连接的顶端链以及钢缆部分最容易老化，遭受破坏的概率最大，因此在检测时需要重点关注。此外，对于整根系泊锚链来说，重量不连续的地方也极易受到破坏。以下4个部位作为“破坏临界区域”，需要定期进行仔细检查：导缆孔处的顶端链、钢缆部分、连接处及与海底接触部分[5]。

在检测的具体操作层面面，除了用ROV进行外观检测之外，还要利用潜水员进行CVI或NDT检测，主要包括：浮筒、锚链，水下基盘整体外观、涂层情况及阳极块损耗和电位测量，锚链完整性状况、有无销子脱落及断丝等。以上检测如果海生物密集需先清理海生物。还可在船体与单点的锚缆上增加监测设备，如应力传感器，锚链倾角仪等。

5)安装并有效利用单点在线监测系统。

很多系泊系统并未安装用于评估系泊安全性的监测装置，一些船级社的规范中对此也无明确要求。然而，安装这样的监测装置，其成本并不是很高，但却可以有效控制系泊系统失效的发生概率，降低泄露风险，保证人身安全，减少系泊系统故障后长时间维修所引起的经济损失。

常用的检测装置有：①通过载荷单元直接测量张力变化；②通过倾角仪测量倾角并推算张力。两类装置都可以最终得到锚链张力数据，并将其应用到锚链分析中，从而确定锚链实际状态。

监测装置的安装设计应该交由系泊工程师承担，保证安装的监测装置在使用有效期内具有充足的可靠性。此外，要求负责监测的工作人员对一些物理现象具有深入的理解和认知，否则将可能导致记录的数据有误或不完整，使相应的监测装置无法发挥其应有的作用。

6)完善安装程序及责任机制。单点系泊系统安装时，提前做好安装计划，加强安装过程中的管理与监督，做到每一步安装准确、到位，避免安装失误的产生，避免在安装过程中工程船对系泊缆的刮碰事故。

7)提前准备备件。近几年来因按照常规工程方法考虑更换受损钢索设计方案而经常遇到材料备件采办交货期长和施工船舶资源动员准备时间长等困难，导致无法及时落实各项应急抢修补救措施。可提前购置一条备用钢索及一组备用接头构件,以备不时之需。

参考文献

[1] 杨光,翁海龙,刘敏.单点系泊结构及安全事故分析[J].珠江水运,2000(11):20～22.

[2] MA K.T.,DUGGAL A.A historical review on integrity issues of permanent mooring systems[C].OTC24025, Houston,2013.

[3] 刘志刚,何炎平.FPSO 转塔系泊系统的技术特征及发展趋势[J].中国海洋平台,2006,21(5):1-6.

[4] LI H,CHEN Y,XIE W,et al.Installation of STP mooring system and FPSO hookup in south china Sea[C]∥Beijing, China: International Offshore and Polar Engineering Conference，2010.

[5] MELIS C., JEAN P., VARGAS P.. Out-of-plane bending testing of chain links[C]∥OMAE2005-67353. Greece, 2005.

Failure Analysis and Improvement of Single

Point Mooring Systems in South Sea

HUANG Jia, FAN Mo, WANG Zhong-chang, LIANG Wen-zhou, LI Da, WANG Li-qin

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Key words: single point mooring; internal turret; failure; improvement measure