FPSO单点系泊腿更换技术研究与应用

刘雪宜，于常宝，杨洪所，林 杨，李爱刚

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；

2. 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

工艺与材料

FPSO单点系泊腿更换技术研究与应用

刘雪宜1，于常宝1，杨洪所1，林 杨2，李爱刚2

（1. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；

2. 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

年检过程中发现渤海油田“渤海友谊号”浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）单点系泊系统单点左右舷系泊腿存在故障，为消除油田安全隐患，需更换系泊腿。通过研究系泊腿的结构形式，初步判断故障原因，确定只更换系泊腿上半部分的工作范围；在方案可行性研究阶段，对比分析停产工期、风险及施工效率等，制定在码头更换系泊腿的基本策略；在设计系泊腿拆卸方案时，选择重型销轴开销器作为首选、金刚石绳锯机作为备用的施工方案，最终成功完成单点系泊腿的快速更换工作，使得油田停产时间比原计划缩短18d，经济效益显著提高。该项目是解决水上软刚臂单点系泊腿故障问题的一个典型案例，涉及策略制定、施工方案设计、海上施工与油田复产、冬季施工气候窗口选择及主线辅线施工相互配合等，对类似工程的研究具有借鉴意义。

海洋工程；FPSO单点系泊；系泊腿更换；方案对比研究；FPSO解脱连接；海上施工

1 项目背景

5万吨级浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）“渤海友谊”号位于渤海油田南部渤中 28-1油气田，该油田水深约为22m。“渤海友谊”号单点属于水上软刚臂系泊系统，是塔式系泊系统的一种，由瑞士SBM公司设计生产。该单点系泊系统的结构见图1，主要包括四腿导管架、单点系泊头、系泊刚臂（YOKE）、系泊腿、系泊构架和跨接软管等[1-3]。

2013年6月，在年检过程中发现“渤海友谊”号FPSO单点系泊系统单点左右舷系泊腿存在故障：左舷系泊腿万向铰接头处转动时发出尖锐噪声，并伴随有轻微振动，同时系泊腿向上窜动约15mm；右舷系泊腿万向铰接头也存在类似噪声、振动问题，且系泊腿向上窜动约 3mm。初步判断其左右舷系泊腿推力轴承损坏，左舷系泊腿万向铰接头外观见图2。

图1 “渤海友谊”号单点系泊系统结构

图2 左舷系泊腿万向铰接头外观

2 系泊腿更换工程方案研究

2.1 系泊腿介绍

系泊腿是水上软刚臂单点系泊系统的重要组成部分，其上端连接固定在FPSO艏部的系泊构架上，下端连接YOKE的压载舱。系泊腿总长13m，质量为30.8t，其主体结构见图3。

2.2 系泊腿更换范围分析

如图3所示，可从连接法兰处将系泊腿分为上、下两部分。FPSO解脱时，系泊腿上部分悬挂在FPSO船首的系泊支架上，下部分留在YOKE压载舱上。初步判断系泊腿出现故障的原因是推力轴承损坏，系泊腿下铰接头运行正常，无损检测也未发现缺陷，因此确定工作范围是只更换系泊腿上部分。如此安排能节省更换系泊腿下部分带来的工程费用，但系泊腿上下部分不能提前试装及新旧系泊腿匹配将是项目重大的风险点，项目实施过程中需制定专门的风险控制措施。

图3 系泊腿主体结构

尽管左舷系泊腿的故障比右舷系泊腿严重，但考虑到右舷系泊腿故障有可能继续恶化，且更换系泊腿涉及油田停产、大型船舶资源投入及后续油田安全生产，决定2条系泊腿一起更换。

2.3 系泊腿更换方案研究

在项目可行性研究阶段，共设计以下3套系泊腿更换方案。

1) 方案一：FPSO不解脱在线更换系泊腿。“渤海友谊”号单点设计厂家SBM公司曾建议采用该方案；2010年尼日利亚Sea Eagle FPSO右舷系泊腿曾发生类似故障，采用的方案是先用临时锚链替换有故障的系泊腿，待系泊腿采办到货后再进行安装并拆除临时锚链。由于系泊腿采办到货的时间为 10月底，而此时渤海海况恶劣，2次海上施工都需要FPSO停产且浮吊傍靠FPSO提供吊装支持，因此该方案施工难度较大。

2) 方案二：FPSO解脱拖航至油田附近海域更换系泊腿。FPSO抛锚后需安排拖船24h守护，更换系泊腿需浮吊傍靠FPSO。由于 FPSO时刻处于运动状态，影响更换系泊腿的施工效率，因此FPSO一旦走锚将危及油田其他设施，总体施工风险较高。

3) 方案三：FPSO解脱拖航到船厂码头，在陆地更换系泊腿。该方案优势明显，码头吊机可24h使用，FPSO在码头处于稳定的系泊状态，可通过增加系泊缆绳来抵抗恶劣天气，受天气的影响最小，施工风险相对较低。

基于以上3套系泊腿更换方案的对比研究，结合“渤海友谊”号停产期间洗舱特检、跨接软管更换等其他工作，从停产工期、风险、天气待机、施工效率及工程费用等方面综合考虑，最终选择FPSO解脱拖航到船厂码头的工程方案。

3 系泊腿拆卸方案设计

由图3可知，系泊腿通过销轴悬挂在FPSO船首系泊支架的吊点孔中，两者是高精密机加工件，轴与孔的配合间隙为0.15mm，且在海上服役长达10a左右，各部件可能存在腐蚀、变形及金属粘连等情况，选择可靠、高效的拆卸工具也是系泊腿拆卸作业方案设计的重点。

1) 方案一是使用重型销轴开销器，研制一套具有自主知识产权的重型销轴开销器[4]。该开销器采用工程常用钢材、丝杠和液压千斤顶等部件构成开销器的主体（主要构件见图 4），通过液压千斤顶提供动力，可轻松提供高达15000kN的顶推力来完成重型销轴拆卸作业。该方案的优点是比较成熟，施工经验较多，也可用于系泊腿的安装，经济性好；缺点是开销器是利用轴向顶推力实现销轴拆卸的，若顶推力的方向控制不准，或销轴本身存在变形、润滑不够及金属粘连等情况，顶推过程中容易发生销轴受力变形、吊耳孔拉伤或销轴卡死等风险。

2) 方案二是使用金刚石绳锯机，将镶有金刚石的“串珠”套在钢丝绳外，结合钢丝绳的柔软性和金刚石坚硬锋利的切割性制成切割工具，广泛应用于矿山开采和石材、海洋平台维修领域钢管及大直径零件的切割，主要由驱动装置、进给装置、液压张紧装置、导向装置、控制系统及液压动力源系统等组成[5]。图5为金刚石绳锯机方案示意，金刚石绳锯机主体安置在船首甲板上，安装导向装置和金刚石串珠绳，连接设备启动切割，在完成2处切割之后系泊腿就能顺利下放吊装至码头。该方案的优点是金刚石绳锯机导向装置安装快捷方便，能有效避免强力顶推造成的机械损伤，即使是在销轴变形的情况下也能完成切割，顺利拆除系泊腿；缺点是目前国内没有将金刚石绳锯机应用于系泊腿拆除的案例，无法预计首次工程应用可能出现的风险，且该方案不能用于新系泊腿安装，经济性较差。

图4 重型销轴开销器主要构件

图5 金刚石绳锯机方案示意

综合考虑以上因素，最终选择方案一作为系泊腿拆除的首选方案，方案二作为应急方案，应急方案在系泊腿销轴出现卡死的情况时实施。

4 系泊腿更换工程方案实施

系泊腿码头更换方案的实施主要包括FPSO解脱拖航、码头更换系泊腿及FPSO回连复产等3个阶段，对施工流程及注意事项分阶段介绍如下。

4.1 FPSO解脱拖航

“渤海友谊”号FPSO已在渤中28-1油气田服役十余年，通过前期检修确认FPSO解脱拖航所需关键设备的状态非常重要，这也是FPSO适拖法定检验的必要条件[6-8]。前期检修工作主要包括以下4个方面：

1) 按照中国船级社《海上拖航指南》的规定，检修拖航相关的设备与系统；

2) 确定FPSO解脱相关的关键设备（如绞车、排载空压机等）的状态，用水袋做绞车动静载荷试验；

3) 检查单点平台设备是否干扰FPSO解脱时的YOKE下放，将干扰设备现场标记、FPSO解脱时拆除及FPSO回连后原样恢复，确保FPSO解脱期间单点设备和YOKE的安全。

在FPSO停产、跨接软管清洗之后，开始进行FPSO解脱作业。由于跨接软管电缆需要重复利用，故在拆除跨接软管/电缆时需保证跨接软管/电缆的最小弯曲半径满足要求，在FPSO船首系泊支架横梁焊接临时拖点，使拆除后的跨接软管电缆在系泊支架处以“U”型悬挂，同时避免FPSO拖航拖缆与软管发生摩擦。按照正常的FPSO解脱程序提前拴挂提升缆、系泊缆及限位拖船，然后排放YOKE压载液，解除系泊腿法兰螺栓，用提升缆下放YOKE入水后，FPSO在限位拖船的拖曳下后撤，同时解除船首缆绳完成FPSO解脱，开始拖航[9]。

4.2 码头更换系泊腿

图6 系泊腿拆卸吊装示意

FPSO拖航到船厂码头并完成靠泊后，开始进行系泊腿更换作业。图6为系泊腿拆卸吊装示意，首先利用码头吊机拆除系泊腿上部平台及其他干扰结构，在系泊腿上部支柱上安装支撑盖板，在系泊腿与盖板之间连接索具和手拉葫芦，用手拉葫芦将系泊腿的质量从销轴转移至盖板上，同时连接一套系泊腿吊装索具到码头吊机上；然后将重型销轴开销器装配到位，利用液压千斤顶完成系泊腿销轴的拆卸。销轴顶推过程中，要注意保持受力水平，同时仔细观察千斤顶加力和销轴顶出情况，避免盲目顶推损伤吊耳孔。旧系泊腿拆卸完成之后要仔细检查系泊支架吊耳孔内壁，并进行无损检测。

FPSO靠泊码头期间以系泊腿更换为主线，必须在船厂完成；以其他工作（如船体清舱特检、生产设备维修等）为辅线，可在海上完成；主辅线相互配合，利用船厂的码头资源尽可能多地完成工作。同时，密切关注气象信息，根据气象预报信息及早确定FPSO出港时间点，通知引航站、轮驳公司及船厂等相关方做好出港准备。

4.3 FPSO回连复产

FPSO拖航连接是一项风险高、难度大的大型海上施工作业，而此次FPSO连接处于气象条件恶劣的冬季，这对项目施工管理提出了更高的要求。FPSO连接作业需要的海况条件为：有效波高＜1m，风速＜10m/s，流速＜1kn，能见度＞3n mile，且 FPSO上线就位要求白天进行。此外，需要的船舶资源为：1条8000HP（1HP=0.735kW，下同）的三用工作拖船，2条6000HP的三用工作拖船，1条4000HP全回转工作拖船。主拖船将FPSO拖航到油田现场距离单点3n mile的安全海域，根据潮流表和风向推算YOKE在水中漂浮的方位，确定上线方位和时间，然后通过换挂拖将FPSO从拖航状态转换成上线状态，6000HP拖船分别布置在FPSO船首左右舷，8000HP拖船布置在FPSO艉部，全回转拖船协助FPSO精确就位。在FPSO距离单点100m左右连接主系泊缆，然后依次连接交叉缆、提升缆等，提升YOKE使其出水后完成系泊腿法兰螺栓安装，最后向YOKE压载舱灌注防冻液实现FPSO安全系泊。此次FPSO停产维修也更换了4根跨接软管，跨接软管的安装由浮吊船完成。

4.4 实施效果

“渤海友谊”号系泊腿更换工程于2013年10月18日完成FPSO解脱，于同年10月28日完成船厂码头系泊腿更换，紧接着10月30日完成FPSO回连，紧接着11月4日实现油田复产。依靠优秀的方案设计和精细化的施工管理，油田停产时间比原计划缩短18d，渤中28-1油田多产原油约41820m3，多产天然气1530m3。整个工程项目的质量、安全及进度均满足业主的要求。

5 结 语

通过科学界定项目工作范围、比选优化基本方案及精细化施工管理，在渤中28-1油气田高效、安全地实现了单点系泊腿更换，消除了FPSO安全生产的隐患，经济效益显著提高。实践结果表明：将FPSO解脱拖航至码头更换系泊腿的基本方案成熟可行，重型销轴开销器拆卸系泊腿效果良好；同时将系泊腿更换范围界定在系泊腿上半部分能有效减少工程量和工程费用，只要确保新系泊腿的部件加工精度高，就能与旧系泊腿部件良好匹配，这对今后类似工程的研究具有借鉴意义。

[1] 《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计[M]. 北京：石油工业出版社，2007.

[2] 周国平. 海洋工程装备关键技术和支撑技术分析[J]. 船舶与海洋工程，2012, 28 (1): 15-20.

[3] 刘雪宜. FPSO在YOKE损坏时的应急解脱[J]. 石油工程建设，2013, 39 (3): 26-30.

[4] 中国海洋石油总公司，海洋石油工程股份有限公司. 重型销轴开销器：CN 102019550A[P]. 2011-04-20.

[5] 曹立文. 水下金刚石绳锯机切割技术的研究与工程样机的研制[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

[6] 中国船级社. 海上拖航指南：GD 02-2012[S].

[7] 刘雪宜. 内转塔单点式FPSO的拖航和连接[J]. 石油工程建设，2012, 38(6): 16-21.

[8] 宋书博. 打桩船桩架强度及稳定性校核计算[J]. 船舶与海洋工程，2013, 29 (4): 29-33.

[9] 田冰，刘雪宜，孙丕松. BZ油田单点系泊系统海上解脱[C]//中国海洋工程学会.第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集. 北京：海洋出版社，2009: 1473-1477.

Research and Application of Replacement Technology for FPSO Single Point Mooring Leg

LIU Xue-yi1, YU Chang-bao1, YANG Hong-suo1，LIN Yang2, LI Ai-gang2

（1. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China；2. Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China）

It was discovered during the annual inspection that malfunctions exist in both the port and starboard mooring legs of the single point mooring (SPM) system of a Floating Production Storage and Offloading Device ( FPSO ) BOHAI YOUYI located in BOHAI Bay. To eliminate the possibility of accident, the mooring legs need to be replaced. But it was decided to replace only the upper part of the mooring legs after the structure of the mooring legs was studied and the reasons behind malfunction were found. Then the leg removal plan was worked out, where the heavy overhead pin device was the first choice and the diamond wire saw was the alternative option. Finally, the replacement was successfully accomplished with the oil field downtime shortened by 18 days, which is proven to be highly beneficial. This project is a typical malfunction eliminating case of offshore soft yoke SPM leg, involving strategic planning, engineering design, offshore installation and oil production resumption, weather window selection for winter operation, collaboration between main and secondary lines and etc. It can be referred by similar projects.

offshore engineering; FPSO SPM; mooring leg replacement; scheme comparison; FPSO disconnection; offshore installation

U674.38

A

2095-4069 (2016) 06-0068-05

2015-12-08

海洋石油工程股份有限公司科研项目（E-0814P017）

刘雪宜，男，高级工程师，1980年生。2006年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计专业，现从事FPSO解脱连接、单点维修改造技术研究。