水下软刚臂式单点系泊系统解脱设计

闫斌，刘雪宜，姜学录，谭巍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)



水下软刚臂式单点系泊系统解脱设计

闫斌，刘雪宜，姜学录，谭巍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

以渤海海域海洋石油112 FPSO的解脱为例，设计大抓力锚与大功率拖船配合的新方法对FPSO进行精确控位，建立水下YOKE排载系统以提高FPSO与YOKE分离所需的提升能力，设计水下软刚臂单点系泊系统的解脱工艺。实践表明，解脱工艺和方案安全可靠，实现了世界首例水下软刚臂单点系泊系统海洋石油112FPSO的解脱。

单点系泊系统；水下软刚臂；解脱；控位；FPSO

水下软刚臂式单点系泊系统是塔架软刚臂单点系泊系统中的一种[1]，是挪威APL公司2000年前后开发的新的单点形式，世界上共有2例工程使用的案例[2]，均在中国海域的渤海湾地区，分别于2004年在曹妃甸油田和BZ25-1油田正式投入使用[3]。2014年，因曹妃甸油田的水下软刚臂式单点系泊系统出现故障，必须将该系统中的海洋石油112 FPSO与单点解脱，并对原有单点进行改造。以渤海海域海洋石油112FPSO的解脱为例，设计大抓力锚与大功率拖船配合的新方法对FPSO进行精确控位，建立水下YOKE排载系统以提高FPSO与YOKE分离所需的提升能力，设计水下软刚臂单点系泊系统的解脱工艺。

1 项目背景

水下软刚臂式单点系泊系统是挪威APL公司设计开发的可解脱形式单点系泊系统，主要由带有孤立塔柱的水下基盘、水下旋转YOKE、单点上部组块、系泊链系统、一艘浮式生产储卸油装置(FPSO)和悬空跨接软管、电缆6大部分组成，适合最大水深为50 m。水下基盘通过3跟钢桩固定到海底，水下旋转YOKE通过挂钩结构与水下基盘连接。上部组块安装在基盘上的孤立塔柱内套筒的顶部，用法兰连接。上部组块导向柱插入孤立塔柱外套筒的导向套筒中，这样，上部组块的旋转框架、外套筒以及YOKE通过系泊链与FPSO连接，呈风向标效应，绕单点基盘及孤立塔柱进行360度旋转。介于孤立塔柱式下水桩基础单点和FPSO之间的YOKE和系泊锚链，通过万向铰接头实现软刚臂功能，依靠YOKE压载舱配重提供合适的恢复力，以保证弹性系泊的需要。见图1。

曹妃甸油田位于渤海湾西部海域，油田水深约26 m，系泊的FPSO为海洋石油112 FPSO，具体参数为：总长276.82 m，垂线间长262 m，型宽51 m，型深23.6 m，满载吃水15.6 m，设计寿命25年。2014年，曹妃甸油田为解决单点系泊系统存在的故障，计划在原有单点附近新建一座单点，将海洋石油112FPSO与原有单点解脱后，直接与新建单点连接，以尽快恢复油田生产。

图1 水下软刚臂式单点系泊系统示意

2 设计方案

2.1 基本要求

1)要保护水下基盘连接的海底管道、海底电缆以备后续使用，要求FPSO解脱时水下YOKE必须下放至位于海床指定位置，即FPSO船艏向为296°，且在YOKE下放至海床时FPSO船艏左右偏移不超过3 m。

2)根据作业计划，完成FPSO与单点解脱的所有施工步骤用时近72 h，需要采用可靠的方法实现FPSO的长时间船位控制，既不能对原单点结构造成次生损害，影响对原单点结构故障的后续调查；又能迅速应对气象水文条件突变带来的不利影响，使FPSO解脱后迅速从现场撤离。

3)FPSO与单点解脱必须将FPSO与YOKE连接的系泊链拆除，因此需要使用FPSO船艏提升绞车将YOKE先提升至指定高度，然后拆除系泊链与FPSO的链接，最后将YOKE下放至海床。但是，YOKE及其附件自重为1 109 kN，考虑海水浮力，提升绞车对YOKE施加的向上的提升力至少应不小于8 15.5 kN，这对于安装使用近11年、设计提升能力为8 000 kN的绞车已超出其工作负荷。

2.1 FPSO船位控制设计

为满足FPSO船位的精确控制，同时考虑FPSO解脱后迅速撤离作业海域，采用了大功率三用工作拖船与大抓力锚相互配合的FPSO船位控制方案，见图2。

FPSO船艏采用2条8 940 kW(12 000 HP)、系柱拖力1 050 kN的三用工作拖船分布左右，使用拖船拖缆与FPSO船艏甲板上的拖点连接；采用1条8 940 kN、系柱拖力1 200 kN的三用工作拖船布置在FPSO船艉。这种方式可实现FPSO一定范围内的船位控制，并在风向流改变时，能够及时调整FPSO船艏受力的方向和大小。在FPSO与单点解脱后，将有这3艘大功率拖船采用艉拖方式拖带FPSO快速撤离现场。

图2 FPSO解脱船位控制总体布置

FPSO船艉采用布置2个临时大抓力锚的方式实现FPSO船位的精确控位。由于FPSO实现与单点解脱前，FPSO船艏2根系泊锚链仍与水下YOKE连接，使其仍可通过YOKE提供的回复力保持在系泊状态，在2个临时大抓力锚的辅助控位下，FPSO船艉的大功率拖船只需保持自持而不需对FPSO施加向船艉方向的力，避免FPSO船艉的大功率拖船拖力不稳定造成单点结构损伤。

FPSO船艉布置的临时大抓力锚采取自重为7 t的MK5型大抓力锚、φ56×25 m锚链、φ50 mm×485 m钢缆的组合布置，见图3。锚缆与FPSO拖点间的连接采用安全工作载荷85 t导向滑轮的与φ50 mm×300 m回头钢缆组合的形式连接，见图4。通过FPSO船艉的工作绞车对锚缆张紧程度进行控制，实现对FPSO船艏向的精确控制和动态微调。

在设定的作业环境条件下，即风速<11 m/s，流速<0.8 m/s，有义波高<0.75 m，采用MOSES软件对FPSO船位控制布置进行动态校核[4-6]，以上布置满足FPSO解脱的要求。

图3 FPSO船艉与临时大抓力锚连接形式

图4 FPSO船尾通过导向滑轮与锚缆连接

2.2 YOKE压载舱浮力提升设计

YOKE压载舱分为左翼压载舱、中间压载舱和右翼压载舱等3个部分，见图5。左翼和右翼的压载舱填充有密度为3.18～3.3 t/m3的混合砂浆，剩余共计68 m3的空间充满海水。中间压载舱中与海水环境连通，体积为122 m3。为注入常压空气将压载舱中海水排出，将压载舱原有人孔更换为带有进气口和出水口的人孔盖，见图6。人孔盖上的进气口与从FPSO船艏引至YOKE的空压机管线连接，见图7、8。

图5 YOKE压载舱分布

图6 带有进气口、出水口的人孔盖

图7 左翼、右翼压载舱排载

图8 中间压载舱排载

在实践操作中，以海水上浮大量气泡为YOKE压载舱排载完成、获得浮力提升的标志，可提供1 947 kN浮力，从而使YOKE提升所需的提升力由8 155 kN降至6 208 kN，处于FPSO船艏提升绞车的设计能力范围内。

3 FPSO的解脱作业

FPSO与水下YOKE的连接是通过系泊链和提升链构成的,因此，在FPSO解脱时，首先要使用FPSO船艏的提升绞车通过提升链将水下YOKE向上提升约4 m，将嵌入FPSO船艏系泊支架的系泊锚万向铰接头移除并置于FPSO之外，然后释放提升链将YOKE下放至指定位置并将提升链抛放至海床上，解除FPSO与水下YOKE的最后连接，最后断开临时大抓力锚对FPSO的控制，在3条FPSO控位拖船的控制下，拖带FPSO撤离作业海域，完成解脱作业。

3.1 临时大抓力锚的预布

在预定的锚位位置沿设定的锚缆走向下锚。由于FPSO船艉导向滑轮和工作绞车对锚缆张紧度的调整有限制，实际锚位不能超出以设定锚位为中心、半径为20 m的设定区域。

临时大抓力锚下锚和锚缆放缆后，使用系柱拖力不小于700 kN的三用工作拖船对大抓力锚进行拉力试验，拉力试验应沿设定的锚缆走向进行，试验拉力为500 kN，持续保持15 min，试验3次，若发生溜锚或是走锚情况，应按上述步骤和要求重新抛锚。试验合格后，在锚缆端挂上标识浮标后铺放在海床上。

3.2 控位拖船的挂拖

在选定的气象窗口内，先将8 940 kW、系柱拖力1 200 kN的三用工作拖船与FPSO船艉的拖点连接；然后连接船艏处于上风向的8 940 kW、系柱拖力1 050 kN的三用工作拖船，最后连接下风向的拖船。拖船挂拖时，应选择流向比较稳定的时段，并应注意已预布的临时大抓力锚锚缆和浮标。分布左右，使用拖船拖缆与FPSO船艏甲板上的拖点连接；采用1条8 940 kW、系柱拖力1 200 kN的三用工作拖船布置在FPSO船艉。

3.3 锚缆与导向滑轮的连接

3条控位拖船拖带FPSO旋转至艏向为296°的位置，并保持FPSO船位。辅助拖船艉应先连接FPSO船艉上风向侧的导向滑轮，再连接下风向侧的导向滑轮。

辅助拖船船艉傍靠FPSO船艉，将预先连接好的导向滑轮移放至辅助拖船甲板并采取可靠固定。FPSO船艉工作绞车逐渐放松，辅助拖船携带导向滑轮和绞车钢缆靠近锚缆浮标位置，并在辅助拖船甲板上完成滑轮与锚缆的连接，见图9。随着FPSO船艉工作绞车的钢缆逐步收紧，辅助拖船缓慢释放导向滑轮，直至锚缆带力、滑轮处于水面以上。

图9 辅助拖船协助导向滑轮与锚缆的连接

为避免导向滑轮在与锚缆连接及张紧过程中发生反转而使绞车钢缆缠绕，应选择能够对钢缆进行导向、限位的滑轮，FPSO工作绞车应选择防转钢丝绳，辅助拖船在释放滑轮时应张紧有度、缓慢释放。

3.4 FPSO与单点的解脱

3条控位拖船和2个临时大抓力锚的控制下，使FPSO位于设定的解脱区域，即：FPSO船艏向为296°左右。

应先对水下YOKE压载舱进行排载，直至有大量气泡从YOKE压载舱位置翻滚冒出；同时启动FPSO船艏800 t提升绞车，将YOKE向上提升约4 m。然后启动FPSO船艏左右舷的工作绞车，将系泊链万向铰接头从FPSO船艏系泊支架挂接点移置于舷外，并充分释放，解除FPSO与水下YOKE连接的系泊链，见图10。

图10 系泊链万向铰接头的移除

最后再次启动FPSO船艏800 t绞车将YOKE下放至海床泥面以上2 m，通过2个临时大抓力锚和3条控位拖船将FPSO船艏向准确定位在296°、左右偏移≤3 m，直至YOKE完全下放至海床。解除FPSO与提升链的连接，实现FPSO与单点的解脱。

在这一过程中，为缩短FPSO解脱时间，在FPSO船位进行调整时即可开展YOKE压载舱的排载工作；在YOKE位于海床泥面以上2 m时，应对FPSO进行准确的控位并实时监测，确保YOKE坐落在预定位置，同时，还应格外注意FPSO与单点之间的距离，避免因提升链的解除造成FPSO突然向后移动，进而导致FPSO船位位置的短暂失控。另外，一旦YOKE完全坐落在海床上，应快速断开排载管线，断开FPSO与单点或是YOKE间的任何连接。

3.5 FPSO撤离作业海域

FPSO与单点解脱后，FPSO船艉的控位拖船应逐渐增加拖力，控制FPSO向296°方向缓慢后撤，撤离距离应在20 m范围内。同时，FPSO船艉的2台工作绞车应快速释放，直至连接导向滑轮的300 m回头钢缆呈松弛状态，使用氧气乙炔切割工具将回头钢缆从FPSO船舷侧切断，从而断开FPSO与大抓力临时锚的连接。最后，在3条控位拖船的控制下，以FPSO尾拖方式拖带FPSO离开作业区域，完成FPSO解脱作业。

需要注意，在初始后撤的20 m范围内，FPSO后撤速度不宜过快，尤其是导向滑轮的300 m回头钢缆的切断作业要快速果断，避免因不及时造成FPSO撤离受阻。

4 结论

1)作为世界首例水下软刚臂式单点系泊系统的解脱作业，其解脱过程精度要求高、环境条件要求严格、作业持续时间长，需要多船舶、多体系、全方位协同配合，尽管技术难度高、作业风险大，但海洋石油112FPSO的成功、顺利解脱，不仅从理论上和实践上证明了该形式单点系泊系统解脱的可行性，而且为今后该形式单点系泊系统的设计和改进提供了技术参考。

2)采用大抓力锚配合3条大功率三用工作拖船对FPSO实施精确控位，虽然在方案设计和施工准备阶段难点重重、工作繁多，但其可靠和精确的控位能力有效降低了海洋工程作业对环境的依赖和限制。

3)水下YOKE排载系统简单实用，不仅抵消了海生物附着YOKE的不利影响，而且有效降低了FPSO与YOKE分离对YOKE提升绞车工作能力的要求，保证了FPSO解脱作业的正常开展。

4)在水下软刚臂式单点系泊系统的解脱过程中，FPSO船位控制、YOKE提升和下放、解除系泊链与FPSO的机械连接、断开临时大抓力锚对FPSO的控制、FPSO快速撤离等关键作业点要求准确到位、一气呵成，任何一个步骤的失误都可能造成FPSO解脱作业的失败。降低天气、水文条件的不利影响，采取合理易行、简单果断的施工操作，是实现水下软刚臂式单点系泊系统中FPSO与单点解脱的关键控制点。

[1] 夏华波.水下软刚臂单点系泊研究[J].船海工程，2014，43(3)：166-171.

[2] 《海洋石油工程设计指南》编委会，编著.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.

[3] 姜进方.孤立塔柱式水下软刚臂单点系泊系统安装连接[J].中国造船，2006，47(增刊)：452-459.

[4] 严明，李德斌，田冠楠.海洋石油112冬季海况单点系统受力分析[J]. 船海工程，2015，44(5)：80-87.

[5] 李淑，王树清.基于多提分析的浅水FPSO和水下软刚臂系泊系统运动特性研究[J].中国海洋大学学报，2011，41(9)：95-102.

[6] 桂龙，唐友刚，秦尧，等.浅水FPSO限位作业系泊分析[J].海洋工程，2014，32(3)：28-44.

Design of Underwater Soft Yoke SPM Disconnection

YAN Bin, LIU Xue-yi, JIANG Xue-lu, TAN Wei

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

Taking the Haiyang Shiyou 112 FPSO disconnection in Bohai sea as an example, a new method was designed to precise control the position by tugs cooperating with high holding power anchor. The underwater yoke exhaust system was set up to enhance the hoisting capacity during FPSO separate from underwater yoke, the disconnection process of underwater soft yoke SPM (single point mooring) system was developed. Practice showed that the disconnection process are safe and reliable, and successfully achieved the first disconnection case of underwater soft yoke SPM system in the world.

single point mooring; underwater soft yoke; disconnection; station keeping; FPSO

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.035

2016-11-25

闫斌(1981—)，男，硕士，工程师

研究方向：海洋石油工程

U674.38

A

1671-7953(2017)04-0151-05

修回日期：2016-12-21