小型多边形FPSO两点外输方案分析

2021-06-28时光志夏华波黄国良王司祺吴昊

船海工程 2021年3期

时光志，夏华波，黄国良，王司祺，吴昊

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

中国海域环境恶劣，目前投产的FPSO均为船形，多采用具风标效应的单点系泊式尾部输油方式，关于系泊式外输方式，已有的报道[1-6]未见涉及类似无风标效应FPSO的外输方案比选、外输方式配置、大缆张力及偏移角计算、外输操作模式及其可靠性分析。本文提出基于多点系泊方式的多边形FPSO两点外输方式，论证其外输方案可行性。

1 方案基本情况

采用多边形FPSO，储油量约3万～5万t，5口水下井口开发，电潜泵开采，由于浮体各向同性，采用张紧式多点系泊方式定位，动态电缆、脐带缆及柔性立管从浮体底部穿入，通过舷侧舱室，在主甲板穿出，接至管汇。多边形FPSO在作业海域永久系泊，台风不解脱。作业于南海深水海域，约为330 m，环境条件极为恶劣。主船体外径为62 m，主甲板处外径为68 m，模块甲板处外径为72 m，阻尼板处外径为82 m，主甲板处型深28 m，工艺甲板处型深32m，设计吃水和压载吃水分别为16.2 m与11.5 m。采用10边的多边形，5对货油舱舱容为40 577 m3，压载水33 327 m3。

图1 多边形FPSO总体方案示意

该多边型FPSO不同于船形FPSO具有风标效应，不能采用传统在艉部设置一套外输的方案。初步考虑以下3种外输卸油方案。

1)常规DP油船卸油方案，应用于北海和巴西，适用于多点系泊，见图2。

图2 DP穿梭油船外输方式

2)HILOAD定位卸油，增加1套装置，常规卸油船在多点系泊FPSO位置的卸油(巴西进行了试验应用)，见图3。

图3 Hiload外输方式

3)常规油船(加装艏侧推、艏装载)加拖船辅助定位。

国内暂无DP油船，Hiload方式在巴西工程示范应用未取得理想效果，技术成熟性有待提高，故考虑采用常规油船方案。中国南海常年风向分别为夏季西南风与冬季东北风，最大利用风标效应，在多边形FPSO的东北和西南2个主环境方向上分别设1套外输系统，采用常规提油船，油船配艏侧推、艏装载和艉部拖船。

2 方案关键技术

如图4和图5所示，多边形FPSO采用两点外输方案，包含2个外输平台，2套外输系统，布置在工艺甲板，该层甲板依次为生活区，电站、热站及公用区，油气处理区，水处理区，包含预留区。多边形FPSO是相对固定不随风浪流旋转的，采用常规油船串靠外输方式，提油船距离FPSO约100 m时，值守拖船从FPSO向油船传送外输系泊大缆及漂浮软管，根据风向选择东北或西南外输点，使提油船利用风标尽量处于迎风位置，根据作业天气确定采用1艘或2艘拖船在提油船艉部辅助外输操作。外输的常规油船配置艏侧推、艏部装载系统。

图4 外输方案示意

图5 外输方案布置

1)双外输点设计。外输时提油船视风向系泊在两点中的其中1个外输点，使提油船具有风标效应，双外输点核心理念是如何充分利用该风标效应，确保其在安全的下风侧外输作业。双外输方案使其外输在多数情况下与船形FPSO一样实现风标作业，夏季风时在东北侧外输点作业，冬季风时在西南侧外输点作业，基本能覆盖南海外输作业窗口，实现下风侧安全外输。

2)艏部接油方式。中国海域FPSO外输为船舯接油，方案采用油船艏部装载，属国内首次拟应用案例。外输时，提油船停泊在距FPSO约100 m的下风侧待命，值守拖船完成FPSO与油船间系泊大缆和漂浮软管的传输，系泊大缆和外输软管分别连接至油船艏部系泊设备及油船艏装载系统，实现艏部接油。与船舯接油相比，艏部接油有如下特点：艏部接油方式在国外应用较普遍；可免去拖船从艏部到船舯传输软管带来的风险；避免外输时软管与FPSO或提油船的碰撞；缩短软管长度，减少约2/3软管传输时间，节省软管投资；艏装载具备应急解脱功能；是OCIMF的推荐操作模式，具有简易、便捷、通用的优点。

3)艏侧推。提油船配置艏侧推，具备以下特点：更加灵活可靠的操纵性，协助靠泊，提高靠泊成功率；停在泊期间能有效降低大缆瞬间张力，减少碰撞风险；若油船受到较大的横向力将发生艏向偏转时，艏侧推能够抵消横向作用，使油船尽量保持在较小的环境力艏向上；国内带艏侧推的油船有8艘，其中一半在南海使用过；该功能和DP提油船的艏部侧推相当，费用约30万美元。

4)艉部拖船。当外输大缆松弛或距FPSO较近时，利用艉部拖船进行拖拽定位，确保外输的合理角度与安全距离。拖船兼具作业守护、大缆和软管传输、辅助消防等功能。天气良好时，采用1艘拖船系泊于提油船的艉部拖带作业，气候条件较差时则采用2艘拖船系泊于提油船的艉部拖带作业。弱风标配置2艘拖船，则弱风标效应时，采用双拖船拖艉，确保安全外输，双拖船为2个独立动力源，功能可靠、冗余度高、安全性好；降低使用FPSO应急解脱的几率，减少FPSO回接油管和大缆的时间。

3 外输方案比较

两点外输与传统外输在大缆配置、接管方式与难度、提油船靠泊难度与风险等方面的对比见表1。

表1 2点外输与传统外输提油作业外输配置与作业难度比较

国外圆筒形FPSO提油方式为DP穿梭油船输油，多边形FPSO与国外圆筒形FPSO提油方式在外输方案及设备配置方面的对比见表2。

表2 常规油船双外输点与DP外输方案及设备配置对比

4 外输分析

如图6所示，风浪流同向，从A～G方向来风、流和浪进行计算，具体数值见表3～4。根据南海以往的外输条件经验，确定多边形FPSO外输条件见表4。以恶劣环境时，1艘提油船正在提油作业，2艘艉部拖船牵引为例进行分析，其中提油船为5万t，拖船分别为3 000 t和6 000 t。

表3 外输环境方向

表4 多边形FPSO外输操作条件

图6 波浪方向示意

多边形FPSO通过多点系泊固定在某海域，外输时系泊大缆两端分别连接FPSO和提油船，2艘艉部拖船在FPSO艉部拖拽，方向及夹角见图7。

图7 外输作业布置示意

其中，系泊大缆及拖船的拖力见表5、6。

表5 系泊大缆及拖船参数限制 kN

系泊大缆单缆安全因子为大缆破断负荷与最大设计张力的比值，根据BV船级社NR494规范要求，选定单缆安全因子为3，即大缆允许的破断载荷为2 160 kN。根据南海的作业经验，拖船的系柱拖力利用率分别考虑90%，50%。见图8、9，外输大缆静态下的计算结果解读如下。

图8 90%系柱拖力时外输关系

1)该外输方式在南海作业，其静态大缆张力满足安全系数。

2)每个浪向均有可能达到大缆极限张力，故大缆张力与入射浪向角无关。

3)静态大缆张力与风浪相对夹角也无关。

4)静态大缆张力与拖船角度有关，如拖船A角度，拖船B角度，拖船A、B相对角。

5)最大静态张力发生在拖船A与拖船B同向或近似同向时，随着相对夹角增大而大缆张力减小。

表6 各船舶相对运动角度限制

为了进一步确认该外输方式的安全可靠性，在荷兰Marin水池进行模拟实操，模拟的船舶参数与计算假定一致，以测试本模式的可行性，结果见表7。

图9 50%系柱拖力时外输关系

表7 两点外输方案水池实操模拟结果

计算和水池试验结果表明：①除4 m及以上大风浪条件下，使用2条拖船和提油船主机、艏侧推，在各种不利天气条件下，大缆张力可控；②大缆夹角在强对流和乱流测试中偏大但可纠正；③大缆夹角在正横风速10 m/s条件下夹角过大，但该条件出现的概率为1.10%。因此，该方案在南海外输，大缆拉力可控，船舶偏移角在合理范围，外输方案可行。