一种内转塔系泊系统布置方案

2022-02-08黄天星

广东造船 2022年5期

关键词：转塔浮筒卡盘

胡斌，黄天星，王领，程伟

（广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250）

1 前言

内转塔系泊系统通过与浮式装置内部浮子穴或月池结构将浮式装置系固在海上，使浮式装置可随风浪流进行旋转，从而降低浮式装置在风浪流等外界环境作用下的载荷和运动响应，一般适用于较恶劣海况的海区作业，其型式如图1 所示。

图1 内转塔式系泊系统

内转塔系泊系统在深海使用具有极大的优越性，主要表现在：系泊装置的吨位大，可安装多通道旋转接头总成，系泊系统抗风浪能力强，操作简单，便于维护。但其造价较高，比较适合于大储量油气田的开发。

近年来，为了缩短海上油气田建设周期，海上浮式生产储卸油装置（FPSO）逐渐向通用型方向发展，相应的对于内转塔系泊系统也提出了通用化的发展需求，针对拟开发的200 万桶通用型浮式生产储卸油装置，作者提出了一种通用型内转塔系泊系统的初步布置方案。

2 内转塔系泊系统布置方案

内转塔系泊系统一般由系泊系统、水下立管系统、转塔与浮筒、机械锁紧装置与提升系统、旋转接头总成装置、公用设施等组成。

2.1 系泊系统布置

系泊系统主要用于将浮式装置的环境载荷传递到海底锚固基础，由系泊缆和海底锚固设施组成。大量的试验证明：分组式系泊布置具有更好的系泊承载性能和更多的立管布置空间，因此，系泊系统采用分组式布置方案。

常用的分组式系泊缆布置是3×3 形式，即系泊缆分为3 组、每组3 根系泊缆。具体到每个工程，每组系泊缆的数量与海域的环境条件及要求的安全系数有关，适当增加系泊缆数量可减小系泊缆直径；另外，某些业主可能会要求将1根系泊缆破断作为完整工况、2 根系泊缆破断作为破损工况进行系泊系统的设计，因此系泊缆的数量应具有一定的拓展性，能兼容3×3、3×4 乃至3×5 的布置，故本方案使用3×5 系泊缆布置形式，可根据海域环境条件的不同选择布置3×3,或3×4 或3×5 的系泊缆，其主要布置方案如下：

在系链浮台上每间隔120°布置6 个系泊眼板，其中中间4 个眼板为双层眼板，下层6 个系泊眼板可容纳3×3 的系泊缆，4 个双层眼板的上层形成2 个备用系缆点，从而组成3×5 的系泊缆布置形式，如图2 所示。

图2 系泊缆3×5 布置

系泊系统的布置，还需要考虑系泊缆末端与转塔系链浮台之间锚缆末端固定与安装方式，常用的固定方式有掣链器、插销、伸缩球抓紧式等。其中：掣链器一般用于不可解脱内转塔及外转塔系统；插销式常用于解脱型内转塔系泊系统；伸缩球抓紧式为新型的易于海上安装的末端固定形式。

2.2 水下立管布置

水下立管是指用于连接水面浮式装置和海底管汇的管路系统，是用于向浮式装置传送液体的基本设备，也是海上油气生产系统中最复杂的设备。水下立管包括：井液立管、注水注气立管、气举立管、化学剂注入等公用立管。立管的数量和直径与水下生产系统有关，立管的布置要通过适当的构型设计保证恶劣海况时的立管仍不会产生干涉且有避碰空间。

从立管的特点和结构形式，可以分为钢悬链立管（SCR）、柔性立管（FR）和塔式立管（HTR）或它们的组合：

（1）钢悬链立管

是指使用钢质立管，在立管中间段增加浮力装置抵抗一部分张力，在水中形成拱弯段和垂弯段。这种形式立管能够将管汇基盘附近立管的运动和顶端立管的运动隔离，减小立管顶端载荷，提高立管疲劳寿命；

（2）柔性立管

是指立管具有较好的柔度，其构型设计形式非常灵活，根据不同的作业环境和应用要求，柔性立管的截面组成往往是不同的；

（3）塔式立管

是一种以钢性立管作为主体，通过立管顶部浮筒的张力作用垂直站立在海底，通过浮筒附连的跨接软管与海上浮式装置连接的立管结构形式。

上述三种形式中：柔性立管采用复合材料生产,设计复杂且造价高,目前国内的制造能力较弱，且不适合深水使用; 塔式立管安装过程特别复杂,需要考虑立管接头的外形和重量、安装船的要求以及安装周期；钢悬链立管结构简单、造价较低,目前广泛应用于深海油气田的开发。因此，选用钢悬链立管布置形式，如图3 所示。

图3 水下立管布置形式

2.3 浮筒与转塔布置

浮筒是锥形结构，布置在通用型浮式生产储卸油装置的船体底部浮子穴内，它可产生足够的浮力保证在解脱后悬浮于水中；浮筒的尺寸主要受水深、系泊锚腿形式、立管数量、水下立管构型的影响。对于指定油田生产参数，浮筒下立管和系泊载荷是固定的，对应有最优的浮筒尺寸；但对于通用型浮式生产储卸油装置，需要考虑较宽泛的油田和环境适用性，保证有一定的储备浮力。按照日产15 万桶原油、日气处理能力6 Mm3、日水处理能力12 万桶的要求，初步确定浮筒底径为24.0 m、总高25.5 m、锥度约1:3，该尺度的锥形浮筒可满足解脱后的浮筒悬浮要求。

浮筒通过下部设置的下匹配环和浮筒顶部的锁紧装置与浮式生产储卸油装置连接与固定：浮筒中心设有中央井，转塔布置在浮筒的中央井内，通过主轴承与浮筒连为一体；系泊主轴承分为上轴承和下轴承。上主轴承布置在浮筒与转塔的顶部，是大型三排滚柱轴承，需满足承受系泊载荷要求。但其直径受转塔直径的限制，一般稍大于转塔的直径；下轴承布置在浮筒的底部，一般是滑动轴承。

转塔包括塔筒结构、主轴承安装座、系链浮台等：转塔底部的系链浮台与系泊系统连接，水下立管与系链浮台的底部立管法兰连接，立管通过转塔内部空间到达旋转接头总成。对于通用型浮式装置，转塔的外径根据转塔内立管的布置需求，初步确定为6.0 m。

2.4 锁紧装置及提升系统布置

（1）锁紧装置

锁紧装置负责将水下系泊缆及立管系统的全部垂向载荷通过浮筒传递至船体结构。锁紧装置的预紧力是一个关键的参数，如果锁紧力不够会导致锁紧装置卡头垫块的固定螺栓切断，这也是该装置需要进行定期预紧的主要原因；一般来说，当浮式生产储卸油装置被推至最高和最远位置时，如果浮筒受到锚链腿向下的作用力大于预紧提升力，浮筒与船体圆锥形月池之间的上下匹配环接触力会变小甚至为负值，从而导致锁紧装置卡头垫块的固定螺栓受到太大的剪力而破坏，因此应保证预紧提升力大于浮筒受到锚链腿向下的最大作用力。

锁紧装置是单点系泊系统中关键受力结构之一，其的结构形式包括：插销销孔、三爪卡盘、弧形卡盘、齿条结构及液压大钩卡头结构。从制造和安装方便性考虑，锁紧装置一般使用液压大钩卡盘结构，在操作得当的情况下，液压大钩卡盘结构是可靠的。

锁紧装置一般使用分组式布置，对于8 套液压大钩卡盘的形式，一般分为四组均布。但经过分析论证，使用10 套卡盘分为两组的布置形式，在单个液压大钩卡盘失效时的冗余度更大。

（2）提升系统

浮筒提升系统，在海上连接时将浮筒拖曳到浮子穴指定位置，其主要包括：提升绞车、提升钢索、导向轮等。提升绞车由液压装置控制，一般设在浮式生产储卸油装置单点舱内中间甲板以上空间，为降低重心高度，考虑尽量将提升系统布置在主甲板下方的中间甲板。