单点系泊系统设计研究

纪志远,董宝辉,刘波

（海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300451）

引言

海洋为我们提供了宝贵的自然资源，如原油和天然气等。近年来，随着越来越多的大型、超大型油气田及深海领域的勘探、发现，海上浮式结构物应用变得越来越广泛。在过去的几十年里浮式生产储卸油装置(FPSO)、半潜式平台(Semi-Platform)、单腿平台（SPA）和张力腿平台（TLP）等浮式设施项目的应用、建造，在世界范围内变得越来越多。单点系泊由于具有水深适应范围大，可系泊大型、超大型FPSO或油轮、抵抗海洋环境强等特点，因此被大量应用。

图1 FPSO现场图（内转塔单点系泊系统）

1 单点系泊系统概述

单点系泊系统在FPSO上的应用始于20世纪70年代，而FPSO也在随后的数十年内蓬勃发展。到2018年，全世界大约有150艘FPSO，范围覆盖北海、西非近海、巴西近海、南中国海、泰国湾等，他们大多使用单点系泊系统进行系泊与定位。单点系泊系统具有风向标效应，可以随着风向360°自由转动，有效降低了风载、波浪和海流对其的影响，同时有效降低了系泊缆的尺寸范围，单点系泊系统使得FPSO有了更强的适应环境条件的能力。然而，截至目前在技术上设计一座单点系泊系统仍具有较大挑战、需要多专业、深层次的详细规划设计，且每一座造价均很昂贵。目前，单点系泊技术仍为欧美几家单点公司所垄断。

单点系泊系统非常适合原油接卸，FPSO可以围绕单点系泊自由旋转，卸载作业方便、安全、高效、可靠。总的来说，单点系泊系统具有以下两个功能：

1、辅助FPSO保持在位状态，使FPSO通过系泊系统，借助系泊力，始终在海上油田作业现场旋转且保持在允许偏移范围内。

2、输送介质与动力，通过电、液滑环将介质从海底传输到FPSO或从FPSO返输到相关用户。

2 单点系泊系统分类

单点系泊系统有着不同的类型，基于不同的工作性质及单点所处位置，可以将单点分为三类，内转塔系泊系统(IT)、外转塔系泊系统(ET)及其他，其他类型可以包括：悬链锚腿式单点系泊(CALM)、塔架式单点系泊（SYS）、单锚腿式系泊系统（SALM）等。

也可按其解脱型式分为可解脱式单点系泊系统及不可解脱式单点系泊系统。

3 常用单点系泊系统

3.1 内转塔单点

内转塔单点可为FPSO提供系泊支持，内转塔单点系泊系统是当前世界范围内，应用最多、也最常见的一种系泊型式，它可以容纳大量立管及脐带电缆。内转台单点通常设置在FPSO船头，位于FPSO船体的月池内，系泊缆通过锚链盘连接在转塔底部。内转塔可以为单轴承亦或双轴承支撑。

内转塔单点系泊系统如图2-图4所示，其中主要包括：

图2 内转塔单点内部结构图

图3 内转塔单点系统介绍

图4 外转塔单点系泊系统

1、转台及轴承。

内转塔下部连接系泊缆，上部位于月池内，连接到FPSO船体内部，FPSO船体甲板处连接着主轴承，船体内部还连接着下轴承，使FPSO能够在风浪流环境作用下自由旋转，根据立管和脐带缆系统的要求，转台直径通常在5到20米范围之间。

2、止链器。

止链器连接着系泊缆绳，固定于转塔结构底部的转塔基盘上。

3、滑环塔系统。

滑环塔系统是整个内转塔的核心部件，位于转塔的上部。它控制原油、液体及气体传输，控制海底信号、油井、水下系统用电等都通过滑环系统传输。

4、龙门式结构。

位于FPSO甲板上的结构物平台，环绕转台顶部以容纳滑环塔等驱动装置、管道、系泊缆绞车、动力控制设施等。

内转塔单点的优点是其直径尺寸可以比外转塔更大，通常立管的上限为100根。

3.2 外转塔单点

外转塔单点和内转塔单点类似，但区别在于其不在FPSO船体内部，见图4，为典型外转塔单点系泊系统型式。目前我国海域暂无外转塔型式单点系泊型式。

根据外转塔不同的在位型式，外转塔系统可进一步分为两种类型：外延转台以及水下转台两种型式。

图5 水下外转塔转台系泊系统

外延转台系泊系统是常见的外转塔类型，它直接连接到FPSO船艏或船艉的悬出结构上，位于在水线上方。为了防止系泊缆相互碰撞,悬出结构应足够长，或者采用切除部分FPSO船头结构的设计方式。

外转塔单点轴承、止链器和挠性立管接头均位于水面上方，以方便操作、检查和维护。但若延伸结构太长，柔性立管将增加受极端波浪影响。

由于外转塔位于水线上方，通常应用于50米以下的浅水区域。外转塔单点体积相对较小，仅能容纳有限数量的立管（大约20根），而内部转台系统可容纳约100根。

外转台系统比内部转台系统有几个优点，主要包括：

1、它允许独立制造和安装，而内部转台系统只能安装在干船坞。

2、不影响船体的储存能力。

3、对于延伸出的外部转台，系泊和立管连接位置均在水线上，便于检查和维护。

4 其他类型单点系泊系统

除了内转塔与外转塔外，随着海洋技术的发展以及原油贸易的增长，逐渐衍生出新型单点型式，例如塔架式单点、CALM型单点等。

4.1 塔架式单点

塔架式单点系泊系统，也称为水上软钢臂塔架式单点系泊，下部是固定在海床上的刚性导管架结构，油轮与导管架之间通过一组永久性连接的钢臂结构连接。塔架式单点系泊系统适用于开发深度在50 m以下水深深度油田，由于水深的限制，此种系泊系统不能使用柔性立管（柔性立管需要保持一定的预定义形状，以避免应力过大）。

塔架式单点系泊系统主要包括以下组成部分：

1、塔架。

塔架是连接到海底的固定式导管架，其上部是与船体相连接的多层转台。转台与导管架通过轴承连接，转台能够旋转，从而使系泊的设备如FPSO（浮式生产储油船）可自由旋转，在风向标效应下旋转至环境力最小方向。

2、系泊部件，即软钢臂。

连接塔架上的轴承和浮式生产储油船船艏或船尾的连接结构构件。

3、生产传输系统。

与其他转塔系统相同，包括原油系统、注水和注气系统、控制系统、海管供电系统等，都通过滑环系统进行传输。

塔架式单点系泊系统的优点是可以容纳多根固定式钢性立管（非挠性立管），其结构较简单、系统也易安装。缺点是系统的成本会随着水深的增加而增加，所以从成本的角度看，塔架式单点系泊系统仅适宜于浅水区域。

图6 塔架式单点系泊系统

4.2 CALM单点

随着原油贸易的增长，石油产品被运往世界各地。对于没有深水港的沿海地区，悬链锚腿式单点系泊（CALM）系统的应用为其提供了新的可能，如图7所示，CALM系统通常用于装载和卸载原油产品。CALM系统可用于接收任何尺寸的油轮，包括大型原油运输船。

图7 CALM型单点系泊系统

其主要组成部分包括：

1、系泊缆绳。

油轮暂时在装卸作业期间通过缆绳系泊至平静状态。缆绳通常为尼龙绳和链条。

2、转台和浮筒。

使系泊油轮能够在风向标效应下，在各种风浪条件进行装卸作业。但如果海浪太大，就必须断开连接。

3、漂浮软管。

连接油轮和单点之间的管道，可以是单根或双根。根据OCIMF(国际海洋石油软管公约)尺寸范围覆盖从6英寸到24英寸（内径）。

4、水下软管（立管）。

从水下管汇(PLEM)连接到单点管道系统。软管设计应包括充足的长度以适应潮差及浮筒运动，水下管汇通过海底管道连接至陆上终端输送原油或气体。

5、锚腿系泊系统。

可认为是永久性的系泊系统，即使穿梭油轮每隔几天就来接卸原油，都不能被收回或重新部署新的形状，该系统由系泊锚链和高阻力桩锚组成。

CALM系统常用于靠近海岸，水深较浅，环境条件恶劣。工作水深可以为20-100m，从2000年左右开始，CALM单点系泊系统已扩展到延海岸线1000m处，在西非海岸作为独立的卸载系统，系泊浮式生产储油船。

CALM系统相对于传统固定终端的优势总结如下：

1、不需要建立深水港及提供装卸作业的码头设施即可实施原油装卸载作业。

2、该系统可以适应不同尺寸的油罐船，作业时所需人力较少，CALM本身对环境有较强的适应性。

3、该系统成本较低，因为可以安装在开阔的海域不需要做出额外保护。

4、可以同时输送多种油气产品。

5、该系统易于安装和操作，只有一艘小船即可进行装载作业。

5 总结

本文对单点系泊系统进行了介绍，对单点系泊系统类型进行了分类，重点介绍了目前国际及国内常用的内转塔单点、外转塔单点、塔架式单点、CALM单点四种类型，并结合其各自特点分析了其优劣特性，为后续单点系泊系统设计奠定了一定基础。