FPSO单点系泊系统安装及回接技术
梁稷;韦卓;余国核;任翔;逯晶晶
【摘 要】单点系泊系统作为浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)的核心组成部分,需在FPSO进入安装现场之前完成安装,随后FPSO进入安装现场进行回接.以我国南海某具体工程项目为背景,全面、系统地介绍FPSO悬链腿单点系泊系统的安装及回接方法,并采用OrcaFlex分析软件对各个施工步骤进行相关的模拟分析.该单点系泊系统的整个安装过程可分为抓地锚安装、下段锚腿铺设、锚腿张紧、上段锚腿铺设、单点浮筒拖航及就位和锚系回接单点浮筒等6个阶段.
【期刊名称】《船舶与海洋工程》
【年(卷),期】2017(033)002
【总页数】6页(P18-23)
【关键词】浮式生产储油卸油装置;单点系泊系统;安装及回接;OrcaFlex;动态分析
【作 者】梁稷;韦卓;余国核;任翔;逯晶晶
【作者单位】深圳中海油服深水技术有限公司,广东深圳 518067;中海油服物探水下技术作业公司,天津 300451;中海油服物探水下技术作业公司,天津 300451;中海油服物探水下技术作业公司,天津 300451;中海油服物探水下技术作业公司,天津 300451
【正文语种】中 文
【中图分类】U674.38;TE54
当前海上浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）主要采用单点-转塔系泊系统（Turret Mooring）[1-2]、多点-伸展系泊系统（Spread Mooring）及动力定位系统（Dynamic Positioning）等3种系泊系统，并以单点系泊（Single Point Mooring，SPM）系统的应用最为普遍。单点系泊系统的应用使得FPSO具有风向标的效应，使FPSO在各种风浪流作用下的受力最小，从而保证其能在海上长时间连续工作。在海况良好的情况下（即没有风向效应影响），或在具有高度定向性的环境下，FPSO可采用多点系泊的方式。
单点系泊系统主要由单点浮筒、锚腿（通常由多段锚链及锚缆组成）和锚点（抓力锚或吸力锚等）组成（见图1）。这里以我国南海某成功实施的具体工程为例，分别从锚点安装、锚腿铺设及张紧、单点浮筒就位及回接等方面入手，系统地介绍一种典型FPSO单点系泊系统的安装方法[3]，并采用OrcaFlex软件对安装过程进行模拟分析[4]。
该工程的目标油田位于我国南海，作业水深约140m。所采用的FPSO单点悬链腿系泊系统包含8根均匀分布的锚腿及1个静浮力约为588kN的单点浮筒，图2为锚腿与单点浮筒的分布情况。
单根锚腿包含有回接链、上锚缆、上锚链、调整链、配重链、下锚缆、下锚链和抓地锚，具体的组成及其规格见图3。
在该项目中，单点系泊系统的安装过程分为以下6个阶段：
1) 抓地锚安装；
2) 下锚链、下锚缆及配重链铺设；
3) 锚腿张紧；
4) 调整链、上锚链、上锚缆及回接链铺设；
5) 单点浮筒拖航及就位；
6) 锚系回接及提拉。
该阶段要求将主作业船甲板上的抓地锚下放至海床，并确保锚的位置和方向正确。在此过程中，除了主作业船以外，还需要一艘辅助作业船（即拖船）协助作业，其中：主作业船装载有抓地锚及锚系其他组成部分；辅助作业船协助主作业船将抓地锚拖放至海床。该阶段需特别注意选择安全、合适的作业索具。图4为采用OrcaFlex软件模拟分析的抓地锚安装模型。在该模型中，需考虑使船尾间距满足安全作业要求，并使抓地锚模型尽量靠近着泥点，以确保包含锚腿的最大重量。模型中分别使用“6D”和“Line”单元模拟抓地锚、锚缆/链及索具，通过动态分析得到安装辅助索具的最大作用力，以确定索具的规格。
在将抓地锚下放至海床后，由水下机器人（Remote Operated Vehicle，ROV）观察锚的方向是否正确，若正确，则主作业船开始铺设锚链及锚缆。
1) 在铺设下锚链时，锚链从锚链舱内释放出来，并通过控制绞车进行下放；当绞车与锚链
的连接点到达船尾时，起升船尾处的鲨鱼钳，临时固定锚链，解脱绞车钢绳，并将其连接至锚链前端接近绞车的位置处；在张紧绞车使锚链的作用力传递至绞车上之后回收鲨鱼钳，通过控制绞车继续下放锚链；如此一段一段地铺设，直到下锚链铺设完毕。
2) 在铺设下锚缆时，鲨鱼钳固定在锚链端，从卷筒上释放下锚缆，并将其连接至锚链端之后开始铺设下锚缆，由于下锚缆已预先存储在大绞车的卷筒上，因此通过控制大绞车即可连续铺设下锚缆。铺设过程中，需通过控制着泥点与入水点的水平距离（Layback）确保此过程中出现的最小弯曲半径不小于锚缆最小安全弯曲半径，且抓地锚位置不存在向上的提拉力。
3) 在铺设配重链时，配重链下水通常需吊机或船尾A吊协助。
由于锚腿通常是由锚缆和锚链组合而成的，因此需采用 OrcaFlex软件分别对各种状态进行分析，给出各种状态下合理的Layback。图5为锚缆正常铺设分析模型。
因拖曳埋置锚自身的结构特点，可将水平张紧力转化为垂向入泥力；在锚入泥一定深度之后，锚系在土壤阻力的作用下获得足够的抓地力。而拖曳埋置锚自身的作用力特点，要求张紧过程不能出现向上的提拉力。
锚腿张紧是锚系安装过程中非常重要的环节，为保证作业的可行性和安全性，需利用OrcaFlex软件进行模拟分析。在分析模型中，考虑以下环境参数：
1) 有义波高s3mH= （约为蒲氏风级6级）；
2) 海况使用JONSWAP谱；
3) 为确保覆盖给定海况下的最大响应，测试4s，6s和8s等3个波浪周期；
4) 模拟周期为1h；
5) 分析波浪角度为0°～180°（船尾顶浪）。
采用OrcaFlex软件进行分析，给出锚链张紧时辅助链（或缆）的规格及长度，确保有足够的锚链留在海底，且锚上仅承受水平拉力；同时，给出满足锚最小测试张力要求的系柱拉力。抓地锚作用力示意见图6，锚系张紧模型见图7。
在所有锚腿张紧完成之后，需对抓地锚的最终位置进行确认，以计算出调整链的长度；此后，开始铺设调整链、上锚链、上锚缆及回接链，铺设过程与下锚链及下锚缆的铺设过程
相同。铺设完成之后，连接好索具及浮球，方便ROV回收。
当前应用较多的单点浮筒主要由NOV，SBM和SOFEC等公司生产，通常重约400t。因各公司生产的单点浮筒形式不同，故推荐的安装方法也各有不同。这里介绍的安装方法仅适用于SOFEC公司生产的单点浮筒。
将单点浮筒从码头运至安装位置，通常采用干拖和湿拖2种运输模式。
1) 干拖是指将码头上的单点浮筒吊装至驳船上，再由驳船运输至安装现场，并由大型起重船将其吊装下水；
2) 湿拖是指单点浮筒在码头由吊机直接吊装下水，并由拖船拖航至安装现场。
以上2种方法各有优劣，其中干拖的安全性更高、速度更快，但需要在安装现场使用大型起重船，会增加项目成本。因为该项目中没有大型起重船支持，所以采用湿拖的方式进行单点浮筒的拖航。图8为单点浮筒拖航示意。
为配备可靠的拖航索具并验证单点浮筒在拖航过程中的安全性，运用OrcaFlex软件及AQW
flex软件A软件对拖航过程进行动态分析。在OrcaFlex软件中使用6D单元模拟单点浮筒，并为其设置准确的浮筒水动力参数。该项目中单点浮筒的水动力参数通过AQWA软件分析获得。图9为单点浮筒AWQA模型，图10为单点浮筒拖航OrcaFlex分析模型，图11为极端环境假设，表1为拖航过程中各索具所受最大拉力及浮筒最大倾角。
在完成所有锚腿的铺设之后，需依次将其回接至单点浮筒上（见图12），并保证其不会与船舶推进器缠绕。在首次回接时，为确保作业船舶的安全，单点浮筒通常需由2艘拖船限位。系泊缆回接到浮筒上的设计条件是保持浮筒与船尾之间有10m的间距。在回接过程中，浮筒应尽可能地保持在中心位置处[5]。为保证安装船舶推进系统时有更大的安装间隙，负责定位的拖船需将浮筒拖向需要进行连接的系泊缆处。在全部8根系泊缆回接初期，均假设浮筒能在定位拖船的作用下保持在安装中心位置处。根据环境条件，随着第一批4根系泊缆连接就位，定位拖船可相应地驶离，不再对浮筒进行限位。
由于每根锚腿回接过程中浮筒的位置、倾角及锚腿受力都不相同，因此需依次对8根锚腿的回接过程进行模拟分析，得到浮筒的最大倾角及每根锚腿的受力，以确保浮筒安全并为回接索具的选择提供指导。图13为第1根锚腿及全部锚腿完成首次回接的状态。为确保浮筒受力平衡，通常采用对角的顺序进行锚腿的回接及提拉。

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