浮式生产储油装置FPSO及其系泊系统二十一世纪是海洋世纪开发

1、浮式生产储油装置 (FPSO)及其系泊系统 二十一世纪是海洋世纪。 开发海洋已成为全球产业进步的重要标志。 海洋经济也成为国民经济的新增长点。 世界海上油气开发支出分析表明。全球在深水 (深度超过 500 m)方面的资本支出将由 2001年的56亿美元，增 至2005年的 106亿美元，主要用于深水平台、浮式生产设施、水下生产系统及海底管道。预计未来5年。油气田开发将采用 123个浮式生产系统。总计达 420亿美元。主要分布在西非、拉美及亚洲。随着海洋产业的 高速兴起，海洋工程装备成为世界主要造船企业新的利润增长点。当前用于海洋油气钻采的海洋工程装备主要包括两大类：海上浮动钻井平台和海上浮式生

2、产设施。浮 式生产设施主要包括： 半潜式生产平台 (SEMI) 、张力腿生产平台 (TLP) 、单圆柱生产平台 (SPAR)和浮式生产 储油船 (FPSO)。浮式生产设施发展于上世纪 70年代中期。当时全球仅有少量改装而成的FPSO。随着海洋油气资源开发逐渐从近海大陆架地区向深海转移 80年代起浮式生产设施开始快速发展。全球浮式生产设施从80年代初的 l0 座左右增加到 90年代初的 35座。2000年进一步增加到约 124座。2005年达到 177 座。在浮式生产装置中。 FPSO将是需求热点。 1997年初全球 FPSO总量为 36艘。到 2006年底 FPSO数量可达到 119艘。 IM

3、A 研究公司预 测。未来五年浮式生产设施建造订单中FPSO所占比例为 70左右。大致为 70 80艘，其中改装 FPSO占大多数。二、浮式生产储油装置 (FPSO)的组成浮式生产储卸油系统是英文 Floating Production Storagl and Offloading System的直译。有时简称浮式生产系统。我国大多称其为浮式生产储油装置。简称FPSO。FPSO将采油平台开采的海底原油进行油水气处理后注入货油舱临时储存。再由输送油船运走。是集海 上油气生产、储存、外输、生活、动力于一体的长期系泊于固定海域的浮式生产系统(图1) 。FPSO是一个技术密集的海上采油的重要设施。通过单

4、点系泊系统固定在海上。可随风、浪、流的作用进行360 度全方位自由旋转，适用于深水油田开发，作业水深可达2000米以上。FPSO是由上部模块、船体和系泊系统三个部分组成，而实际上FPSO的组成与其功能密不可分：上部生产模块一般在主甲板以上，相当于一座陆上的生产厂，设置油气生产和污水处理所需要的设备；船体储 油舱室在主甲板以下的舱室除压载水舱、燃油舱、淡水舱、机泵舱和部分与生产模块相关的工艺舱室外， 很大部分舱室用来储存经处理的合格原油；系泊系统将FPSO的船体与海底连接，调节在风、浪、流作用下的运动保证 FPSO长期安全地在海上作业；供电和供热系统是FPSO利用生产过程中分离出来的废气作为燃料

5、进行发电和加热锅炉， 提供 FPSO本身生产、照明及输送到各井口平台； 全油田生产指挥系统及生活基 地是供生产操作人员指挥、生活和休息的场所；海底连接系统包括输通油气的采油树、海底管汇、立管和 立管基座及输油管连接系统；井口平台与FPSO连接的控制监控系统以及油井服务系统等。下面重点介绍FPSO的系泊系统。三、浮式生产储油装置 (FPSO)的系泊系统1、 FPSO系泊系统设计根据不同海域海况条件， 目前世界上 FPSO主要采用的系泊方式有单点转塔系泊系统和多点伸展 系泊系统。FPSO的系泊方式以单点系泊系统的应用最为普遍。单点系泊系统分类方法众多，美国船级社ABS将单点系泊系统分为：悬链锚腿系

6、泊系统、单锚腿系泊系统、转塔式系泊系统和软钢臂四大类。多点伸展系泊系统与单点系泊系统不同，多点系泊系统的系泊和传输功能不是一个整体，而是各自 独立的。系泊链直接与 FPSO相连，液体传输模块通常悬挂在 FPSO的舷侧由管汇终端 (PLEM)作为立管与 FPSO的连接界面。另外，该系泊方式没有风向标的功能也不需要旋转接头。FPSO 系泊系统设计的使用周期通常是 100年。锚泊系统在设计时，需考虑周围环境的影响，主要有冬 季暴风雪以及热带龙卷风。 FPSO上的转塔结构是通过系泊系统将其固定于海底的，锚链与转塔结构的转盘 相连以满足船体的转动。转塔可以固定在从船艏至船舯的任意位置，转塔的位置主要是由

7、船体在环境外力 作用下的转动的灵活性来决定的，转塔离船舯越远，船体就越容易转动。对于那些定位于船艏或其附近的 转塔，船体不需要推进器就可以随着外力的作用而自由地转动。但是，转塔越靠近船艏，摇艏引起的锚链 顶端垂向运动就越明显，过大的垂向运动会增加锚链的动张力，转塔置于船艏时锚链的动张力比转塔置于 距船艏 13处时要大 20。如果 FPSO上装有推进器对船艏进行控制。 那么转塔通常置于距离船艏 13位置 处，以求一定的推进效率。考虑到船员的安全因素。船员的生活区应选在加工区的上风口处，远离烟囱。 图2所示的 FPSO布置图，其上方有一个艏推进器以辅助转塔锚泊系统。在热带风暴易发海域，风暴来临之前

8、，所有船员应撤离工作地点。因此转塔应该固定在船艏或其附近 处，此时不需要推进器的协助船体就可随着外力自行转动，这就大大地增强了系泊系统的可靠性。在转塔附近，沿着锚链引入潜水式浮筒，可以有效地减小因摇艏而引起的锚链动张力。一般来说， 对等分布的系泊模式用于基于半潜式的可移动钻井船(MODU)上，因为半潜式船体在任何方向所受的环境载荷都基本相同。 所以也就没有必要让半潜式船体转到受力最小的方向上。另外，在 MODU上只有一个钻井立管，很少与锚链布置发生冲突。FPSO上可以通过转塔装有很多立管，锚链和立管的数量受到转塔大小的限制，锚链的布置可能和立管产生冲突，为了减少这种冲突，通常采用分组系泊模式(

9、图3) 。另一种是对等分布系泊模式 (图4) 。二者相比，单链最大受损情况下， 分组系泊模式锚链的最大张力要 小20左右，最大偏移量要小 5左右。因此，分组系泊模式提供了更好的锚链张力余量，即在锚链张力上 有更高安全系数，以防止系泊系统发生故障。3、 FPSO锚链结构 锚链通常是由链和绳索构成的，考虑到不同的设计要求，有时需要引入潜水式浮筒或浮块，以减小自 身重力的影响。在水深不超过 100 m 的浅水中，全部锚链都可以使用上。为了节约成本，对于长期固定的 锚链系统，接地的部分可以用较轻的金属绳索替代。在深水中 (水深超过 300 m) ，锚链中的悬浮部分通常是由金属绳索构成的 ( 图5) ，

10、以增加刚度。减小锚 链的最大张力。在极度深水区域 (水深超过 2000 m) ，即使是常规的链索混合式的锚链也显得过重。导致 水平方向上的刚度不足，无法抵抗外部环境载荷。为了解决这一问题， 引人了合成系泊系统，美国船级社 (ABS) 在这一方面提出了重要的指导经验。实际 应用方面， PETROBRA公S 司在巴西海域几个深水项目中就使用了聚酯张力腿系泊系统。如图6所示，带锚桩或垂向载荷平板锚的聚酯张力腿系泊系统，大大减小了锚链从转塔接口处到锚泊处的伸长量，相对较轻的 聚酯绳索也有利于减少锚泊系统的重量。聚酯张力腿系泊系统比悬链式链索系统有更大的刚度，特别是 在深水区域，这是因为聚酯张力腿系泊系

11、统的刚度是由线弹性提供的。而不像链索系统那样是由重力提 供的。尽管聚酯张力腿系泊系统有很多优点但仍应该注意以下几点： (1) 长期使用可能导致的老化； (2) 安装中和风暴中可能受损； (3) 与其他锚链连接的兼容性； (4) 垂向载荷锚的可靠性。可以使用潜水式浮筒来克服一些深水系泊中的问题 其结构形式图 6所示。 潜水式浮筒能有效地减小深水 中由于锚链重力作用所引起的转塔上的垂向载荷。因此当导缆口处的垂向载荷作用减小时系泊系统的 刚度也就提高了。转塔附近的中间浮筒使得转塔的垂向运动方向和锚链的方向更偏于垂直这就减小了波 浪作用下船体运动引起的线性动力对锚链的影响。另外 系泊系统中的潜水式浮筒

12、还有下面两个作用： (1) 有利于安装与维护； (2) 有利于清洁立管排除其他障碍物。如图 6所示直立浮筒下的锚链部分可以预先随锚链系统进行安装以减少锚链系统和FPSO连接的时间。由于线张力减小，浮简便使索更接近水面更便于锚链的检查和维修。直立浮筒也有助于将锚或海 底管线分离防止可能的干扰。当然在锚链中添加直立浮筒增加额外成本。中间浮筒设计时还要考虑 到以下因素：足够的潜水深度；远离静水面以减小波浪载荷对它的影响。4、 FPSO锚泊点与锚设备海底锚泊点的选择对于固定 FPSO至关重要。 根据海底土壤的情况和需要 有各种不同的锚设备可供选 择主要有两大类： (1) 传统的抓力锚； (2) 用来抵抗垂向载荷的锚设备 如吸力锚、 垂向载荷平板锚 (VLA) 垂向载荷平板锚是用来承受垂向载荷的当这类锚从海底拔起后它们就完全失去了支持能力。这一点和 传统的抓力锚恰恰相反传统的抓力锚在环境外力作用下位置发生移动之后仍然有一定的支持能力。另 外具体的土壤分析总会有一些不确定因素存在因此美国船级社(ABS) 对垂向载荷平板锚最终的支持能力要求更高的安全系数。将上面两种类型的锚设备的系数比较如下：(1) 完整的设计环境条件下垂向载荷平板锚安全系数 =2.0