汪建平 羅曉明 景勇

（中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津塘沽，郵編：300452）

1 引言

系泊系統(tǒng)應用于FPSO至今已經(jīng)有30多年的歷史 （第一條FPSO:1976年，殼牌石油公司的Castellon Delta），在這30多年的時間里，系泊系統(tǒng)的設計理念得到了快速的發(fā)展，系泊的可靠性也在不斷的提高。但期間也發(fā)生了不少失效事故，其中在中國，自1995年以來，已經(jīng)陸續(xù)有13條FPSO的系泊系統(tǒng)出現(xiàn)故障，因此加強系泊系統(tǒng)設計階段的管理，提高設計的安全性成為業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注度焦點。

2 系泊系統(tǒng)設計介紹

系泊系統(tǒng)的設計，有很多規(guī)范標準（API RP2SK,BV NI493，ISOI9901-7，DNV POSMOOR） 都有明確規(guī)定，總結(jié)起來分如下幾個步驟：

1、收集系泊位置的海洋氣象數(shù)據(jù)。

2、調(diào)查收集系泊位置的巖土數(shù)據(jù)。

3、浮體結(jié)構(gòu)模型的建立，定義風、浪、流的參數(shù)。

4、使用合適的軟件來行系泊分析，從而獲取極端響應和疲勞壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)。

5、計算分析及模型試驗。

6、根據(jù)已取得的數(shù)據(jù)，對系泊系統(tǒng)的各個組成部分進行設計。

當前在設計方面，許多生產(chǎn)方為了增加系泊系統(tǒng)的可靠性，要求設計方提高設計標準，以達到提高系泊系統(tǒng)設計安全性的目的。

3 提高設計拉力安全系數(shù)

按照BV或DNV規(guī)范，系泊系統(tǒng)在完整狀態(tài)下（所有系泊腿都完好）設計的拉力安全系數(shù)是1.67（設計拉力除以最小破斷拉力）。而在實際的設計中，很多生產(chǎn)者要求提高該參數(shù)以增加系泊系統(tǒng)的可靠性，但具體提高多少合適呢？目前比較常見的就是提高后系泊系統(tǒng)需要滿足以下要求：

1、在百年一遇的氣候條件下，系泊系統(tǒng)在一根系泊腿失效的情況下，系統(tǒng)的拉力安全系數(shù)與原來規(guī)范要求的系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)下的安全系數(shù)1.67相等，另外還要滿足柔性立管的位移與系泊系統(tǒng)在原來完整狀態(tài)下的位移一致。

2、系泊系統(tǒng)在兩根系泊腿失效的情況下，拉力安全系數(shù)與原來規(guī)范要求的一根系泊腿失效情況下的拉力安全系數(shù)1.25相等，并且柔性立管的位移要與原來在一根系泊腿失效狀態(tài)下Accidental Limit State（ALS）的位移一致。

如果要滿足以上要求進行系泊系統(tǒng)設計，最直接的結(jié)果就是需要增加系統(tǒng)腿的數(shù)量，如將原來是3X3分布模式的系泊系統(tǒng)，變成3X4的分布模式。這樣做的考慮是，系泊腿的維修和更換，往往需要一個很長的時間（1-2年，包括配件的采購），如果按照提高后的標準來設計，即使發(fā)生了一根系泊腿失效，拉力安全系數(shù)還是在原船級社規(guī)范要求范圍內(nèi)，從而使系泊系統(tǒng)在徹底完成修復以前，能夠繼續(xù)滿足船級社規(guī)范的最低要求。

4 提高設計環(huán)境條件

傳統(tǒng)上，以往大部分生產(chǎn)方以系泊地點百年一遇的環(huán)境條件作為設計環(huán)境條件。但實際上，隨著全球氣候變暖的影響下，越來越多出現(xiàn)的極端天氣在短時間內(nèi)就超越了原來意義上的百年一遇。在此情況下，也有許多生產(chǎn)方在新的系泊系統(tǒng)設計時，考慮并應用了萬年一遇的環(huán)境氣候條件為設計條件。

以上介紹的兩種提高系泊系統(tǒng)可靠性的做法，雖然效果很明顯，但是也有一個缺點，那就是將大大提高生產(chǎn)方對系泊系統(tǒng)的投資成本。經(jīng)過有關(guān)權(quán)威設計部門統(tǒng)計，提高拉力安全系數(shù)設計標準后的直接投資（不包括運輸和安裝成本）將比按照原來設計標準的投資增加30%-60%，而提高氣候標準到萬年一遇的直接投資將會比原來百年一遇的投資增加20%-50%。為了更加直觀的說明投資增加這一現(xiàn)實，現(xiàn)舉例如下：

1、提高安全系數(shù)滿足一根系泊腿失效后，安全系數(shù)是1.67的情況。FPSO位于東南亞，水深130米，單點系泊。

表1 設計標準對比

2、提高百年一遇的氣候條件到萬年一遇，F(xiàn)PSO位于大洋洲，水深170米，單點系泊。

表2 不同環(huán)境條件下的設計對比

5 系泊組件設計

現(xiàn)在，越來越多的混合式的系泊腿被廣泛應用，它一般由系泊鋼纜、系泊鏈、連接件等組成。

5.1 連接件的設計

設計合適的連接件將大大提高施工的效率，減少安裝難度及費用。具體步驟如下：

1、連接方式的確定。

2、用3D CAD工具建立模型，檢查各個需要連接的界面，總的原則就是要便于以后的安裝及可靠。

3、強度及疲勞的計算和分析，數(shù)據(jù)需要備有證明文件。

4、按照規(guī)范要求，對連接件的結(jié)構(gòu)加上腐蝕余量進行有限元（FEA）分析，通過有限元分析獲得的應力范圍柱狀圖以及相應的應力載荷比并結(jié)合材料的S-N曲線，最后計算出材料的具體疲勞壽命。

只有經(jīng)過前期大量的計算、分析和試驗，設計圖紙才能最終被完成并需要通過船級社的批準。

5.2 系泊鏈的設計

系泊鏈在正常生產(chǎn)時，主要受到疲勞、腐蝕及磨損的衰減作用。

1、疲勞方面的影響，主要表現(xiàn)為在拉力及系泊鏈的彎曲應力作用下導致系泊鏈的疲勞失效。惡劣的環(huán)境條件，如長期浸泡在海水中，能加速疲勞裂紋的產(chǎn)生與惡化，尤其長期被拉力載荷的作用下。所以，選擇合適的疲勞安全系數(shù)對系泊系統(tǒng)的可靠性起著極其重要的作用，具體的安全系數(shù)，各船級社都有最低要求，并根據(jù)經(jīng)驗的積累，也在不停的進行著更新。

2、腐蝕與磨損方面的影響，主要表現(xiàn)為系泊鏈直徑的減小，所以，規(guī)范要求通過增加系泊鏈的直徑來防止腐蝕與磨損帶來的失效。而具體腐蝕余量的取得是需要通過對目標海域進行實驗才能取得，因為腐蝕速率受到水質(zhì)、溫度、地質(zhì)情況、細菌等復雜情況的影響。在設計時，一個正確腐蝕余量的選擇很重要，如果選小了，將會給系泊系統(tǒng)帶來很多潛在的風險。

5.3 系泊鋼纜的設計

鋼纜可以分為鋼絲繩型、防扭型和防腐蝕型三種。具體性能如下：

1、鋼絲繩型主要由許多鋼絲形成許多股，然后朝著同一個方向圍繞著鋼芯旋轉(zhuǎn)藏繞成繩，一般的股及每股鋼絲的數(shù)量主要有 6（36）、6（42）、6（54）幾種，芯及股的設計由設計強度及彎曲疲勞壽命決定，這種類型的鋼纜在拉力增加的情況下扭力也增加。

2、防扭型，它的特點是隨著拉力的增加，扭力不變，比較適合用于永久性系泊系統(tǒng)。

3、防腐蝕型，特點是所有的鋼絲繩必須鍍鋅（鍍鋅的量參考ISO 2232,ASTM A856-89，等），有的還直接將鋅絲藏繞進股。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在還發(fā)展成帶有塑料保護皮的纜繩，這種的防腐蝕能力更強了，適用于永久性系泊系統(tǒng)。

具體選擇哪種類型的系泊鋼纜，我們首先需要明確系泊系統(tǒng)計劃使用年限以決定防腐方式 （如圖1），設計得出的最小破斷力用以確定系泊纜的直徑。

圖1 系泊鋼纜的選擇

6 結(jié)語

本文介紹了FPSO系泊系統(tǒng)的常規(guī)設計步驟，并從提高設計拉力安全系數(shù)、提高設計環(huán)境條件及加強系泊系統(tǒng)組件的安全設計等方面闡述了如何提高系泊系統(tǒng)安全性進行了論述，期望對業(yè)界同仁有所幫助。

[1]Credric Morandini，F(xiàn)rank Legerstee(2009).“Consistent Integrity of Mooring System”，In Proc.Int Offshore and Polar Eng Conf.Osaka，Japan，June21-26，2009.

[2]DNV Industry AS （2003）.“Accident statistics for floating offshore units on the UK Continental Shelf 1980-2001”，for the HSE，Research Report095.