孫恪成，李 牧，李 鵬，鄧 欣

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 天津 300450)

1 研究背景

FPSO(Floating Production Storage and Offloceding)是集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油為一體的海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置。如表1所示，目前中國(guó)海域共有 13艘FPSO在役，5艘FPSO已經(jīng)退役(包括擱置)，另有1艘FPSO在建(海洋石油119，預(yù)計(jì)2020年投產(chǎn))[1]。

由于南海海況惡劣，目前布置的FPSO基本都采用單點(diǎn)系泊裝置。

如表2所示，在我國(guó)渤海海域，到目前為止，布置的FPSO均采用軟鋼臂系泊系統(tǒng)，包括水下軟剛臂和水上軟剛臂2種類(lèi)型，其中布置海域水深最小為18m，最大為 32m。塔架是該種系泊系統(tǒng)的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)，已經(jīng)發(fā)生過(guò)由于塔架損壞引起的事故。

表1 南海海域FPSO系泊形式統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of FPSO mooring forms in South China Sea

表2 渤海海域FPSO系泊形式統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of FPSO mooring forms in Bohai Sea

在FPSO幾十年的發(fā)展過(guò)程中，盡管技術(shù)手段不斷提高，水下系泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)仍然存在很多困難，系泊系統(tǒng)故障仍是浮體的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。本文對(duì)系泊系統(tǒng)故障進(jìn)行了梳理，旨在為系泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)以及完整性管理提供參考。

2 FPSO系泊系統(tǒng)失效統(tǒng)計(jì)

Ma等[2]對(duì)全世界范圍內(nèi)2001—2011年10年間的FPSO系泊系統(tǒng)故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，共有21艘FPSO系泊系統(tǒng)故障記錄。對(duì)全球各海域FPSO作業(yè)數(shù)量和統(tǒng)計(jì)的發(fā)生系泊系統(tǒng)故障數(shù)量進(jìn)行總結(jié)，如表3所示。

表3 全球各海域 FPSO作業(yè)數(shù)量和統(tǒng)計(jì)的發(fā)生系泊系統(tǒng)故障數(shù)量Tab.3 Number of FPSO operations and number of mooring system failures in global seas

通過(guò)表3可以看出，在惡劣海況區(qū)域(受臺(tái)風(fēng)和冬季風(fēng)暴影響)，例如北海、墨西哥灣，F(xiàn)PSO 故障率介于20%～30%之間，受影響的FPSO約占全球總數(shù)的 1/3。

在溫和海況區(qū)域，如南美洲、非洲和東南亞南部，F(xiàn)PSO故障率均小于 10%，而世界上大部分FPSO在這里作業(yè)，約 150艘。巴西擁有世界上最多的55艘FPSO(約占全球總量的1/4)，而其僅有2起系泊系統(tǒng)故障案例[3-4]。

對(duì) FPSO系泊系統(tǒng)故障各案例的具體損害構(gòu)件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表4所示。

表4 FPSO系泊系統(tǒng)故障各案例的具體損害構(gòu)件統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of specific damaged components in each case of FPSO mooring system failures

①多數(shù)系泊系統(tǒng)失效和錨鏈有關(guān)，分析原因如下：錨鏈由于其較強(qiáng)的承受磨損和彎曲的能力，通常布置于受較強(qiáng)約束之處，如頂端錨鏈與底端錨鏈，這些錨鏈?zhǔn)艿搅烁鼜?qiáng)的腐蝕，增加了疲勞失效和極限載荷失效的風(fēng)險(xiǎn)。由于材料屬性原因，錨鏈的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)比其他錨鏈構(gòu)件低。此外，使用有檔錨鏈的連接檔由于材料、腐蝕等因素容易導(dǎo)致檔丟失，檔丟失后錨鏈疲勞壽命會(huì)大幅降低。

②連接構(gòu)件主要有 2項(xiàng)弱點(diǎn)：在制造過(guò)程，由于連接構(gòu)件使用數(shù)量較少，非系列的生產(chǎn)使得質(zhì)量參差不齊；在安裝時(shí)，作為系纜連接構(gòu)件，可能會(huì)存在不恰當(dāng)安裝、錯(cuò)誤固定等問(wèn)題。

③鋼纜相比錨鏈損傷的概率小一些。鋼纜通常布置在受力較小的區(qū)域并擁有更長(zhǎng)的疲勞壽命，不合理的設(shè)計(jì)會(huì)在鋼纜連接頭的末端引起局部扭曲；安裝問(wèn)題主要包括保護(hù)層損壞、安裝過(guò)度彎曲等，如果出現(xiàn)安裝問(wèn)題，鑒于安裝工序的類(lèi)似性，其余系泊纜繩鋼纜部分均可能出現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題。

④纖維纜由于其材料特殊性，非常容易在安裝過(guò)程受到損傷。比如 Girasol FPSO系泊系統(tǒng)故障案例中，纖維纜布置時(shí)與木質(zhì)甲板相接觸，木屑被不慎帶入纖維纜中，從而導(dǎo)致纖維纜纜絲不斷損壞。

⑤軟剛臂失效在歷史上僅有1例記錄，為海洋石油 113FPSO轉(zhuǎn)塔倒塌。需要注意的是一共只有 9艘FPSO，1艘FLNG，2艘FSRU和4艘FSO裝備了軟剛臂。這些僅是所有 FPSO的一小部分(3%的FPSO)，因此軟剛臂失效的可能性仍非常高，約有1/9的機(jī)率會(huì)坍塌，而受損的機(jī)率就更高了。

3 FPSO系泊系統(tǒng)故障原因

如表5所示，F(xiàn)PSO系泊系統(tǒng)故障主要有以下幾方面因素：安裝、設(shè)計(jì)、制造、疲勞、極端載荷、老化。

表5 FPSO系泊系統(tǒng)故障各因素比例Tab.5 Proportion of factors of FPSO mooring system failures

根據(jù)故障因素統(tǒng)計(jì)，老化占比最高，達(dá)到 24%，包括錨鏈腐蝕(12%)和鋼絲繩和錨桿的長(zhǎng)期退化(12%)，均為導(dǎo)致失效的主要根本原因；其次是安裝、制造和材料以及純疲勞引起的失效(各占 20%)；設(shè)計(jì)原因和極端原因較為少見(jiàn)。

①安裝：錨鏈構(gòu)件安裝錯(cuò)誤(系纜扭曲、連接頭鎖止錯(cuò)誤、掛鉤錯(cuò)誤)；安裝導(dǎo)致的設(shè)備老化(鋼纜保護(hù)層上切口——最顯著例子為EGINA FPSO，纖維纜上切口導(dǎo)致碎屑進(jìn)入纖維纜——如 GirasolFPSO)；運(yùn)輸時(shí)的固定問(wèn)題(如PAZFLOR FPSO拖航過(guò)程，采用不恰當(dāng)?shù)南道|固定導(dǎo)纜器，導(dǎo)致鋼鐵的陰極腐蝕，導(dǎo)纜器隨之松動(dòng)，往復(fù)性裝機(jī)FPSO船體導(dǎo)致?lián)p壞)；安裝時(shí)的鋼纜過(guò)度彎曲等。

上述安裝問(wèn)題都會(huì)影響系泊系統(tǒng)未來(lái)的完整性，大多數(shù)情況可以通過(guò)適當(dāng)?shù)膶彶?、跟蹤運(yùn)輸和安裝程序來(lái)防止，通過(guò)在安裝期間和安裝后的適當(dāng)檢查來(lái)確定。如果這些問(wèn)題沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能導(dǎo)致系泊系統(tǒng)部件的更快退化，最終導(dǎo)致系泊系統(tǒng)故障發(fā)生。至少有1/6的故障案例報(bào)告了此類(lèi)問(wèn)題。

②設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)欠缺而導(dǎo)致的失效較為罕見(jiàn)，多數(shù)是源于計(jì)算能力的缺乏。一為在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮所有的情形(例如 Volve FPSO在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮斷裂負(fù)荷)；或者計(jì)算的程度不到位(Norne FPSO曾應(yīng)用強(qiáng)度不足的鏈，導(dǎo)致線纜失效)；再有設(shè)計(jì)不足曾發(fā)生在Blind Faith FPSO上，其連接頭設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致連接頭的斷開(kāi)。近二十年來(lái)，設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的能力已得到長(zhǎng)足發(fā)展。從 20世紀(jì) 90年代的少量簡(jiǎn)易計(jì)算工具、方法，到當(dāng)下已具備幾千種不同海況的動(dòng)態(tài)計(jì)算方案。這解釋了疲勞失效多數(shù)發(fā)生在老型 FPSO上的原因——當(dāng)時(shí)的疲勞計(jì)算只有 100種海洋環(huán)境案例。現(xiàn)今提倡重新評(píng)估老型浮體的疲勞情況(尤其是指2010年前)，用以在最新技術(shù)的幫助下檢查實(shí)際疲勞情況，確定設(shè)計(jì)疲勞年限。

③制造：制造中產(chǎn)生的問(wèn)題是早期失效的主要原因之一，現(xiàn)已認(rèn)定多項(xiàng)制造和材料方面的原因，例如，低韌度導(dǎo)致斷裂；錨鏈連接處焊接瑕疵未被發(fā)現(xiàn)；不合適的材料選擇導(dǎo)致腐蝕。

④疲勞：疲勞是系泊系統(tǒng)故障發(fā)生的另一主要原因。安裝和制造問(wèn)題常常是疲勞失效的起始原因；腐蝕對(duì)于疲勞也有著加速作用；而計(jì)算驗(yàn)證的不足也導(dǎo)致了大量的此類(lèi)疲勞失效案例。

⑤極限載荷：極限載荷失效是在極端環(huán)境和最終失效下發(fā)生的?？v觀 10年來(lái)的 FPSO案例，極端情況下 5個(gè)案例中僅有 2個(gè)案例證明是由于環(huán)境載荷過(guò)大錨鏈超出設(shè)計(jì)載荷值導(dǎo)致破斷，為“南海勝利”FPSO和Banff FPSO。相關(guān)原因可歸結(jié)為當(dāng)時(shí)在超出設(shè)計(jì)準(zhǔn)許范圍的海況下作業(yè)。至于其他的案例，即使在極端情況下的失效，也是由多方面因素導(dǎo)致，例如：“南海發(fā)現(xiàn)”FPSO的失敗源于在臺(tái)風(fēng)到來(lái)時(shí)無(wú)法斷連；Gryphon Alpha FPSO和Volve FPSO是因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷。對(duì)于“南海勝利”FPSO 案例，鋼絲索的老化也被認(rèn)為是根本原因，即使相關(guān)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)之嚴(yán)苛遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)準(zhǔn)許，人們?nèi)詰岩稍O(shè)計(jì)的安全系數(shù)是否緩沖了整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)載。

極限負(fù)載失效在新型FPSO中較為罕見(jiàn)。當(dāng)我們關(guān)注服役時(shí)間比較久的FPSO時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)船錨受載過(guò)高導(dǎo)致的船舶走錨現(xiàn)象十分普遍，其原因在于大量地將拖曳錨作為錨點(diǎn)。因此，對(duì)于較新的FPSO，其從設(shè)計(jì)上避免了錨點(diǎn)成為FPSO的弱點(diǎn)。

⑥系纜老化將引發(fā)2種現(xiàn)象：錨鏈與連接頭間的腐化以及鋼纜的長(zhǎng)久性老化，它們各占全體根本失效原因的 12%[5]，同時(shí)也成為發(fā)生系纜替換的主要根源。

4 總 結(jié)

隨著海上油田規(guī)模的不斷擴(kuò)大和新油田的勘探開(kāi)發(fā)，未來(lái)我國(guó)服役的 FPSO數(shù)量會(huì)進(jìn)一步增加。系泊系統(tǒng)的完整性關(guān)系到 FPSO作業(yè)安全，本文對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)故障及其原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，以期為FPSO系泊系統(tǒng)管理提供參考。