紀志遠,董寶輝,劉波

（海洋石油工程股份有限公司設計院，天津 300451）

引言

海洋為我們提供了寶貴的自然資源，如原油和天然氣等。近年來，隨著越來越多的大型、超大型油氣田及深海領域的勘探、發(fā)現(xiàn)，海上浮式結(jié)構(gòu)物應用變得越來越廣泛。在過去的幾十年里浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)、半潛式平臺(Semi-Platform)、單腿平臺（SPA）和張力腿平臺（TLP）等浮式設施項目的應用、建造，在世界范圍內(nèi)變得越來越多。單點系泊由于具有水深適應范圍大，可系泊大型、超大型FPSO或油輪、抵抗海洋環(huán)境強等特點，因此被大量應用。

圖1 FPSO現(xiàn)場圖（內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)）

1 單點系泊系統(tǒng)概述

單點系泊系統(tǒng)在FPSO上的應用始于20世紀70年代，而FPSO也在隨后的數(shù)十年內(nèi)蓬勃發(fā)展。到2018年，全世界大約有150艘FPSO，范圍覆蓋北海、西非近海、巴西近海、南中國海、泰國灣等，他們大多使用單點系泊系統(tǒng)進行系泊與定位。單點系泊系統(tǒng)具有風向標效應，可以隨著風向360°自由轉(zhuǎn)動，有效降低了風載、波浪和海流對其的影響，同時有效降低了系泊纜的尺寸范圍，單點系泊系統(tǒng)使得FPSO有了更強的適應環(huán)境條件的能力。然而，截至目前在技術上設計一座單點系泊系統(tǒng)仍具有較大挑戰(zhàn)、需要多專業(yè)、深層次的詳細規(guī)劃設計，且每一座造價均很昂貴。目前，單點系泊技術仍為歐美幾家單點公司所壟斷。

單點系泊系統(tǒng)非常適合原油接卸，F(xiàn)PSO可以圍繞單點系泊自由旋轉(zhuǎn)，卸載作業(yè)方便、安全、高效、可靠?？偟膩碚f，單點系泊系統(tǒng)具有以下兩個功能：

1、輔助FPSO保持在位狀態(tài)，使FPSO通過系泊系統(tǒng)，借助系泊力，始終在海上油田作業(yè)現(xiàn)場旋轉(zhuǎn)且保持在允許偏移范圍內(nèi)。

2、輸送介質(zhì)與動力，通過電、液滑環(huán)將介質(zhì)從海底傳輸?shù)紽PSO或從FPSO返輸?shù)较嚓P用戶。

2 單點系泊系統(tǒng)分類

單點系泊系統(tǒng)有著不同的類型，基于不同的工作性質(zhì)及單點所處位置，可以將單點分為三類，內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(IT)、外轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)(ET)及其他，其他類型可以包括：懸鏈錨腿式單點系泊(CALM)、塔架式單點系泊（SYS）、單錨腿式系泊系統(tǒng)（SALM）等。

也可按其解脫型式分為可解脫式單點系泊系統(tǒng)及不可解脫式單點系泊系統(tǒng)。

3 常用單點系泊系統(tǒng)

3.1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點可為FPSO提供系泊支持，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)是當前世界范圍內(nèi)，應用最多、也最常見的一種系泊型式，它可以容納大量立管及臍帶電纜。內(nèi)轉(zhuǎn)臺單點通常設置在FPSO船頭，位于FPSO船體的月池內(nèi)，系泊纜通過錨鏈盤連接在轉(zhuǎn)塔底部。內(nèi)轉(zhuǎn)塔可以為單軸承亦或雙軸承支撐。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)如圖2-圖4所示，其中主要包括：

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系統(tǒng)介紹

圖4 外轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)

1、轉(zhuǎn)臺及軸承。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔下部連接系泊纜，上部位于月池內(nèi)，連接到FPSO船體內(nèi)部，F(xiàn)PSO船體甲板處連接著主軸承，船體內(nèi)部還連接著下軸承，使FPSO能夠在風浪流環(huán)境作用下自由旋轉(zhuǎn)，根據(jù)立管和臍帶纜系統(tǒng)的要求，轉(zhuǎn)臺直徑通常在5到20米范圍之間。

2、止鏈器。

止鏈器連接著系泊纜繩，固定于轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)底部的轉(zhuǎn)塔基盤上。

3、滑環(huán)塔系統(tǒng)。

滑環(huán)塔系統(tǒng)是整個內(nèi)轉(zhuǎn)塔的核心部件，位于轉(zhuǎn)塔的上部。它控制原油、液體及氣體傳輸，控制海底信號、油井、水下系統(tǒng)用電等都通過滑環(huán)系統(tǒng)傳輸。

4、龍門式結(jié)構(gòu)。

位于FPSO甲板上的結(jié)構(gòu)物平臺，環(huán)繞轉(zhuǎn)臺頂部以容納滑環(huán)塔等驅(qū)動裝置、管道、系泊纜絞車、動力控制設施等。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點的優(yōu)點是其直徑尺寸可以比外轉(zhuǎn)塔更大，通常立管的上限為100根。

3.2 外轉(zhuǎn)塔單點

外轉(zhuǎn)塔單點和內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點類似，但區(qū)別在于其不在FPSO船體內(nèi)部，見圖4，為典型外轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)型式。目前我國海域暫無外轉(zhuǎn)塔型式單點系泊型式。

根據(jù)外轉(zhuǎn)塔不同的在位型式，外轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)可進一步分為兩種類型：外延轉(zhuǎn)臺以及水下轉(zhuǎn)臺兩種型式。

圖5 水下外轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)臺系泊系統(tǒng)

外延轉(zhuǎn)臺系泊系統(tǒng)是常見的外轉(zhuǎn)塔類型，它直接連接到FPSO船艏或船艉的懸出結(jié)構(gòu)上，位于在水線上方。為了防止系泊纜相互碰撞,懸出結(jié)構(gòu)應足夠長，或者采用切除部分FPSO船頭結(jié)構(gòu)的設計方式。

外轉(zhuǎn)塔單點軸承、止鏈器和撓性立管接頭均位于水面上方，以方便操作、檢查和維護。但若延伸結(jié)構(gòu)太長，柔性立管將增加受極端波浪影響。

由于外轉(zhuǎn)塔位于水線上方，通常應用于50米以下的淺水區(qū)域。外轉(zhuǎn)塔單點體積相對較小，僅能容納有限數(shù)量的立管（大約20根），而內(nèi)部轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)可容納約100根。

外轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)比內(nèi)部轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)有幾個優(yōu)點，主要包括：

1、它允許獨立制造和安裝，而內(nèi)部轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)只能安裝在干船塢。

2、不影響船體的儲存能力。

3、對于延伸出的外部轉(zhuǎn)臺，系泊和立管連接位置均在水線上，便于檢查和維護。

4 其他類型單點系泊系統(tǒng)

除了內(nèi)轉(zhuǎn)塔與外轉(zhuǎn)塔外，隨著海洋技術的發(fā)展以及原油貿(mào)易的增長，逐漸衍生出新型單點型式，例如塔架式單點、CALM型單點等。

4.1 塔架式單點

塔架式單點系泊系統(tǒng)，也稱為水上軟鋼臂塔架式單點系泊，下部是固定在海床上的剛性導管架結(jié)構(gòu)，油輪與導管架之間通過一組永久性連接的鋼臂結(jié)構(gòu)連接。塔架式單點系泊系統(tǒng)適用于開發(fā)深度在50 m以下水深深度油田，由于水深的限制，此種系泊系統(tǒng)不能使用柔性立管（柔性立管需要保持一定的預定義形狀，以避免應力過大）。

塔架式單點系泊系統(tǒng)主要包括以下組成部分：

1、塔架。

塔架是連接到海底的固定式導管架，其上部是與船體相連接的多層轉(zhuǎn)臺。轉(zhuǎn)臺與導管架通過軸承連接，轉(zhuǎn)臺能夠旋轉(zhuǎn)，從而使系泊的設備如FPSO（浮式生產(chǎn)儲油船）可自由旋轉(zhuǎn)，在風向標效應下旋轉(zhuǎn)至環(huán)境力最小方向。

2、系泊部件，即軟鋼臂。

連接塔架上的軸承和浮式生產(chǎn)儲油船船艏或船尾的連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

3、生產(chǎn)傳輸系統(tǒng)。

與其他轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)相同，包括原油系統(tǒng)、注水和注氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、海管供電系統(tǒng)等，都通過滑環(huán)系統(tǒng)進行傳輸。

塔架式單點系泊系統(tǒng)的優(yōu)點是可以容納多根固定式鋼性立管（非撓性立管），其結(jié)構(gòu)較簡單、系統(tǒng)也易安裝。缺點是系統(tǒng)的成本會隨著水深的增加而增加，所以從成本的角度看，塔架式單點系泊系統(tǒng)僅適宜于淺水區(qū)域。

圖6 塔架式單點系泊系統(tǒng)

4.2 CALM單點

隨著原油貿(mào)易的增長，石油產(chǎn)品被運往世界各地。對于沒有深水港的沿海地區(qū)，懸鏈錨腿式單點系泊（CALM）系統(tǒng)的應用為其提供了新的可能，如圖7所示，CALM系統(tǒng)通常用于裝載和卸載原油產(chǎn)品。CALM系統(tǒng)可用于接收任何尺寸的油輪，包括大型原油運輸船。

圖7 CALM型單點系泊系統(tǒng)

其主要組成部分包括：

1、系泊纜繩。

油輪暫時在裝卸作業(yè)期間通過纜繩系泊至平靜狀態(tài)。纜繩通常為尼龍繩和鏈條。

2、轉(zhuǎn)臺和浮筒。

使系泊油輪能夠在風向標效應下，在各種風浪條件進行裝卸作業(yè)。但如果海浪太大，就必須斷開連接。

3、漂浮軟管。

連接油輪和單點之間的管道，可以是單根或雙根。根據(jù)OCIMF(國際海洋石油軟管公約)尺寸范圍覆蓋從6英寸到24英寸（內(nèi)徑）。

4、水下軟管（立管）。

從水下管匯(PLEM)連接到單點管道系統(tǒng)。軟管設計應包括充足的長度以適應潮差及浮筒運動，水下管匯通過海底管道連接至陸上終端輸送原油或氣體。

5、錨腿系泊系統(tǒng)。

可認為是永久性的系泊系統(tǒng)，即使穿梭油輪每隔幾天就來接卸原油，都不能被收回或重新部署新的形狀，該系統(tǒng)由系泊錨鏈和高阻力樁錨組成。

CALM系統(tǒng)常用于靠近海岸，水深較淺，環(huán)境條件惡劣。工作水深可以為20-100m，從2000年左右開始，CALM單點系泊系統(tǒng)已擴展到延海岸線1000m處，在西非海岸作為獨立的卸載系統(tǒng)，系泊浮式生產(chǎn)儲油船。

CALM系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)固定終端的優(yōu)勢總結(jié)如下：

1、不需要建立深水港及提供裝卸作業(yè)的碼頭設施即可實施原油裝卸載作業(yè)。

2、該系統(tǒng)可以適應不同尺寸的油罐船，作業(yè)時所需人力較少，CALM本身對環(huán)境有較強的適應性。

3、該系統(tǒng)成本較低，因為可以安裝在開闊的海域不需要做出額外保護。

4、可以同時輸送多種油氣產(chǎn)品。

5、該系統(tǒng)易于安裝和操作，只有一艘小船即可進行裝載作業(yè)。

5 總結(jié)

本文對單點系泊系統(tǒng)進行了介紹，對單點系泊系統(tǒng)類型進行了分類，重點介紹了目前國際及國內(nèi)常用的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點、外轉(zhuǎn)塔單點、塔架式單點、CALM單點四種類型，并結(jié)合其各自特點分析了其優(yōu)劣特性，為后續(xù)單點系泊系統(tǒng)設計奠定了一定基礎。