NA V AL ARCHITECTURE AND OCEAN ENGINEERING 船舶与海洋工程2017年第33卷第5期（总第117期）
DOI：10.14056/jki.naoe.2017.05.015
符方超，高原，高超，杨盛
（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）
摘要：在浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）不停产且3条拖船限位的状态下，简要分析FPSO受到的水流力作用，选择合适的限位方案进行旧上锚缆的拆除弃置和新上锚缆的安装，完成单点系泊上锚缆的整体更换，详述该方案在项目施工中的应用。该技术可实现FPSO不停产整体更换单点系泊上锚缆，避免FPSO单点系泊更换上锚缆造成油田停产。 关键词：浮式生产储油卸油装置；单点系泊；上锚缆；潜水支持船；不停产
中图分类号：TE58；TE977 文献标志码：B 文章编号：2095-4069 (2017) 05-0077-05 The Technology of FPSO Single Point Mooring
Upper Wire Replacement
FU Fang-chao，GAO Yuan，GAO Chao，YANG Sheng
（COOEC Subsea Technology Co., Ltd., Shenzhen 518067, China）
Abstract: Under the situation that the production of the Floating Production Storage and Offloading (FPSO) is not interrupted and the position of FPSO is confined by 3 tugs, the demolition and discard of the old upper wire and the installation of a new upper wire could be carried out on the basis that the current forces acting on the FPSO is simply analyzed and a proper positioning scheme is worked out. This paper explains in detail the application of the method for the project, and shows that the technique can realize the replacement of the upper wire in single point mooring state without interrupting of the FPSO and suspending of the oil field during the replacement.
Key words:floating production storage and offloading; single point mooring; upper wire; diving support vessel; non-stop production
回馈单元视觉定位系统0引言
相对于其他海洋浮式结构物，浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，
FPSO）优点突出，具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油水平高、可转移及可重复使用等特点。FPSO可对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、发电、供电、供热及储存和运输原油产品，是集人员居住和生产指挥于一体的大型综合性海上石油生产基地，已在海上油气田生产中得到广泛应用。系泊系统是最关键的部分，大体上分为单点系泊和多点系泊[1]。单点系泊系统适用于海况恶劣的海域，如我国南海海域。FPSO在海上进行生产作业时，会长时间受到海流、风浪等外力的作用，而系泊系统是FPSO主要的受力结构，为保持FPSO在原位持续进行生产作业，其结构容易遭到损坏。系泊系统是FPSO安全生产的基本保障，定期对其进行检测，及时对其进行维修和结构更换等尤为重要，特别是随着FPSO服役年限的增加，该重要性更加明显。FPSO不停产系泊系统修复技术能保证油气田持续生产，确保油气田的产
收稿日期：2017-05-26
作者简介：符方超，男，工程师，1986年生。2010年毕业于天津大学船舶与海洋工程专业，现从事海油工程水下结构物安装、维修和深水管道应急救援研究工作。
78 船舶与海洋工程2017年第5期
量。随着海上FPSO 逐年增多及其服务年限不断延长，FPSO 不停产系泊系统修复技术将得到广泛应用，为油气田的安全生产提供保障。
卫生杯
1 项目概况
1.1 项目背景[2]
FPSO 于2013年达到10a 的运营期，经调查检测及专家评估，需对其单点系泊系统浮筒以下的结构进行更换，共计9条锚缆。受油田作业公司委托，于2014年对该FPSO 单点系泊系统进行更换作业，于2014年5月完成单点系泊下锚链和吸力锚的安装，动员工程船舶前往油田作业现场进行旧锚缆的拆除和新上锚缆的安装。图1为单点系泊系统布置图。 1.2 技术背景[1,3-4]
FPSO 单点系泊技术已在我国南海海域得到广泛应用。FPSO 单点系泊系统适用于海况恶劣的南海海域，该海域所有的FPSO 系泊系统都采取单点系泊形式。根据统计，南海海域的FPSO 见表1。
表1 南海海域的FPSO
序号 FPSO 名称 单点系泊形式 所属海域 作业水深/m
1 南海发现号 内转塔，悬链式缆 南海 116
2 南海盛开号 内转塔，悬链式缆 南海 141
3 南海开拓号 内转塔，悬链式缆 南海 100
4 南海胜利号 内转塔，悬链式缆 南海 310
5 南海奎宁号 内转塔，悬链式缆 南海 333
6 南海奋进号 内转塔，悬链式缆 南海 330
7 海洋石油111 内转塔，悬链式缆 南海 105
8 海洋石油115 内转塔，悬链式缆 南海 90 9
海洋石油116
内转塔，悬链式缆
南海
150
我国南海海域的FPSO 所采用的单点系泊形式均为内转塔、悬链式缆，但在该项目之前还没有进行过FPSO 在位不停产整体更换所有上锚缆的作业，没有任何施工经验可借鉴。该项目的成功实施将解决南海海域FPSO 单点系泊上锚缆更换的技术问题。
2 FPSO 限位分析
为保证油田的产量，决定进行FPSO 在位不停产更换单点系泊上锚缆，而这需潜水支持船紧靠FPSO 进行潜水作业。若FPSO 没有限位，则其将随着水流、风浪的作用绕单点旋转，在潜水支持船没有靠泊FPSO 进行上锚缆更换作业的情况下，FPSO 将与潜水支持船发生碰撞；在潜水支持船靠泊FPSO 进行上锚缆更换作业的情况下，潜水支持船将随FPSO 同步移动，在拆除和安装上锚缆过程中，悬挂在单点浮筒和上锚缆索接头上的吊索具缠绕，吊索具拉力无法得到控制，不能进行上锚缆的拆除和安装，且吊索具缠绕绷紧后受力严重影响潜水员的安全，无法完成潜水作业，故需对FPSO 进行限位。 2.1 FPSO 限位方案分析[5]
FPSO 的艏部由单点系统牵引固定，艉部由拖船牵引获得拉力，通过艏艉两点的作用力使艏向保持不变，使FPSO 在水面发生平移但不转动，在该情况下进行上锚缆的拆除和安装。FPSO 限位方案为艉部用3条拖船限位，假定水流流向为由北向南，常态下FPSO 限位图见图2。
图1 单点系泊系统布置图
已存在的旧锚缆 已安装的下锚链
FPSO
符方超，等：FPSO 单点系泊上锚缆更换技术 79
通常在天气较好的状况下拖船保持图2所示的航向，拖船1与FPSO 艏向的夹角为135°，拖船2与拖船1的夹角为45°，拖船3与拖船2的夹角45°。拖船1为主要受力拖船，拖船2为辅助受力拖船，FPSO 在2条拖船的共同作用下保持艏向的稳定，拖船3不提供拖力。在海况变差、流速变大的情况下，拖船2的航向向北偏移，加大功率，弥补拖船1拖力的不足，拖船2的布置主要解决海况变差拖船拖力不足的问题。南海海域经常出现乱流，使水流的流向在短时间内发生变化。当水流的流向迅速改变时，拖船1和拖船2不能及时改变航向，会造成FPSO 艉部向北旋转，故增加拖船3，当监测到乱流时，拖船3的航向向南偏移，提供向南的拖力，防止FPSO 艉部向北旋转，此时拖船1不提供拖力，拖船2减小拖力或不提供拖力。
为使FPSO 的艏向保持稳定，需3条拖船保持很好的协作，除了
3艘拖船的船长以外，还要配备总指挥船长，由总指挥船长下达指令，合理地指挥各条拖船的操作。保持信息沟通畅通，及时进行各自拖船受力和水流情况的汇报是3艘拖船成功协作的根本。 2.2 FPSO 限位受力分析
FPSO 在受到外力的作用时，其单点浮筒会偏离设计中心，单点系泊锚缆受力的大小不同，给单点浮筒提供静回复力；在外力作用消失后，单点浮筒会在静回复力的作用下回到设计中心点，FPSO 随着
单点的移动而移动。回复力Rr F [1]为
6
6
1
1
d d ,1,2,,6w
Rr r k k rk k k k S F g n u p w x y C p r ρ===-⋅=-=∑∑⎰⎰ (1)
式(1)中：w S 为水线面面积；(,,)r r r r u u v w =；rk C 为回复力系数。
在海况较好的情况下，保持FPSO 与水流流向成45°角，该角度相对于FPSO 横流受到的水流力小很多，方便拖船保持FPSO 艏向的稳定。潜水作业需在较好的海况下进行，尤其是在空潜出入水的过程中受海面波浪的影响，潜水支持船（DSV1）的稳定性直接影响潜水作业效率，DSV1靠泊FPSO 进行潜水作业，
FPSO 与流向成45°角，使DSV1处在下流，FPSO 迎流迎浪，降低水流、风浪对DSV1的影响（见图3）。
图3 FPSO 水流受力图
假设水流对FPSO 的作用力均匀分布，强度为P ，不考虑回流等流体力的作用，同时FPSO 横流时的受力面积为H S ，可求得FPSO 横流时受到的水流作用力H F 为
H H F PS = (2)
图2 FPSO 限位图
水流
拖船1 拖船2
拖船3
单点
北
水流
北
单点 DSV1
脚踩垃圾桶
FPSO
P
a) FPSO 横流 b) FPSO 与水流成45︒
单点
P
水流
北
80 船舶与海洋工程2017年第5期
当FPSO 与水流成45°角时，FPSO 受到的水流作用力45F 为
H 45cos 45F PS (3)
由此可知，FPSO 横流时受到水流的作用力最大，为保证拖船限位的安全性及潜水施工的可操作性，控制FPSO 与水流夹角在30°~60°，提高拖船限位FPSO 艏向的稳定性，准确的角度选择需结合现场的实际天气情况及需拆装的锚缆的角度。
3 FPSO 旧上锚缆的拆除
3.1 切割旧锚缆
切割旧锚缆示意见图4。DSV1系缆靠泊于
FPSO ，潜水支持船（DSV2）动力定位（Dynamic Positioning ，DP ）于锚缆切割点附近，下放潜钟和锚缆切割设备，潜水员将切割设备安装于切割点处，连接切割设备的液压管线。由于自身重力及海浪、水流等作用力的影响，锚缆受到很大的作用力，完成切割后会出现回缩绷弹等现象，存在误伤潜水员的风险。在切割设备安装和管线连接完成后，潜水员撤离至安全区域。甲板操作工程师完成切割设备的调试，在无人遥控潜水器eact
（Remotely Operated Vehicle ，ROV ）的监控下完成锚缆的切割；金刚石绳自动化切割设备的应用避免了锚缆误伤潜水员[5]。 3.2 拆除、弃置旧上锚缆
拆除旧上锚缆示意见图5。DSV2完成旧锚缆的切割后，DSV1靠泊于FPSO ，DSV1上的潜水员入水抵达单点浮筒处，悬挂好吊索具，拆除连接上锚缆与单点浮筒的插销[6]。潜水员将DSV2的25t 绞车的钢丝绳直接牵引至单点浮筒处，16t 绞车的钢丝绳须先绕过悬挂点滑轮再牵引至单点浮筒处，25t 绞车和16t 绞车的钢丝绳都通过U 型卸扣固定于上锚缆的索接头上。拆除锚缆与单点浮筒间的悬挂锁具，16t 绞车承受上锚缆的重力，调整FPSO 的艏向，使
DSV2上的25t 绞车处于旧锚缆的路由上。图5中，16t 绞车的钢丝绳匀速放松，25t 绞车的钢丝绳同速同步回收，将旧上锚缆的索接头从单点浮筒处传递至DSV2下方，25t 绞车承受旧上锚缆的重力，16t 绞车不受力，DSV1的潜水员抵达上锚缆索接头处，拆除16t 绞车的钢丝绳并回收至
DSV2。
DSV2解缆进行旧上锚缆的弃置作业，单点系泊锚缆间的距离很近，加上新安装的下锚缆，需将旧上锚缆从FPSO 处拖至弃置地点，在弃置过程中存在锚缆相互缠绕的风险。DSV2沿旧锚缆原路由将旧锚缆拖离FPSO 至弃置地点，严格控制航行路线，避免出现锚缆相互缠绕的问题。
4 新上锚缆的安装
安装新上锚缆示意见图6。DSV2从旧锚缆弃置点返回至FPSO 右舷，下放16t 绞车的钢丝绳；DSV1
图4 切割旧锚缆示意
DSV2
FPSO
切割点
潜水员
旧上锚缆
海床
海床
单点浮筒
图5 拆除旧上锚缆示意
DSV2
FPSO
25T 16T
DSV1
旧上锚缆
潜水员
单点浮筒
符方超，等：FPSO 单点系泊上锚缆更换技术 81
的潜水员牵引16t 绞车的钢丝绳穿过单点浮筒上的滑轮，并将16t 绞车的钢丝头回收至DSV2甲板，将25t 绞车和16t 绞车的钢丝绳分别固定在上锚缆索接头的两侧。利用DSV2吊机将新上锚缆从滚筒上下放至船舶边缘，下放25t 绞车的钢丝绳，收紧16t 绞车的钢丝绳，绞车的下放和回收及滚筒的下放等操作同速。新上锚缆在绞车钢丝绳的引导下抵达单点浮筒底部，DSV1潜水员在单点浮筒底部悬挂吊索
具，吊索具绑扎固定新上锚缆；收紧吊索具，直至承受新上锚缆的重力，拆除25t 绞车和16t 绞车的钢丝绳并回收至DSV2甲板。DSV1下放上索接头插销及液压安装工具，调整实现上索接头的对中，安装插销，完成新锚缆上索接头的安装，拆除绑扎在上锚缆上的吊索具。
DSV2解缆进行新上锚缆的铺设，DSV2沿设计路由铺设新上锚缆，新上锚缆的下端绑扎一个配重块，整条上锚缆铺设至海床靠近下锚链连接处，配重块起到临时稳定上锚缆的作用，防止上锚缆因水流的作用而漂离作业点[7]。下放张紧器，张紧上锚缆和下锚链至连接点处，在张紧到位的情况下，上锚
缆下索接头离开海床一定高度。在下锚链端部安装浮袋并充气，使得下锚链端部上浮；用导链或吊带牵引下锚链端部至上锚缆的下索接头处，潜水员完成上锚缆与下锚链的连接，最终完成新上锚缆的安装[7]。
为保证项目施工的连续性，施工步骤及单点系泊上锚缆的更换顺序需根据海况做出合理的安排和调整，依次完成9条新上锚缆的安装。
5 结 语
对FPSO 在海上受到的水流、风浪等作用力进行分析，结合现场海况制订准确的FPSO 限位方案，完成
FPSO 单点系泊旧锚缆的拆除和新上锚缆的安装。该项目的成功实施，实现了FPSO 限位不停产整体更换单点系统上锚缆，保证了海上油田的不停产作业，避免了FPSO 解脱维修等操作，有效实现了降本增效。该单点系泊上锚缆整体更换技术适用于可潜水作业的海域，随着海上FPSO 的增加和FPSO 服役年限的延长，该技术具有良好的推广应用前景。
【 参 考 文 献 】
[1] 朱建. 深水FPSO 系泊系统方案设计研究[D]. 镇江：江苏科技大学，2014.
[2] 马超，高原，陈池，等. FPSO 在位不停产整体更换单点系泊系统技术[J]. 中国海上油气，2017, 29 (2): 147-151. [3] 徐桂龙，李文英. 浮式生产储油轮的发展现状[J]. 中国海上油气（工程），2002, 14 (2): 1-4. [4] 袁中立，李春. FPSO 的现状与关键技术[J]. 石油工程建设，2005, 31 (6): 24-29.
[5] 桂龙，唐友刚，秦尧等. 浅水FPSO 限位作业系泊分析[J]. 海洋工程，2014, 32 (3): 28-35.
[6] 刘雪宜，于常宝，杨洪所，等. FPSO 单点系泊腿更换技术研究与应用[J]. 船舶与海洋工程，2016, 32 (6): 68-72. [7] 金桐君，朱小东. “南海奋进”FPSO 单点系泊系统维修项目锚腿回接技术[J]. 航海，2015 (6): 37-40.
图6 安装新上锚缆示意
DSV2
DSV1
废渣4
潜水员
单点浮筒
新上锚缆
25t 绞车 16t
绞车
FPSO
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