在极端恶劣条件下可以解脱以规避各种危险海况,更适合于恶劣环境、季节性飓风区和冰区,如美国的墨西哥湾等。
可解脱式转塔系泊系统
具有解脱和回接功能的转塔系泊系统。
- 英文名称
- disconnectable turret mooring system
- 所属学科
- 石油与天然气工程
可解脱式转塔系泊系统有很多种,常用的有:立管式转塔系泊系统(RTM)、浮筒式转塔系泊系统(BTM)、沉没式转塔装卸系泊系统(STL)和沉没式转塔生产系泊系统等。
主要由外伸转塔、铰接头连接器、圆柱形系泊立管、系泊链、万向接头、旋转接头及机械连接装置组成(图1),适用于受台风影响比较频繁的海域,但它对回接海况的要求比较严格,因而不利于浮式生产储油装置(FPSO)作业效率的提高。
优点:投资省、易制造和拆迁、具有解脱和回接功能、系泊特性缓和。缺点:对回接海况的要求比较严格,系统在解脱后,立管由于富余浮力的存在受波浪的影响较大,不利于回接,从而影响FPSO作业效率的提高。
继RTM之后发展起来的,在回接性能方面有所改进。由一个嵌入到船首的内转塔和一个“蜘蛛”型系泊浮筒组成,两者通过结构连接器连接(图2)。内转塔贯穿船体并突出于甲板以上一定高度,下部通过轴承装置连接于船底。浮筒包括浮筒体和系链台,浮筒体能提供足够的浮力以承受系泊线和立管的重力。系泊力的传递是通过船底的滚珠轴承传到系泊浮筒上的。当系泊船舶解脱时,该浮筒由于系泊线的重力下沉至水面以下,由一浮标表示其位置。回接时在船首把浮标拾起,从船底通过绞车经转塔通道拉起,完成与转塔的连接。
优点:①由于浮筒与转塔的连接是在船底下进行的,因而受风浪影响小,回接操作比较容易。②在恶劣海况下能靠近管汇、液体旋转接头和其他关键性部件进行维修保养。③转塔安装可在坞内进行,可减少海上现场安装工作量。缺点:浮筒体露在船底的外面,在恶劣海况下浮筒的受力加剧,不适用于更高海况的深水油田。
由水下浮筒和一个完整的转塔系统组成,其核心就是系泊于海底的浮筒(图3)。该浮筒体不同于BTM中的蜘蛛浮筒,为圆锥形,在回接时,浮筒嵌入到船底的锥形浮筒穴内,完成耦合式的安装连接。浮筒内部是连接系泊链和立管系统的转台。安装后浮筒的外部结构可以和船体一起绕转塔自由旋转。解脱后,浮筒将漂浮在水中。
主要特点:能在有义波高5~6米的海况下连接;可在任何气候下解脱;具有简单快速的解脱和回接功能;标准化设计使之在与油轮的安装时有一个良好的界面;灵活的系泊系统;最小的原油溢出风险,安全性高。STL系统可以在水深85~350米、有义波高至16.4米的海域安装,它是一种灵活、安全、经济的海洋油气装卸方式,适用于深水、浅水、浮冰区,还可作为输入输出的终端。
STL转塔和系泊技术与多功能旋转接头相结合的产物,是一个集系泊系统、转塔装置和旋转接头为一体的新一代内转塔式单点系泊系统。由带有完整转塔系统的STP浮筒、与STL相仿的系泊系统、安装和捕捉STP浮筒的船上工作系统以及万向旋转接头组成(图4)。其中多功能旋转接头是STP系统的关键组成部分,由生产集液旋转接头、电刷接头、液压控制接头和电信号接头自下而上搭接而成,是将井口油、水、气、信号和电力从立管内传至船上管道系统的唯一通道。
特点:①浮筒设计标准化并嵌入船体,在得到很好保护的同时也易于检修和维护。②能为船体提供充分的风标效应效果,最大限度地减少船体受力,具有更高海况作业能力,安全性能出色。③系泊腿采用分组布置形式,降低了其最大张力和最大偏移量。④适用水深范围在50~1500米。⑤立管和脐带缆系统所占的空间及数量可调节。⑥船体改装简易,结构影响小,且改装时间短、成本低。⑦万向旋转接头可自由转动,不需要驱动机构。⑧由于其布局紧凑、结构简单灵活的特点,适用于深水、浅水、浮冰区及需要快速解脱的作业环境。
1997年12月投产的中国南海陆丰22-1油田,开创了用一条FPSO开发一个小型油田的先例,这条FPSO采用的定位系统就是STP,其作业水深330米。由于STP优良的性能,在FPSO系泊领域得到了广泛的应用。
FPSO的重要组成部分,允许FPSO随外界环境的变化而转动,允许FPSO与系泊线和立管通过转塔下部的浮筒进行解脱。浮筒与转塔进行解脱之前,需要首先解脱立管,通过QC/DC阀门或手工操作的阀门来进行。QC/DC阀门解脱速度很快,手工操作的阀门则需要较长的时间进行操作。浮筒的解脱通过一个特殊设计的结构连接器进行(图5)。主要优点就是在较大的外载荷作用下进行水下操作。
转塔解脱步骤:①各种准备工作;②停止一切生产作业;③解脱立管;④把立管降低到浮筒上面;⑤解脱转塔与FPSO的连接;⑥降低浮筒到水面以下;⑦FPSO离开到安全地带。
转塔回接步骤:①把FPSO固定到回接的水域;②收回系泊线;③提起浮筒与FPSO连接;④收回立管并连接。
可解脱式系泊系统需要专门进行设计并通过多次的调节而最终确定。当浮筒解脱后,由于系泊线和立管对它的垂向力而使其下沉到一定深度,直到浮筒浮力与系泊线和立管的垂向力达到平衡为止,通常需要控制在水面以下50~100米的深度。如果浮筒离水面太近,会受到波浪力的影响,如果下潜太深,对浮筒的结构设计将会有很大的挑战。
对于深水系统,系泊线和立管的垂向载荷将会很大,可解脱的浮筒的净浮力则相应需要很大。但是如果浮筒体积太大,将会加大对其操作的困难,特别是解脱浮筒后重新回收连接的难度也将加大。因此,对于浮筒的设计挑战性较大,需要尽量降低浮筒的尺寸和质量,优化其形状,降低其所受的流体拖曳力和附加质量。
钢悬链立管承受静水载荷的能力较强,相对来说成本也较低。但是因此FPSO在环境载荷作用下则会产生较大的运动,对立管产生较大的疲劳破坏。对于可解脱式FPSO,对立管的设计有特殊的限制,在立管与FPSO连接和解脱情况下都能安全作业,而且尽量降低立管的质量,以减小其对浮筒的垂向作用力,通过研究,自由站立式立管比较适合以上要求。
具有较好的安全性。通过解脱系泊线和立管,FPSO可以有效地避免风浪,其上的原油也被运移到安全区域。另外,解脱后的系泊线和立管下沉到50~100米的水面以下,受波浪的影响很小,因此,整个系统是相对安全的。
可解脱式系泊系统比永久式系泊系统要复杂得多,解脱与回接立管的阀门和连接器都很昂贵,为了抵抗外部的静水压力,可解脱的浮筒需要设计得较重。另外,整个安装程序更加复杂,甲板上需要准备更多的配套设施。因此,可解脱式转塔比永久式转塔成本高许多。由于可解脱式系泊系统的作业环境条件相对来说降低了,系泊线的尺寸也会有所降低,系泊系统的总质量和成本可能比永久式系泊系统的一半还低。但总的来说,可解脱式系泊系统及其转塔的总成本还是会高于永久式系泊系统。
对可解脱式系泊系统的操作比永久式系泊系统的安装与操作要复杂得多,特别是解脱操作时,一定要避免对任何部件的损伤与破坏。同时,系泊线和立管与浮筒的下部相连接,对其进行调整的难度明显加大。因此,可解脱式系泊系统不建议采用纤维材料系泊线,因为纤维材料具有随时间变化的蠕变特性,需要定期进行检测、维护和张紧,将会加大操作的困难。
对于永久式系泊系统,当环境条件比较恶劣时,如墨西哥湾的飓风海况,甲板上浪对上层建筑的冲击与破坏是比较严重的。而可解脱式系泊系统在海况比较恶劣时即停止工作并撤离,因此,不会存在甲板上浪冲击的危险。
主要包括:①由于FPSO撤离到安全地带,对系泊系统设计的环境条件要求降低,系泊线的尺寸也相应减小。②浮筒降低到水面以下,受到的波浪力很小,系泊线、立管不容易被破坏。③避免了平台在恶劣海况时发生破坏。
条目图册
扩展阅读
- 罗勇.浮式结构定位系统设计与分析.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2015.
- 刘志刚,何炎平.FPSO转塔系泊系统的技术特征及发展趋势.中国海洋平台,2006,21(5):1-6.