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1、第十章 单点系泊系统第一节 概 述海上油田的原油输出，目前大多采用铺设海底管道或油轮驳运两种方式，而油轮驳运则需设单点系泊供停靠。油田产量稳定高产时，这两种方法各有利弊；当油田开采寿命可疑时（产量少、不稳定）不宜采用海底管道，因其投资大，难于回收，施工难度大，工期长，在海水过深和环境条件恶劣时，还无法施工，采用单点系泊系统就可解决此难题。同时，无论单点系泊系统以何种类型系住油轮都可自由地绕着单点系泊转动，能使油轮处于海浪流速和风速以及风力综合造成的最小阻力位置。另外，原油运输费用随着油轮吨位的增加而明显下降，促使巨大型油轮日益增多，而人造深水港的费用高，施工周期长。因此，从可靠和经济的观点考虑
2、，采用单点系泊系统实为一种最佳选择。近50年来，为了适应海上油田的开发和深海恶劣环境条件的要求，单点系泊的技术日新月异，得到了很大的发展。目前世界上单点系泊装置的类型增多了，技术越来越先进并纳入规范，美国船级社（ABS）早在1975年就颁布了单点系泊系统建造入级规范。国外研制单点系泊系统比较著名的公司有：SBM公司、IMODCO公司、SOFEC公司、MCDERMOTT公司等。单点系泊系统从20世纪50年代后期发展到现在，已经成为广泛使用的一种海上系泊油轮的方式。它对海上油田的开发起着极为重要的作用，具有很多优点，而且这种技术本身还在不断地发展之中。归纳起来，它适用于以下几个方面：可作为进出口原
3、油的深水港，供大型或超大型油轮系泊和装卸原油，能充分发挥大型油轮经济运输的优越性，而不必花费巨额投资去建设深水港。海上大型油田的开发是十分复杂的，固定生产设备的投资大，建设时间长，在储量尚未充分掌握之前，很难作出切合实际的技术决策，采用单点系泊装置为核心的早期生产系统，可以提早开发油田，为油田永久性开发的技术决策提供依据。单点系泊装置是边际油田、深海油田及离岸遥远油田经济开采的先进技术手段。可在经济上或技术上不宜铺管的海域代替海底输油管道。能系泊海上石油加工处理厂，回收和利用石油伴生气，使海洋石油资源得到合理利用。第二节 单点系泊装置的类型单点系泊装置主要有两种基本类型，即悬链式浮筒系泊装置和
4、单锚腿系泊装置。根据海上油田开发的需要和海况条件的要求，在这两种基本类型的基础上，单点系泊技术不断改进，逐步发展为多种类型的系泊装置。目前在我国海上油田采用的单点系泊装置大概有4种：导管架塔式刚性臂系泊装置、固定塔式单点系泊装置、可解脱式转塔浮筒系泊装置和永久式转塔系泊装置。下面我们就几种最常见的系泊装置作一些介绍。一、悬链式浮筒系泊装置（Catenary Anchor Leg Mooring，简称CALM） 图10-2-1 悬链式浮筒系泊装置这种装置是单点系泊装置中最早出现的一种型式，也是数量最多的一种，如图10-2-1所示。它使用一个大直径（约1017m）的圆柱形浮筒作为主体，以4条以上的
5、长垂曲线锚链固定在海底基座上。浮筒是具有弹性的（即能吸收外力冲击能量），能在一定范围内漂移。浮筒上部是一个装有轴承可旋转360度的转台，上面配有系泊桩柱、输油管线、阀门、流体旋转头、航标灯以及必要的起重设备等。中心部位的流体旋转头，下面连接着水下软管和海底输油管汇，上面连接着漂浮软管并通向油轮。油轮是用缆绳系泊在浮筒转台的桩柱上，在风、浪、潮、流的影响下，油轮能围绕系泊点漂移转动，使之处在最小受力位置，这就是该系泊装置独特的系泊弹性风标性。它大大降低了系泊负荷，缓冲了风浪对系统的冲击，也是单点系泊系统的主要特点之一。总之，它的主要优点是结构简单、便于制造和安装；它的组成部件除旋转头和软管之外，
6、都是常规产品，设计、制造、安装简便、造价低廉。它的缺点是要求海底地貌平坦，浮筒的漂移、升沉随环境条件的恶劣而增长，这将使水下软管过度挠曲而易于损坏。在持续摇荡期间，工作艇难于靠近，给维修保养工作带来不便。二、单锚腿系泊装置（Single Anchor Leg Mooring，简称SALM） 图10-2-2带立管的单锚腿系泊装置如图10-2-2所示，这种系泊装置既适用于浅水区，又适用于深水区，如果用于深水区，则锚链下端需连接一段内有输油管的立管，立管上头与锚链铰接，下头铰接在海底基座上。立管可在任意方向摆动。流体旋转头安装在立管顶部。流体旋转头以上的所有部件都可以转动。如图10-2-3所示，该装
7、置它有一个细长的圆柱形浮筒，通常直径约为67m，高度约为15m。浮筒下面用锚链拉住，锚链的下端固定在海底基座上。由于浮筒具有正的剩余浮力，所以锚链始终保持一定的张力。海底基座是以承受浮筒的正浮力和最大系泊载荷为条件的。锚链与浮筒之间、锚链与海底基座之间，都用万向接头相连接；这种结构能使整个浮筒和油轮围绕系泊中心转动，而无需在浮筒上面安装轴承和转台。输油管路不通过浮筒，水下软管与漂浮软管合为一条，直通油轮。图10-2-3不带立管的单锚腿系泊装置三单浮筒刚臂系泊装置（Single Bouy Storage，简称SBS）该装置是在悬链式浮筒系泊装置的基础上发展起来的，其主要差别是用刚性轭臂系泊取代缆
8、绳系泊，如图10-2-4所示。刚性轭臂与储油轮之间的铰链连接，允许产生纵摇；它的另一端支持在浮筒上，可以围绕浮筒旋转，并通过万向接头连接在一起，这样就可使浮筒、刚性轭臂油轮的摇摆角各自独立。大多数刚性轭臂都设计成A字架形式，采用封闭的箱型结构。图10-2-4 单浮筒刚臂系泊装置四单锚腿刚臂系泊装置（Single Anchor Leg Storage，简称SALS）该装置是在单锚腿系泊装置的基础上发展起来的，如图10-2-5所示。刚性轭臂与油轮是铰链连接，并通过一个允许有相对纵摇和横摇运动的铰链接头与系泊立管相连。铰链接头通过滚柱轴承连接到立管顶部，使轭臂和油轮能随风摆动。与立管组合在一起的浮力
9、舱趋于使立管保持垂直位置，从而为油轮保持在停泊点位置提供了恢复力。立管底部是通过万向接头与海底的锚定底座相连的。这两种类型的系泊装置，使用的刚性轭结构，可以减少油轮的自由度，改善其作业状况，使整个系泊系统的性能更为稳定。系泊油轮与单点系泊之间的刚性连接，可以避免在较恶劣海况下，油轮对浮筒的碰撞和失控飘移以及油轮和浮筒之间的激励振荡。这就是使用刚性轭臂的效应。油轮无需倒车推进器或拖轮控制，作业比较安全可靠。 图10-2-5 单锚腿刚臂系泊装置五导管架塔式刚臂系泊装置图10-2-6是我国渤海某油田采用的导管架塔式刚臂系泊装置。浮式生产储油轮是借助于系泊刚臂连接到架管架上。系泊头安装在导管架顶部中央
10、的将军头上。系泊头上安装有转输油、气、水的流体旋转头和一个转动轴承，它可以使生产储油轮和系泊刚臂一起绕着导管架转动。系泊臂是一个刚性“A”字形钢管构架，其前端依靠横摇-纵摇绞接头与系泊头相连接，后端依靠系泊腿与生产储油轮的系泊构架连接。在系泊刚臂后的压载舱中，装有防冻的压载液。当系泊系统处于平衡状态时，悬吊系泊刚臂的系泊腿是垂直的。当生产储油轮由于环境力而移动时，系泊刚臂被抬起，从而产生恢复力，迫使生产储油轮回到平衡位置。系泊腿的上、下端均用万向节分别与系泊构架和系泊刚臂相连接。系泊刚臂的前端和系泊头的连接是横摇纵摇绞接头，再加系泊头上的转动轴承，这就使生产储油轮在风浪中，能自由地进行所谓的六
11、向运动（即纵摇、横摇、前后移动、升沉、漂移、摆艏）。系泊刚臂悬吊在海面以上，通过活动栈桥，人们可以从生产储油轮走到导管架上。油田产出的原油和天然气，从海底管道进入系泊头上的流体旋转头，分别输往生产储油轮。 图10-2-6导管架塔式刚臂系泊装置（一）导管架塔式刚臂系泊装置主要部件的技术参数导管架：高度43.6m，底部15.415.4 m，顶部5.8m5.8 m，四根桩腿的直径为1.3m转台轴承：直径2.44m。转盘：直径3.1m。流体旋转头：（a）输油模块：直径8in3个；（b）输气模块：直径4in1个；（c）输水模块：直径8in1个。系泊臂：总长36.5m，宽度24m（与系泊腿连接处）。系泊腿
12、：直径0.6 m，总长13m。系泊构架：高度15.75m。（二）单点系泊的环境设计条件该单点系泊系统是按照以下环境条件设计的：1无冰条件百年一遇的风暴，与生产储油轮连接时的生存条件：有效波高:5.3 m；最大波高：9.9 m；平均波浪周期：9.3s；1小时平均风速：33m/s；1分钟阵风：41m/s；表层海流:1.76m/s。一年一遇的风暴，与生产储油轮连接时的环境条件：有效波高:2.3 m；最大波高：4.3 m；平均波浪周期：6.1s；1小时平均风速：18m/s；1分钟阵风：21m/s；表层海流1.37m/s。2有冰条件该系泊系统系泊臂的设计，在连接情况下，可以抵抗由下述的风、海流、冰而综合
13、形成的载荷和运动：百年一遇的风速；25年一遇的冰情，即24cm厚的平板冰；44cm厚的冰堆，破碎的5 m5 m44cm冰块；冰的漂移速度：1m/s；无浪（因为被冰层压住）；冰的漂移方向和风的方向平行或稍有变化，足以保证生产储油轮能够转动。3海况条件水深：（a）海图标高：31.6m；（b）平均水深：32.8m；（c）最大天文潮：34.3m；（d）最低天文潮：31.7m。温度：（a）可能达到的气温：-18，+38；（b）可能达到的海表层温度：-2.2，+27.1。六固定塔式单点系泊装置南海北部湾某油田采用的固定塔式单点系泊是一个固定在水深37.5m海床上的柱状结构物，它通过一条缆绳系泊一艘17.4
14、10(4)的浮式生产储油轮（FPSO）如图10-2-7所示。这种类型的系泊装置主要由上下两部分结构组成，其结构形式如图10-2-8所示。图10-2-7固定塔式单点系泊装置(一)上部结构上部结构高度约34m，总重量约432t。它由固定部分和旋转部分组成。固定部分是个直径为2.3m的圆柱体，是下部结构的延长部分，焊装有转台轴承座和三层固定平台，分别支承着流体旋转头、电仪设备、管线系统、阀门、清管器收发装置和通道设施等。其中流体旋转头是连通固定部分和旋转部分之间各种流体管道的关键设备，如图10-2-9所示，现由输油模块和输水模块组成，将来可以加装输气模块，均由不锈钢材料做成。其设计的工作压力、通径和
15、重量如下：（a）输油模块：6.0MPa 12in 8t（b）输水模块：14.5MPa 10in 12t（c）输气模块：20.0MPa 10in 12t旋转部分包括系泊转台、防碰圈和转动框架：（a）系泊转台是由一个环形的箱形梁制成，其凸出部分的系泊臂，用于连接缆绳，系泊FPSO油轮。（b）防碰圈是个外径为29m的“自行车轮圈”，直接焊接在转台下面，与转台同步转动，重约90t；它吸收FPSO油轮偶然碰撞的动能，最大为900t.m，反作用力低于400t。（c）转动框架上支承有起重设备（包括1台12t的单轨吊和2台1.5t的小吊机）、刚性管线、导航灯、雾笛等。（二）下部结构下部结构是由一个直径为5.7
16、m的圆柱体焊接在一个基座上，该基座由三个各成120度的径向箱形梁构成，用6根桩固定在海底，每根桩长60m，直径122cm(48in)，6根桩总重约400t。圆柱体内安装有三根用于输送油、水、气的刚性立管，采用法兰跟海底管线连接。下部结构总重量约650t，高度约44m。（三）系泊缆绳系泊FPSO油轮的缆绳，实际上由下列部分组成：一段耐磨链，通过挂钩连接在单点系泊臂上。一条周径68.6cm(27in)，长60m的尼龙缆绳，其最小破坏载荷为1700t图10-2-8 固定塔式单点系泊结构图一段耐磨链，通过快速连接解脱装置（即止链器）与FPSO油轮连接。快速连接解脱装置配有测力传感器，可随时记录系泊力的
17、大小，当系泊力突然超过设计系泊载荷410t.时，耐磨链上的一个易断点（即保险销）会被剪断，使油轮立即解脱。在系泊力小于410t的条件下，系泊的FPSO油轮可以随风浪或海流方向的变化围绕单点系泊中心任意转动。在有效波高小于2.5m的海况时，可系泊FPSO油轮加上一条610万吨的穿梭油轮，进行卸油作业。（四）柔性软管在单点系泊和FPSO油轮之间，连接着两条悬垂的柔性软管；在油轮船头配有可以迅速连接或解脱的接头装置，解脱后软管末端的球阀会自动关闭，防止原油溢出。其技术参数如下：直径 长度 设计压力 设计温度输油软管 12in 95m 6.0MPa 80输水软管 10in 95m 14.5MPa 20
18、 图10-2-9 流体旋转头总图 （五）单点系泊的作业条件设计该单点系泊时，考虑了三种不同的作业条件。1)穿梭油轮靠泊FPSO油轮提油的作业条件最大波高：2.5m。海流速度：0.75m/s。风速：15m/s。2)FPSO油轮系泊单点的作业条件最大波高：4.5m。海流速度：0.75m。风速：25m/s。3）百年一遇的极端条件最大波高10.5 m。海流速度1.65m/s。风速：75m/s。FPSO油轮必须解脱，躲避台风。第三节 单点系泊的主要部件与特点一系泊的主要部件（一）浮筒除了固定塔式单点系泊装置之外，其余类型的单点系泊装置大多装设一个浮筒，以提供正浮力以及安装转盘和流体旋转头之用。浮筒尺寸的
19、大小是根据所需正浮力和结构要求而确定的。除了强度上的要求外，浮筒必须满足水中稳定要求，包括在无链拖航和最大外界环境中的稳定。浮筒壳体通常分隔为多个水密舱并满足一舱不沉不翻。浮筒应能承受最大系泊负荷和外界环境负荷的作用。建成后的浮筒应经过1.5倍最大设计压力的试验。大型的单点系泊装置，在浮筒上装有发电机、变压器、配电盘、空压机、通风系统、液压系统、系泊臂传动机械、绞车、平衡重、更换垫圈的千斤顶，防火和油气监测系统、居住舱和居住设备等。浮筒上部装设的转盘上，安装有系泊桩柱、流体旋转头的输出管道和阀门、航行设备及起重设备等。转盘和浮筒之间用滚动轴承或滚轮盘连接，轴承或滚盘必须设计成能承受全部系泊负荷
20、。(二) 桩腿构件单点系泊系统的桩腿是将浮筒支持在安装点的部件，基本上分为锚链类（或锚链立管）和刚性构件两种，按数量划分有单桩腿和多桩腿之分。桩腿构件之间的连接一般采用万向接头。桩腿负荷是单点系泊系统设计的主要参数之一。桩腿受力相当复杂，一方面须作动态分析，另一方面需作水池模型试验。分析和试验时，对安装海域的风、浪、海流、潮汐、系泊船的参数等因素都需考虑。按照规范规定，桩腿必须能承受百年一遇的风暴负荷。APS规范规定，锚链的安全系数一般不得小于3。(三) 系泊缆绳系泊缆绳是系泊船只的主要部件。按APS规范规定，系泊缆绳最多只能由两根组成。它由系泊负荷决定。设计单点系泊系统时，系泊负荷是主要参数
21、。目前尚无十分完美的计算公式，通常是计算分析和模型试验一齐进行，然后再作比较修正。目前国内外海上油田的单点系泊系统，大多采用尼龙缆绳，两端加接一小段耐磨铁链，以避免摩擦损坏；跟油轮连接的一端，还加接一个能快速连接和解脱的止链器。(四) 输油软管单点系泊系统的输油软管，通常分为两段，一段是从海底管道的末端管汇连接到浮筒上的流体旋转头，称为水下软管（或者称为柔性立管）；另一段是从流体旋转头连接到储油轮，称为漂浮软管。水下软管是由钢材和塑性材料两部分组成，其钢材部分提供机械强度，而塑性材料部分起防漏作用。它具有耐酸性、抗腐性、承受高压的特点。漂浮软管是特制的压力橡胶管，为了便于安装制成分节，用钢接头
22、连成一串置于水中或浮于水面，漂浮软管外层包有浮力材料，使其具有浮力以便漂浮安置；管端栓有识别浮标，以便油轮发现和打捞，接通油轮管线。漂浮软管内一般装有能自动关闭的截止阀，解脱时以防止原油溢出。(五) 流体旋转头流体旋转头是单点系泊系统的关键部件，它是连通固定部分和旋转部分之间各种流体管道的转换设备。流体旋转头采用一个双密封系统，它具有模块化结构，在需要作多通道布置时，可以把几个旋转头叠装在一起。规范中对流体旋转头的制造和试验要求十分严格，在系泊负荷的作用下，必须做到内外不漏，抗腐蚀性强，能适应多种流体成分和流速高的要求。图10-3-1是可叠装的多通道高压流体旋转头，可作参考。 图10-3-1可
23、叠装的多通道高压流体旋转头二单点系泊系统的主要特点(一) 系统的弹性单点系泊装置是一种弹性系统，它对外力有复原的反应，有吸收、消耗能量的性能。它的锚链式桩腿跟船锚链一样具有弹性，能吸收能量。刚性铰链桩腿在外力作用下会产生位移吸收部分能量。单点系泊系统的这种弹性，可以大大缓冲其对外力的位移反应和峰值系缆负荷，并减少油轮超出漂移范围以及油轮与浮筒相撞等事故。（二）系统的风标特性单点系泊系统都具有可转动360的系泊转台，转台上的系泊桩柱带着被系泊的油轮一起，可以自由地绕着系泊中心点转动，并根据风、波浪、海流的方向，整个系统就象风标一样，使油轮处于顺风顺流的位置而改善了系统的受力状况，即所谓系统的风标
24、特性。（三）重复使用的性能相对于海上石油终端中的固定式锚泊系统，单点系泊系统具有重复使用性，其主要部件如浮筒、桩腿、输油软管和流体旋转头等均可稍作修改，搬到另一个具有相近水深和环境条件的位置重复使用。此特性对于开发海上边际油田，用作临时系泊的早期生产设施，十分机动灵活。（四）低廉的费用和较快的研制、安装时间跟其余类型的海上石油终端相比较，单点系泊系统的投资费用和输油作业成本都比较低。除多浮筒系船系统（实用性极为有限）外，其它两种固定设施的投资费用都大于单点系泊装置。单点系泊系统的制造、安装、作业和维修费用等，一般约为相同功能和能力的需打桩定位的固定设施费用的30%-50%。如果固定设施费用中再加上海底管道的费用，那就更昂贵了。单点系泊系统的研制时间也比较快，一般能在6个月到12个月内建成，因为其钢材制造量相对较少，锚链、系泊缆绳、输油软管等都是现成常规产品。另外，单点系泊装置的安装时间，通常也比固定平台和海底管道所需的安装时间少。现在已有单点系泊系统建造入级规范作准则，研究设计的时间也大为减少。285