南海单点系泊系统故障.pdf

第 44 卷第 5 期 2015 年 10 月 船 海 工 程 ship ocean engineeing vol 44no 5 oct 2015 doi: 10 3963/j issn1671- 79532015 05 025 南海单点系泊系统故障分析 黄佳， 范模， 王忠畅， 梁文洲， 李达， 王丽勤 ( 中海油研究总院， 北京 100028) 摘要: 对中国南海的内转塔单点系泊系统在使用过程中出现的故障进行总结， 对其中一些典型的故障 成因进行分析， 就提高单点系泊系统安全可靠性提出改进建议。 关键词: 单点系泊; 内转塔; 故障; 改进措施 中图分类号: u653 2; p751文献标志码: a 文章编号: 1671- 7953( 2015) 05- 0088- 04 收稿日期: 2015 07 30 修回日期: 2015 09 01 资助项目: 中海油项目 ( cv00c kj125zdxm08ltd03zj2012) 第一作者简介: 黄佳( 1987 ) ， 男， 学士， 工程师 研究方向: fpso、 浮式平台等设计及研究 e- mail: huangjia cnooc com cn 单点系泊系统( single point mooring system) ， 其最大的优势在于允许所系泊的 fpso 等船体围 绕系泊点作 360的风标旋转， 从而使得船体始终 迎向风、 浪、 流的合力方向， 处于最小受力状态， 同 时， 也减小了船体的运动响应及船体所受的系泊 载荷。 内转塔式单点系泊装置是单点系泊系统的一 种， 该系统将单点系泊系统设置在 fpso 艏部的 船体内， 通过若干锚链( 或组合缆) 将 fpso 系泊 于指定位置， 锚端采用大抓力锚( 或锚桩， 或吸力 锚) 固定于海底。海底到水面之间的管线、 电缆、 控制管线等采用柔性连接， 再通过旋转机构与 fpso 连接。其适用水深范围大， 目前在 50 1 500 m 都有工程实例。其可系泊 fpso 的吨位 范围大， 系泊性能和抗风浪能力强， 具备 15 20 年以上连续不间断生产的能力， 适用于大型海上 油田开发。在我国南海的单点系泊系统均采用内 转塔形式。 然而， 在国内外的使用过程中， 单点系泊系统 出现了各类故障， 严重的会导致油田停产， 带来重 大经济损失。影响系泊系统安全性的主要因素包 括客观因素和主观因素。其中， 前者主要为环境 条件， 包括风、 浪、 流载荷、 船体吃水、 船龄老化及 磨损等; 后者主要涉及操作及监管过程中的人为 失误1 。本文对中国南海单点系泊系统在使用 过程中出现的故障进行梳理， 对其中一些后果较 严重的故障进行分析， 就提高单点系泊系统安全 性提出相应改进建议。 1故障情况 自 2001 2011 年间， 全球涉及系泊系统安全 性的工程事故发生了超过 20 起之多 2 见表 1， 这 引起了整个海洋工程界对于系泊系统安全性的广 泛关注。 在表 1 中所列的 21 起系泊事故中， 整个系泊 系统失效的事故至少有 8 起， 其中个别事故中船 体产生了大范围的漂移。此外， 即使只有单根锚 链失效， 也可能引起严重的后果。比如， 引起船体 漂移、 立管断裂、 被迫停产， 甚至可能会泄漏少量 碳氢化合物等， 这是由于单根锚链的失效， 通常会 加重其他锚链的负担， 从而引起连锁破坏。 我国南海油田按海域分为南海东部和南海西 部， 目前共有 9 艘 fpso 在役。南海东部海域油 田浮式设施包括“海洋石油 103” ( 南海发现) 、 “海洋石油 104” ( 南海盛开， fsou) 、 “海洋石油 106” ( 南海开拓) 、 “海洋石油 107” ( 南海胜利) 、 “海洋石油 111” 、 “海洋石油 115” ， 以及最新投入 生产的 “海洋石油 118” ( 恩平 fpso) 在内的共 7 艘 fpso。南海西部海域油田浮式设施包括“海 洋石油 110” ( 南海奋进) 和“海洋石油 116” 2 艘 fpso。南海目前在役的 fpso 均使用内转塔单点 形式。 常见的内转塔式系泊系统主要有 3 种: 浮筒 式转塔系泊系统( btm) 、 沉没式转塔装卸系统 ( stl) ， 以及沉没式转塔生产系统( stp) 3 。自 1997年stp结构首次安装在陆丰22 1油田上 88 2015 年 第 5 期 黄佳， 等: 南海单点系泊系统故障分析 船海工程 第 44 卷 表 1 2000 2011 年间全世界系泊系统事故统计 时间船名水深/m破坏结构事故描述 2001harding buoy1101 个接头1 根链( 共 9 根) 断开。固定插销移位 2002girassol buoy1 402 3 根链， 1 根 聚酯缆绳 3 根链( 共 9 根) 断开。浮体漂移， 但未引起输油管线破坏， 1 个月 后， 另有一根因平面外弯曲而破坏 2003girassol buoy1 4021 根链1 根链( 共 9 根) 断开。2002 到 2003 年间， 共有 5 根受到破坏 2005foinaven4571 根链1 根链( 共 10 根) 断开， 另外 2 根也存在裂缝 2005kumul buoy181 根钢缆1 根钢缆( 共 6 根) 断开， 检测发现其他钢缆也受到破坏 2006varg851 根链1 根链( 共 10 根) 断开 2006南海胜利号2997 根钢缆7 根链( 共 10 根) 在台风中断开。船体漂移致使立管断裂 2006schiehallion3961 根链1 根链( 共 14 根) 在锚链管内断开， 检测发现另外 3 根也存在裂缝 2007kikeh1 3411 个接头一根链的锁环在系缆桩处断开， 同一批其他锁环也韧性不足 2007tahiti1 2500 个接头没有链断开， 然而由于系缆桩冶炼过程存在问题， 采取了加固措施 2008blind faith1 9811 个接头1 根链( 共 8 根) 断开 2008balder1251 根链1 根链( 共 10 根) 断开 2008dalia1 3011 根链1 根链( 共 12 根) 在底部断开 2009fluminense7921 个接头1 根链( 共 9 根) 断开 2009南海发现号1164 根钢缆 遇台风突袭， 4 根链( 共 8 根) 在顶部钢缆段的下端处断开， 船体未 来得及从 btm 上脱离。船体漂移致使立管断裂 2009海洋石油 11318钢架系泊钢架倒塌， 船体大幅度漂移致使立管断裂 2010jubarte1 3413 根链3 根链均在靠下段断开 2011fluminense7921 根链1 根链( 共 9 根) 顶部断开 2011gryphon alpha1224 根链暴风雨作用下， 4 根链( 共 8 根) 断开， 船体漂移致使立管断裂 2011volve ( navion saga)822 根钢缆检测过程中发现 2 根链( 共 9 根) 均在钢缆段底部处断开 2011banff915 根链转塔系泊， 5 根链( 共 10 根) 断开。恶劣天气中， 船体漂移 250 m 注: 鉴于一些事故并未见诸报道， 故实际发生的事故可能更多。 以来， 该单点形式以其布局紧凑， 结构简单灵活的 特点， 越来越受到广泛的关注和使用4 。目前在 我国南海所使用的转塔式系泊系统中， stp 占主 导地位。结构形式示意见图 1。 图 1 stp 结构形式示意 2故障原因 在长期生产过程中， 南海的 fpso 单点系泊 系统出现了各类故障。 本文对南海单点故障进行梳理， 针对其中一 些后果较严重的故障进行分析。其中由于台风引 起的系泊缆及立管重大故障 2 起( “海洋石油 103” ， “海洋石油 107” ) ， 由于设计缺陷引起的系 泊系统故障 2 起( “海洋石油 107” 、 “海洋石油 111” ) ， 由于设计缺陷引起的转塔结构故障 1 起 ( “海洋石油 110” ) ， 由于建造及安装过程中的人 为因素故障 1 起 ( “海洋石油 115” ) 。 2 1环境条件恶劣难以准确预报， 且超过单点的 设计标准 台风属于极端环境条件， 其特点为破坏性极 强却又难以准确预报， 易导致系泊缆断裂， 使得船 体发生较大漂移， 从而引起立管破坏， 这种故障需 要很长时间的停工修复， 损失较为严重。 “海洋石油 103” ( 南海发现号) 2009 年 9 月 14 日遭遇 “巨爵” 台风， 风速达35 m/s。单点未能 及时进行解脱引发事故。事故中 fpso 最远漂移 722 m， 导致系泊锚缆断 4 根， 水下生产立管和电 缆损坏。 “海洋石油 107” ( 南海胜利号) 原本系泊系 统即有缺陷， 计划开始系泊抢修项目前， 在 2006 年 5 月 17 日遇到超过百年一遇的强台风， 超过单 点设计标准。造成断 6 根锚缆， 水下生产立管损 98 2015 年 第 5 期 黄佳， 等: 南海单点系泊系统故障分析 船海工程 第 44 卷 坏， 被迫停产维修。 此外， 海洋石油 106( 南海开拓号) 、 海洋石油 110( 南海奋进号) 系泊系统也曾因台风出现部分 损伤。 2 2设计缺陷引起的系泊系统及转塔损伤及故障 设计时考虑不周或受限于当时的设计理念， 系泊系统在部分节点存在应力集中、 过度疲劳等 情况。设计环境条件低于实际环境条件等。通常 情况下， 锚链的破坏大多发生在分段的接头处， 或 者材料不连续的地方。例如， 系泊索与船体连接 的导缆孔; 系泊索不同分段( 如链和缆) 之间的连 接处; 系泊索与地面接触的地方等。系泊结构在 设计和分析的时候， 通常假定为只承受拉应力， 忽 略其压力、 弯曲应力和扭转应力。然而， 正是这些 在设计中被忽略的应力， 直接或间接导致系泊结 构的破坏。 “海洋石油 107” ( 南海胜利号) 在台风事故 发生前就存在系泊缆的缺陷。多条系泊缆出现断 丝， 阴极保护电压不足。原计划在 2006 年 6 月开 始更换已断丝的系泊钢缆。结果在计划开始系泊 抢修项目前， 遇到超过百年一遇的强台风， fpso 系泊系统发生极其严重的损坏事故。系泊缆断丝 主要发生在系泊系缆上、 下钢缆与中水浮筒连接 处附近， 其主要原因是波浪和内波流作用下产生 的疲劳损伤。损坏最严重的 2 根锚链与主波向和 内波流方向基本垂直， 而与主波向和内波流方向 基本平行的方向上的锚链损伤很轻或没有损伤。 此外系缆中间浮筒支撑结构设计不合理， 当浮筒 绕系缆轴心摆动时， 系缆将跟浮筒同步转动。 “海洋石油 111” 除了出现系泊缆松股、 断丝 等情况外， 还有配重块破损、 脱落的故障。配重块 本身重量较大， 由于系泊链的上下运动产生的冲 击载荷较大， 使配重块产生疲劳损坏。配重块接 触面之间无固定在冲击过程中容易产生位移， 而 形成附加的剪切应力， 增加了螺栓以及配重块破 损的可能性。当 fpso 发生位移或升沉运动时， 配重块随系泊缆上下运动， 与海底发生碰撞， 承受 较大的与海底产生的冲击载荷， 当 fpso 运动较 为剧烈时配重块承受的冲击载荷将更大。此外由 于连接螺栓结构形式及材质的问题， 螺栓腐蚀破 坏、 螺栓孔损坏等， 都是配重块大量脱落的成因。 2005 年 9 月 25 日“海洋石油 110” 遭遇超强 台风( 气象预报 2 min 平均风速为 55 m/s) ， 单点 转塔结构受损。圆锥体形 stp 浮筒下沉 4 cm， 单 点舱进水。从系统可靠度设计理论看， 设计需要 改进。目前单点系统保证 stp 浮筒与船体不发 生转动的惟一措施是上下接合环之间的静摩擦; 该静摩擦力又是靠预紧提升力实现的。一旦预紧 提升力减小， stp 浮筒与船体就面临转动的风险。 对于这一点作业方和设计公司原先都没有认清。 自该条 fpso 投产以来直至发生故障， 锁紧装置 液压活塞缸的压力从来没有调升过， 预紧提升力 无法维持所需的大小。 2 3建造及安装过程中的缺陷引起的系泊系统 故障 海洋石油 115 锚泊系统于 2007/2008 完成海 上安装， 在 2009 年以及 2010 年的检测中发现两 个问题: #3 锚缆 27 40 m 处有断丝; #2 锚缆相比 其他锚缆较为松弛， #2 系缆的着泥点距 stp 中心 距离较#1 和#3 近 30 m， 系泊角度偏差较大。 经过分析， 系缆受损的原因为外力机械磨损， 通过各方面记录认定#3 系泊缆受损原因为 fpso 油船回接单点系泊系统时与工程船擦碰所致。 此外， 安装过程中出现失误， 导致#2 系缆的 系固点偏移原位置 30 m， 进而使得#1、 #2、 #3 系缆 松紧度不一， 使整个系泊系统无法达到设计定位 能力。 2 4系泊系统腐蚀退化、 疲劳损伤等 系泊系统超期服役、 腐蚀退化及疲劳等损伤 是一个长期积累的过程， 表现为系泊链的锈蚀， 系 泊缆的断丝等， 通常不会在第一时间爆发出来， 若 缺陷及故障不能及时排除， 会给安全造成重大隐 患。 譬如 ， “海洋石油 103” ( 南海发现号) 于 1990 年改装成 fpso， 船体与单点设计服务寿命都是 10 年。截至 2009 年， 浮筒与系泊缆已经使用了 19 年， 属于超期服役， 但浮筒与系泊缆从未进行 大检和延寿工作。在 2009 年 9 月 14 日遭遇台风 时， 系泊缆多根发生断裂。 2 5维护维修不及时 “海洋石油 107” 原计划最早在 2006 年 6 月 开始更换已断丝的系泊钢缆。结果 2006 年 5 月 19 日， 在计划开始系泊抢修项目前， 遇到超过百 年一遇的强台风， 系泊系统发生极其严重的损坏 事故。 而如能对系泊系统定期维护， 及时更换出现 09 2015 年 第 5 期 黄佳， 等: 南海单点系泊系统故障分析 船海工程 第 44 卷 缺陷的系泊缆及其他系泊构件， 则能避免此类重 大事故。作为典型案例， 2009 年 9 月 14 日 ， “海 洋石油 106” ( 南海开拓号) 也遭遇“巨爵” 号台风 正面袭击。当时南海开拓号 fpso 新换 2 根钢 缆， 且正好与该台风产生的波浪荷载作用方基本 一致， 使其成功经受最大 94 kn 强风的考验。 3改进方案 通过故障分析， 认为可以从以下几方面着手 加以改进， 在今后单点系泊系统的使用过程中减 少故障率， 避免重大损失。 1) 增加环境条件预报精度。在南海油田增 加海上( 现场) 气象预报站， 增加气象预报频次; 在( 海上) 现场增加海流和海浪的观测设备; 在台 风应急反应中加大现场管理人员的决策和参与力 度。 2) 根据南海实际环境条件选择单点类型。 南海海域环境条件比较恶劣， 且随着技术的更新， 推荐采用内转塔式系泊系统， 对于新建 fpso， 系 泊系统按照台风期间不解脱标准进行设计; 但建 议采用可解脱装置， 其技术成熟、 使用情况良好， 且海总对于这种系泊系统有相当多的操作经验， 另外系泊系统的布置建议采用分组型式， 相对于 单根锚链散布型式能够提高系泊系统的可靠性。 3) 完善系泊系统设计。过去为了节省系泊 系统的钢材， 会根据当地海域的环境条件的方向 性设计系泊系统。但是由于台风的方向是多变 的， 会以意想不到的方向到达 fpso 所在海域， 这 将导致方向性设计的系泊系统不再满足设计要求 而损坏。建议单点设计应考虑实际的环境条件方 向组合。 过去的系泊系统的靠近海底段的系缆端部未 安装限弯接头， 导致在靠近海底的系缆重复性的 与海底碰撞造成磨损， 加速锈蚀， 易于产生疲劳损 伤。在未来的设计中， 建议在此区域均安装限弯 接头， 保护系缆。此外， 适当优化确定系泊钢索长 度可以避免出现钢索与锚链连接处与海底不断发 生碰撞。系泊钢索外部加装抗磨损性能良好的塑 料护套也能产生一定的保护作用。 在系缆需要安装浮筒的设计案例中， 将系泊 钢索中间接头下面的三角板改为万向接头， 与一 个圆柱型连接板组合的结构， 保证让水中浮筒能 绕两段系泊钢索端接头的中心连线自由转动， 同 时也让中间浮筒前后摆动， 可有效减缓系泊缆与 浮筒连接处的疲劳损伤。 此外， 在对锚链结构进行设计时， 应考虑如何 在不更换整根锚链的前提下， 方便地对存在问题 的部分进行更换。船上的绞盘等装置在锚链最初 安装后， 仍应定期保养以保证其始终能够顺利工 作。 配重块的结构设计不当， 容易导致在未来的 使用过程中脱落， 从而降低系泊系统的能力。可 优化设计配重块形式; 或者直接焊接配重块， 而不 采用螺栓连接的方式。 4) 定期进行安全检测， 加强维护。为提高系 泊系统的安全性。当下最有效的方式是采取严格 的检查、 监督机制， 有效评估系泊系统的安全状况 和老化形势， 并对系泊系统的张拉状态进行持续 不断的监测。 与船体连接的顶端链以及钢缆部分最容易老 化， 遭受破坏的概率最大， 因此在检测时需要重点 关注。此外， 对于整根系泊锚链来说， 重量不连续 的地方也极易受到破坏。以下 4 个部位作为“破 坏临界区域” ， 需要定期进行仔细检查: 导缆孔处 的顶端链、 钢缆部分、 连接处及与海底接触部 分 5 。 在检测的具体操作层面面， 除了用 ov 进行 外观检测之外， 还要利用潜水员进行 cvi 或 ndt 检测， 主要包括: 浮筒、 锚链， 水下基盘整体外观、 涂 层情况及阳极块损耗和电位测量， 锚链完整性状 况、 有无销子脱落及断丝等。以上检测如果海生物 密集需先清理海生物。还可在船体与单点的锚缆 上增加监测设备， 如应力传感器， 锚链倾角仪等。 5) 安装并有效利用单点在线监测系统。 很多系泊系统并未安装用于评估系泊安全性 的监测装置， 一些船级社的规范中对此也无明确 要求。然而， 安装这样的监测装置， 其成本并不是 很高， 但却可以有效控制系泊系统失效的发生概 率， 降低泄露风险， 保证人身安全， 减少系泊系统 故障后长时间维修所引起的经济损失。 常用的检测装置有: 通过载荷单元直接测 量张力变化; 通过倾角仪测量倾角并推算张力。 两类装置都可以最终得到锚链张力数据， 并将其 应用到锚链分析中， 从而确定锚链实际状态。 监测装置的安装设计应该交由系泊工程师承 担， 保证安装的监测装置在使用有效期内具有充 19 2015 年 第 5 期 黄佳， 等: 南海单点系泊系统故障分析 船海工程 第 44 卷 足的可靠性。此外， 要求负责监测的工作人员对 一些物理现象具有深入的理解和认知， 否则将可 能导致记录的数据有误或不完整， 使相应的监测 装置无法发挥其应有的作用。 6) 完善安装程序及责任机制。单点系泊系 统安装时， 提前做好安装计划， 加强安装过程中的 管理与监督， 做到每一步安装准确、 到位， 避免安 装失误的产生， 避免在安装过程中工程船对系泊 缆的刮碰事故。 7) 提前准备备件。近几年来因按照常规工 程方法考虑更换受损钢索设计方案而经常遇到材 料备件采办交货期长和施工船舶资源动员准备时 间长等困难， 导致无法及时落实各项应急抢修补 救措施。可提前购置一条备用钢索及一组备用接 头构件， 以备不时之需。 参考文献 1杨光， 翁海龙， 刘 敏 单点系泊结构及安全事故 分析 j 珠江水运， 2000( 11) : 20 22 2ma k t ， duggal a a historical review on integrity issues of permanent mooring systemsc otc24025， houston， 2013 3刘志刚， 何炎平 fps