苗宗叶中海油能源发展股份有限公司销售服务分公司 天津 300457

FPSO限位作业中载荷分析及拖轮配置

苗宗叶
中海油能源发展股份有限公司销售服务分公司 天津 300457

浮式生产储油轮（FPSO）为现今海洋石油开发的主流设施之一，其生产运营期间通过单点实现与其他生产设施的连接与FPSO的定位。为了保证在FPSO旋转半径内有施工需求时，不影响正常的生产运营，需要对FPSO进行限位作业。本文以渤海明珠号”FPSO在BZ25-1油田的限位作业为例，分析作业海域环境条件，计算FPSO所受到的风、流等环境载荷，确定限位方案、拖轮及其相关属具的配置，对保证FPSO海上作业安全性有着重要的意义。

FPSO；限位；载荷分析；拖轮配置

引言

FPSO（floating production storage and offloading）即浮式生产储油轮是一种庞大的综合性海洋石油生产基地，可以在其系统中完成石油天然气的生产加工、内部储存、外部输送及生活、动力供应的一整套过程。投入使用至今，FPSO以其经济性、多功能性、海域适用性、可靠性等优势，被广泛地应用于浅海、深海和边际油田的海洋石油开发中，成为了各国海上石油工程发展的重要领域。

FPSO通过单点（SPM）与油田其他生产设施连接，在风、流等外力的作用下，FPSO会围绕着单点做自由旋转。

引言

FPSO（floating production storage and offloading）即浮式生产储油轮是一种庞大的综合性海洋石油生产基地，可以在其系统中完成石油天然气的生产加工、内部储存、外部输送及生活、动力供应的一整套过程。投入使用至今，FPSO以其经济性、多功能性、海域适用性、可靠性等优势，被广泛地应用于浅海、深海和边际油田的海洋石油开发中，成为了各国海上石油工程发展的重要领域。

FPSO通过单点（SPM）与油田其他生产设施连接，在风、流等外力的作用下，FPSO会围绕着单点做自由旋转。但是，在生产运营期间，在FPSO旋转半径范围内可能会有大型船舶进行施工，为了保障油田开发和单点系统的日常维保，此时就需要施加外力（通常为拖轮拖带方式）将FPSO稳定和控制在一定的范围内，避免FPSO与靠近附近施工的其他设施发生碰撞等，这项作业称之为“限位”。在限位作业过程中，应根据FPSO作业区域的风、流等自然环境，准确分析FPSO受风、流等载荷的影响，合理选配拖轮，制定详细作业计划，确保限位作业安全成功。

本文以“渤海明珠号”FPSO在BZ25-1油田（SPM位置38°13′25.854″N 119°07′16.908″E）的限位作业为例，分析并计算其限位作业中的载荷，确定在FPSO稳定与控制过程中的拖轮布置等内容。从实际工程的角度，分析作业过程的极限载荷并讨论风险规避，确保整个控制过程中单点系统和作业船舶的安全性。

一、FPSO参数与环境条件

1.FPSO船体参数

“渤海明珠号”FPSO载重58000吨，采用软钢臂单点系泊装置进行定位作业，主要服务海域为渤海，工作水深为30m以下，属于浅水。其主尺度如表1所示。

表1 FPSO主尺度

2.油田环境参数

目标FPSO的作业油田地理位置前文中已给出，其中具体的风、浪、流等环境参数如表2所示。

表2 风、浪、流的极值条件

二、环境载荷计算分析

分析中风向和流向与FPSO的入射角定义如图1所示。

图1 风向和流向与FPSO的夹角定义

1.风载荷与流载荷

FPSO所受风载荷与流载荷采用OCIMF出的公式与系数计算。风载荷、流载荷计算公式见式（1）、（2）。

式中：

载荷分量分别对应风、流引起纵荡力、横荡力及首摇力矩；

其余为风力系数与流力系数，是风、流相对于FPSO的入射角的函数，其值通过试验获得。

根据以上公式分别计算和分析了在满载状态（吃水=11.7m）下和压载状态（吃水=8.423m）下，单位风速（1m/s）下作用于FPSO的风力和风向的关系和单位流速（1cm/s）下作用于FPSO的流力与流速的关系（由于受本文篇幅的限制，在此不再列举出来）。

2.最大单位载荷

根据计算与分析结果，可以得出：当风向、流向与FPSO成90°时，FPSO遭受到最大的单位载荷，具体结果如表3所示。

表3 最大单位载荷

三、限位拖轮配置

根据实际工程施工过程中工程船布设锚的方位和锚缆长度的要求，FPSO的允许活动范围如图2所示，即要求FPSO被稳定在首向角为118°至235°的117°范围内。

图2 FPSO限位图

根据环境资料，BZ25-1油田海域的海流为往复流，主流向约为涨潮时112.5°左右、落潮时292.5°左右。再考虑到施工作业限定条件（参见图2），本次限位作业确定FPSO被控制在首向角为120°左右的位置，如图3所示。

图3 FPSO的被限位置

为了稳定和控制FPSO，保证单点系统和作业船舶的安全性，结合前文中的计算与分析结果，本次限位作业采用2条输出拖力大于50t的拖轮来实现对FPSO的控制。针对不同的海况，具体的拖轮布置方案可采用如下两个：方案一：No.1拖船布置在FPSO的尾部，主要作用为抵抗环境载荷中风、流的转船力矩，使FPSO稳定在被控位置；No.2拖船布置在FPSO中部(离单点距离约70m），主要作用为抵消不平衡力，保护单点系统的安全。方案二：No.1、No.2拖船均布置在FPSO的尾部，即No.2拖船移至FPSO的尾端左舷或右舷，与NO.1拖船一起抵抗环境载荷中风、流的转船力矩，稳定FPSO，保证限位作业达到应有的效果。

四、风险规避及拖缆、拖点要求

1.风险规避

在海况较好的条件下(风力不超过三级，海况不超过二级)，稳定和控制FPSO时出现误操作的可能性相对较小。而当海况变化恶劣(风力超过三级，海况二级以上)的情况时，稳定和控制FPSO时则相对较容易出现误操作，可以从以下几方面出发来规避风险，避免误操作的发生：

⑴在拖船选择上，尽可能使用操纵性能好、拖力高的拖船，如：ZP型、VSP型拖船。

⑵拖缆必须选择质量好、强度大的拖缆，出缆的长度应足够。拖缆系于缆桩上，应采用∞字形，且道数应足够，防止受力后滑出。拖船拖力宜渐次增大，以防止在拖缆上冲击张力的产生。

⑶拖船必须保证就位良好，且在拖船与FPSO之间保持不断的通信联系，使得拖船能够及时的了解风向、风速、FPSO首向、潮流情况等，以便作业顺利进行。

⑷当FPSO被控制在规定的位置后，可适当松缓拖缆，允许FPSO在允许的范围内自由运动，此操作方式可以减小单点受力，降低发生风险的可能性[7]。

⑸当No.1拖船发生故障时，No.2拖船应及时移到尾部替代No.1拖船。

2.拖缆确定

对于拖缆的选取，基于Mooring Equipment Guidelines （1997），OCIMF（Oil Companies International Marine Forum）的要求进行。本文所选用的拖船拖力为50吨，拖缆效率为70%，最大允许拉力为最小破断负荷的55%。那么：

⑴若拖缆采用钢丝绳：最小破断力（吨）＝拖船的横向最大拖力/（0.7*0.55）=130（吨）。

⑵考虑到钢丝绳使用不方便，还可以选用尼龙绳，但其强度应增加20%（尼龙缆在潮湿状态下，其强度减弱20%）。即当拖缆为尼龙绳时：最小破断力为：1.2*130 =156( 吨)。

基于以上分析，本次作业选用的拖缆为直径120毫米尼龙绳(8股)，最小破断力为166吨。

为充分发挥拖船的有效拖力，保证操作的灵活性以免使拖缆承受更大的张力，应使拖缆有最小的俯角，一般情况应小于15°，即：拖缆长度应大于FPSO拖缆出口至水面高度的4倍以上，最小长度为45米，根据天气情况和周围海域作业环境的变化，适当调整拖缆的长度。

3.拖点强度

FPSO甲板上的带缆桩的安全工作载荷(SWL)应大于70t，如图4所示，否则的话，应进行相应的加强措施。

图4 FPSO甲板带缆桩安全工作载荷要求

五、结论

随着世界各沿海国家对于海洋资源的开发，FPSO凭借着诸多优势成为了现今海洋石油开发的主流设施之一。在我国的海上石油开采中，渤海油田开发占有着重要的地位，由于工作水深较浅，FPSO多采用软刚臂式的单点系泊方式，围绕着单点自由转动。有时出于施工要求，需要将FPSO限定的一定的角度范围内，即限位作业。本文通过以BZ25-1油田作业的“渤海明珠号”FPSO为例，分析并计算其限位作业过程中的环境载荷，确定拖轮配置，稳定和控制FPSO，保证海上石油生产的同时降低作业的安全风险，具有较高的工程实用价值。

[1] 肖龙飞,杨建民. FPSO水动力研究与进展［J.海洋工程,2006,24(4):116-123．

[2] 刘志刚,何炎平. FPS0转塔系泊系统的技术特征及发展趋势[J].中国海洋平台.2006(5):1-6.

[3] 李士涛,于长生,商涛，等. 不停产状态下运用单拖轮对FPSO 限位的可行性研究［J］. 中国造船，2012，53(S2):316-320．

[4] Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floting Structures［S］． Recommended Practice 2SK，3rd Edition，America: American Petroleum Institute，2005．

[5] OCIMF，Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs［S］．2nd Edition，England: Oil Companies International Marine Forum，1994．

[6] Van Oortmerssen. The Motion A Ship in Shallow Water[J]. Ocean Engineering. 1976, 3(4): 221-255.

[7] Yang J M, Xiao L F, Peng T, et al. Experimental Research on Motion Performance of Large FPSO in Shallow Water[C]. Proc. of the 3rd New S-Tech Conf. Kobe, Japan:2002.

中海油液货外输终端（码头）与船舶匹配性研究（HFXMLZXS2016001）

【作者简介】苗宗叶(1975～)，男，汉，中海油能源发展股份有限公司销售服务分公司，船长，研究方向：海洋石油开发。

Load analysis and tug configuration during FPSO position limiting operation

Miao Zong-ye，CNOOC Energy Technology & Services-Marketing Services Co.Ltd, Tianjin，300457

Nowadays FPSO is one type of the mainstream offshore oil development facilities. During its production, it can connect with other production facilities and f x the FPSO position via a single point. In order to guarantee that there is no impact on the normal production when there are construction requirements in the FPSO rotating radius, the FPSO should be limited in a f xed position. This paper takes the position limiting operation of “Bo Hai Ming Zhu” FPSO as an example, which locates in BZ25-1 oilf eld. It determines the position limiting scheme, and the tug and relevant f ttings required by analyzing environmental conditions of the sea area and calculating the environmental loads such as wind, f ow and so on. It is of great signif cance to ensure the safety of FPSO operation on the sea.

FPSO；position limiting operations；load analysis；tug conf guration

U698.6

A

杨旭（1985～），男，汉，中国石化集团金陵石化公司烷基苯厂，高级工程师，研究方向：炼化设备管理和设备国产化工作。