浮式储油卸油船(Floating Storage and Offloading,FSO)是集内输、存储和转驳为一体的海上原油中转站,具有适应水深范围广、移动灵活和储油量大等特点,是海洋石油开发中非常重要的工程设备之一^[1].与浮式生产储卸油装置(Floating Produciton Storage and Offloading,FPSO)不同的是,FSO上没有生产模块,不能对开采出的油进行处理.近年来随着原油价格下跌,散货及油轮市场越发不景气,大量大龄油轮又面临新的规范规则限制,亟待改装或报废.与此同时,海上油田开发突飞猛进,船舶改装技术日益进步.选用先进的、适用的技术与设备,将废旧超大型油轮(VLCC)改装为FSO/FPSO,具有更高的性价比,有利于降低初始投入,提高运营效益,能早日收回成本^[2].因此,探讨对FSO原油输储驳系统内输与存储、浮筒外驳、油船转驳三大关键工艺流程及其相应的关键设施和适用设备的选用研究具有重要意义.

FSO原油输储驳系统主要由中小型专用穿梭油船(DP)、浮式储油卸油船(FSO)、悬链锚腿系泊浮筒、大型穿梭油船及相应挠性立管和海底刚性输油管组成.FSO通过内输作业流程完成原油内输与存储作业,借助艏部系泊外驳设备和悬链锚腿系泊浮筒完成原油外驳作业.

内输作业主要由具有动力定位(Dynamic Positioning)的中小型穿梭油船和FSO完成. 图 1为艉部内输系统示意图.DP在油田处装满原油,航行至FSO的艉部附近,FSO用撇缆枪将撇缆和先导索抛到DP上,DP牵引绞车将先导索及前端摩擦链拉上船并固定在掣链器上,后端摩擦链固定于FSO掣链器上,完成DP和FSO之间的系泊作业.将FSO的输油软管接到辅助拖船上,辅助拖船将其拖至DP中部集管区,借助吊机与DP输油管路连接.打开DP输油阀门,原油通过输油管路进入FSO指定油舱内,开始内输作业.内输作业完成后,关闭输油阀,收回输油管并解除两船之间的系泊.FSO利用油管卷车和系缆绞车将输油软管和撇缆索、摩擦链、先导索等收回.最后,用水冲洗输油管并填充惰性气体进行惰化^[3].

图 1

图 1 艉部内输系统示意图 Fig.1 Schematic diagran of stern infloading system

承担外驳作业的外驳系泊设备(Offloading系统)共分为三大模块:艏部外转塔式外驳系泊装置、海底输送系统、悬链锚腿系泊浮筒.

(1) 艏部外转塔式外驳系泊装置.该装置集单点系泊和转塔外驳功能为一个整体,主要由转塔、液体传输系统、转塔旋转系统、界面连接系统四个部分组成^[4].

(2) 海底输送系统.该系统由与艏部外转塔式系泊装置相连的高弯度S型挠性立管(S-shaped risers)、海底管路终端PLET(Pipeline End Termination)、海底刚性输油管道、FSO集中控制的管道终端管汇PLEMs(Pipeline End Manifolds)及与浮筒终端相连的高弯度S型挠性立管组成,实现FSO的原油海底输送.

(3) 悬链锚腿系泊浮筒(CALM buoy).浮筒与FSO间距为2.5 km,通过悬链锚腿固定在海床上,由旋转接头、驳油管汇和系泊臂等装置组成^[5],是原油外驳的终端设备.

外驳作业流程分为两种工况:DP与大型油轮交错时间抵达或同时抵达.

(1) 工况一:DP与大型油轮交错时间抵达.DP执行流程一的操作,将原油内输至FSO油舱内存储,等待大型油轮外驳.FSO借助艏部外转塔式系泊装置,通过海底输送系统与浮筒终端相连,大型油轮由缆绳系泊到浮筒上.外驳时,FSO启动驳油系统,货油泵(4 000 m³·h^-1)、计量设备(Metering Unit)、液压动力单元及供电系统等开始工作,舱内原油经由甲板上的计量设备、艏部外驳设备、海底输送系统,输送至浮筒终端,浮筒上的驳油设备经漂浮的输油软管与大型油轮集管区相应输油管相连,将原油驳送至大型油轮.
(2) 工况二:DP与大型油轮同时抵达.当DP与大型油轮同时抵达FSO附近时,不需执行流程一.原油不进入FSO油舱,而是经DP自备的计量设备、FSO内输设备、主甲板上的输油管旁通阀、增压泵,通过FSO艏部外驳设备、海底输送系统,将原油驳送至浮筒终端连接的大型油轮,完成直接驳送.

对FSO自身而言,原油输储驳无论采取哪种工艺流程,均需启动原油内输设备(Inloading系统)和外驳系泊设备.从提高FSO整体性能的角度考虑,原油内输设备和外驳系泊设备的选用,必然是FSO技术与设备选用的重中之重.

FSO通常是从艉部抛送输油软管进行纵向内输作业,通过船首外驳系泊设备将其固定进行外驳作业.据此可对FSO原油内输设备和外驳系泊设备的选用与设计进行深入全面的研究.

原油内输设备是FSO的重要组成部分,对输油管抛送和连接的便利性、可靠性要求甚高.原油内输系统布局可分为艉(艏)部纵向系统和舷部横向输油系统.输油管采用软管系统,有漂浮式(简易式、改进式)、卷筒式、滑道式之分^[6].纵向输油系统中,DP往来于油田与FSO之间,FSO从艉部抛送输油软管给DP,进行原油纵向内输作业.

经过对比后,决定采用艉部纵向卷筒式输油系统,设备布置情况如图 2所示,其主要组成为:① 输油管及油管卷车;② 系缆索及系缆绞车;③ 艉部导缆孔;④ 服务吊机,安装在艉部输油区;⑤ 掣链器,其可就地应急释放,也可在中央控制室(CCR)中应急释放;⑥ 液压控制台,设在艉部右舷内输软管正下方的舵机舱内,主要功能包括控制输油软管绞车和系缆绞车、启/停液压泵站的马达和指示液压系统的压力,安装在油管卷车的平台上;⑦ 阀箱、蓄能器和可编程控制器(PLC)控制箱集成为一个单元,设置在艉部右舷内输软管正下方的舵机舱内;⑧ 辅助和启动器控制箱集成为一个单元,设置在艉部右舷内输软管正下方的舵机舱内;⑨ 应急输油管及油管卷车;⑩ 应急系缆索及系缆绞车等.

图 2

图 2 卷筒式输油设备 Fig.2 Reel-type oil transporting device

外驳系泊设备是FSO 最关键的设备,技术先进、运行可靠是选用设备的唯一出发点.系泊系统包括单点系泊系统和多点系泊系统,单点系泊是指锚泊系统与船体只有一个接触点,多点系泊是指锚泊系统与船体有多个接触点^[7].经研究,首先确定采用单点系泊设备.单点系泊的最大特点是“点系泊”,较灵活,可适应水流和风向的变化.美国船级社将单点系泊系统分为悬链锚腿系泊系统、单锚腿系泊系统、转塔式系泊系统和软钢臂四大类^[8],无不技术复杂,设计和建造的难度很大.单点系泊又要兼顾外驳设备,更增加了设计和建造的难度.

经多方对比,采用美国SOFEC公司研发的艏部悬臂式外转塔式外驳系泊系统(cantilever external turret mooring system),是悬链锚腿系泊和转塔式系泊相结合集系泊、油气和电力输送为一体的外驳系泊系统^[9]. 图 3为悬臂式外转塔式装置示意图.其转塔转头顶甲板与底甲板均为焊接钢结构筒体,与FSO的船体艏部伸悬臂钢质构件固定连接,形成转塔与船体的单点连接,同时构成转塔360°旋转主轴承装置的安装基座.转塔下部由系泊锚链固结于海底,相对于海底固定.借助基座上360°旋转主轴承装置,FSO可绕转塔360°转动,从而形成单点系泊.

图 3

Fig. 3

图 3 悬臂式外转塔式装置示意图 Fig. 3 Schematic diagram of cantilever external turret mooring unit

艏部悬臂式外转塔式外驳系泊系统所有附属设备纵向布置在不同的作业平台. FSO 借助单点系泊构件绕转塔旋转,借助轴承减少旋转摩擦力,在风、浪、流的作用下产生“风向标效应”^[4],尽可能保证FSO正向迎浪,处在最小受力位置,从而降低系泊负荷,缓冲风浪对系统的冲击,减小应力影响.

外转塔式系泊系统主要由单点系泊系统、原油传输系统、转塔旋转或转台系统、界面连接系统四部分组成,转塔式系泊装置剖视图如图 4所示.按其具体布置情况及功能,设备自上而下分为四层平台.

(1) 转塔通道平台,如图 5所示.该层设于转

图 4

Fig. 4

图 4 转塔式系泊装置剖视图 Fig. 4 Section view of turret mooring unit

塔通道甲板之上,主要布置通向转塔的通道,塔中处为旋转堆栈,偏左舷处为扭矩臂支撑架;FSO主体的外驳管路及电缆都在此层与单点系泊装置相关系统连接,是原油外驳装置的输入端口.

(2) 操作平台,如 图 6所示.设于第一层甲板,单点系泊的控制面板及主要电气开关设置在该层,原油外驳管路通过转塔通道输至该层,其总管及阀件均在该层操作,即外驳系泊装置控制平台.

图 5

Fig. 5

图 5 转塔通道平台 Fig. 5 Turret channel platform

图 6

Fig. 6

图 6 操作平台 Fig. 6 Operating platform

(3)主甲板和牵引平台,如 图 7所示.该层设于转塔转头顶甲板,设有两台牵引绞车,通过四个不同位置的固定式导向轮及两个可移动式锚链腿导向轮,经由8只带盖锚链筒,回收系泊锚链;原油外驳管路经由此层继续向下延伸.

(4)锚链平台,如 图 8所示.平台设于锚链中间甲板,12只锚链系泊腿的系泊力通过底部的主轴承传递到转塔上,并将FSO定位于基地;两套外驳油管路在此层平台连接高弯度S型挠性立管,经由导向器深入海底;另有脐带缆(Umbilical),它是电缆(动力缆或信号缆)、光缆

图 7

Fig. 7

图 7 主甲板和牵引平台 Fig. 7 Main deck and traction platform

图 8

Fig. 8

图 8 锚链平台 Fig. 8 Anchor platform

(单模或多模光缆)、液压或化学药剂管(钢管或软管)的组合,能为水下管道终端管汇PLEMs提供液压通道,并传递上部平台的运行信号.

艏部悬臂式外转塔式外驳系泊系统的最大特点是单点系泊、结构简单,在正常操作条件下,转塔、主轴承、锚链、立管连接部分以及转塔均位于水面之上,便于检查和维修,后期维护费用大大降低^[10].

由于转塔式单点系泊装置具有快速解脱与回接的功能^[7],国外许多公司认为它是性价比最高的单点系泊装置,适用于在气候、水文条件恶劣或深水海域作业的大型浮式储油卸油船.

浮式储油卸油船/浮式生产储油卸油船(FSO/FPSO)改装过程中,原油内输与外驳系泊设备的选用是技术设备选用的重中之重.选用的艉部纵向卷筒式内输设备和艏部悬臂式外转塔式单点系泊外驳设备,虽然技术复杂,造价较高,但在使用操作、后期维修、安全性和经济性方面,均领先于国内乃至世界以往选用的同类设备,可供将来FSO/FPSO改装设计的设备选型参考.