FPSO单点系泊系统分类研究

中 国造船Vol.58 Special 1

Nov. 2017

SHIPBUILDING OF CHINA

文章编号：1000-4882 (2017) Sl-0402-09

FPSO单点系泊系统分类研究

赵秀花，董争

(海洋石油工程股份有限公司，天津300461 )

摘 要

单点系泊技术的兴起、发展和应用，对海洋石油开发和提高海上运输效率起到了重要的作用，本文介绍 了单点技术的概念、起源和发展现状，重点对现有单点系统的分类和技术特点做了阐述，查找相关资料并结 合海上FPSO调研结果，介绍了国内FPSO和单点系泊的概况。

在海上油气田的大开发中，FPSO由于在中深度海域和边际油田的开采中具有独特的优势而得到了广泛 的应用。随着FPSO作业水深的增加和作业环境的变化，对FPSO系泊系统的要求越来越高。深入研究未来

FPSO系泊系统的适应性和可靠性变得越来越重要。

关键词：FPSO;单点系泊系统；单点分类；结构特点；国内单点 中图分类号：TE53

文献标识码：A

〇引言

FPSO是英文Floating Production Storage & Offloading的缩写，中文译为“浮式生产储油轮”。它集

生产处理、储存外输及生活、动力供应于一体。同时它还具有高投资、高风险、高回报的海洋工程特 点。FPSO相当于一座“海上油气加工厂”把来自油井的油气水等混合液经过加工处理成合格的原油或天 然气，成品原油储存在货油舱，到一定储量时经过外输系统输送到穿梭油轮。FPSO系统作为海上油气 生产设施，主要由系泊系统、载体系统、生产工艺系统及外输系统组成，涵盖了数十个子系统。

根据不同海域海况条件，目前世界上FPSO主要采用的系泊方式有单点系泊系统、多点一伸展系 泊系统和动力定位系统。其中以单点系泊系统的应用最为普遍。单点系泊源于英文“Single Point

Mooring”（SPM)。其特点是将FPSO固定地系泊于海床上一点，在海洋风、浪、流的作用下，自由地 围绕系泊点做360°旋转运动，这种运动称作风标效应。在这种情况下，FPSO可以根据风向调节它的

位置，以使对地静止的系泊点环境载荷最小。

1 FPSO单点系泊技术起源和现状

1.1单点系泊技术起源

海洋石油开发是陆地石油开发的延续，经历了一个由浅水到深海、由简易到成熟的发展过程。1958 年，由IMODCO (现为SBM-IMODCO)公司设计的世界上第一套CALM型单点系泊系统成功地安装 于瑞典达拉罗港。这个单点是为瑞典皇家海军研制的，用于军舰的海上加油。其中浮筒直径4.5m，由 四根锚链对称固定，重60t，可以系泊DWT在3,000t的舰船。这套“海上加油站’’的诞生，预示着石油

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海上运输中转的历史将发生根本性的变革。

第一套单点系统先是作为军事设施使用，之后不久则被迁移并改为民用。经过一段时间的理论研 宄和实践验证并不断完善之后，IM0DC0公司提出了一整套完整、成熟的单点系泊系统的设计方案。 现代的单点系泊系统基本保留了这个方案的轮廓，如海底管线，水下软管、浮筒、漂浮软管、系泊缆 等几大部分清晰可分。1.2单点系泊技术发展趋势

纵观单点系泊技术40多年的发展历史，可以看出：它的诞生和发展，与海上石油运输业、海洋石 油开发以及石油化工工业的快速发展有着密不可分的联系。单点系泊技术从简单的系泊技术发展到目 前结构、工艺技术都相当复杂的FPS0系统;7jC深从十余米到860余米;FPS0从当初的2000余吨(DWT) 到目前的数十万吨，充分说明新一代的单点结构更先进、更合理，适应环境范围更广，维修周期更长。 截至目前，全世界的各类单点系泊系统共计580余座，用于FPSO的单点系统也超过150座。其投资 低而又比固定式码头安全、污染机会少，成为当前世界上建设原油装卸港时的首选。具体地说，单点 系泊技术的发展，主要体现在以下几个方面：

(1) 结构多样化，类型齐全

20世纪60年代末，基于单点系泊理念的同时，为解决塔式单点（Fixed Tower)容易被油轮碰撞 缺陷，世界上又衍生了单锚链腿系泊（SALM)系统，并由此而延伸出一种深水悬链锚腿系泊（CALM) 系统和“柱式”单点，由此延伸的单点系泊更能适应恶劣环境，机械化程度也更高，但同时其检查、维 护费用也更高。

(2) PDU的通道更多

“产品分配器”（Production Distribution Unit)，简称PDU，或称之为Swivel“旋转接头’TDU是单点的核心部件。在单点系泊技术的发展过程中，PDU的不断完善和变革占据了相当大的比重，也显示 技术的日臻完善。初始的单点，PDU的结构往往非常简单，直径也很小，一般地只允许一、两种流体 通过。随着技术的不断发展与深化，新一代单点的PDU可以有多个通道，亦即可以通过数种不同性质 的流体。如CALM系统的PDU已达到5通道，而FPSO型则甚至可与34根导管连接。对前者而言， 意味着油轮可以通过单点输送/装载数种油气产品，突破了一、两种产品的限制，并能同时进行燃料油、 淡水、压载水等加载操作，大大增加了单点功能；对后者而言，FPSO系统可以同时采集数十口油井的 原油，并能根据其不同品质类型进行油气分离、油水分离、分类储存等预处理程序。

(3) 注重环保

环保问题一直是单点设计人员重点考虑的问题，如果发生原油或其他化学物品的海洋污染，后果 是不堪设想的。因此增加单点设施各部件的密封性和可靠性，结构先进、材料可靠的设计成为新一代 单点发展的趋势之一，以防止石油污染。如浮筒采用全焊接的水密舱结构，浮筒本身提供足够的浮力; 软管使用双层结构的防污软管，一旦结构层发生泄漏，可以通过检查层间阀门及时发现，同时防污染 层结构还可以承受系统压力，便于业主及时更换此软管，以防引起海洋污染。

(4) 更易维护

与码头相比，单点具有投资少、建设周期短、见效快等特点。由于大部分单点距岸较远，作业和 维护需动用船只等特点，单点建成后的维护费用相应增加也是不争的事实。因此，设计制造性能稳定, 故障率低，维护周期和使用寿命长的单点将是单点系泊设计、制造商们要重点解决的问题。1.3国内外单点系泊技术现状

中海油将FPSO用于开发近海油田始于1986年[1]，将旧油船改造成FPSO用于涠洲10-3油田的开 发，命名为“南海希望号”。这是我国海上油气开发应用FPSO的开始。经过22年的跨越式发展，中国

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海油目前使用和在建17艘FPSO,其中国内16艘、国外1艘（印尼，海洋石油114号)，分布于渤海 和南海，作业海域水深从20多米到330m不等，FPSO的载重吨位从5万吨到30万吨，载重吨位合计 已超过200多万吨。

由于单点系泊系统各部件受力的复杂性，从FPSO系泊支架开始，连同整个系泊系统的设计，目 前大都由国外专门的公司来承担。各部分的旋转部件也都由国外公司作为专利件供货。单点系泊系 统的核心技术即PDU的设计和制造在国内还无法完成，技术掌握在SBM, Sofec, APL和BlueWater 等少数国外大公司手中。所以是否能完成PDU的成功设计，是推动我国自主产权单点系泊技术发展 的关键。

2单点系统的分类和技术特征

根据FPSO作业环境和作业水深p]，采用的系泊系统是不一样的。其分类方式众多。美国船级社ABS

将单点系泊系统分为：悬链锚腿系泊系统CALM( Catenary Anchor Leg Mooring),单锚腿系泊系统

SALM(Single Anchor Leg Mooring),转塔式系泊系统(Turret Mooring)和软刚臂(Soft Yoke)四大类。按照 系泊方式可以分为：塔式系泊、转塔式系泊和浮筒式系泊(BuoyMooring)。但它们工作原理一样.都是 将FPSO通过一定的连接方式固定在海上的系泊点上，使之可随风、浪和水流的作用进行360°全方位的 自由旋转，形成风标效应，以规避风浪带来的破坏力，从而降低系统在风浪流外界干扰力作用下的环 境载荷和运动响应。

2.1塔式系泊系统

2.1.1水上软刚臂单点系泊系统

软刚臂系泊系统适用于5Qm以内的浅水，是我国勸海地区常采用的单点系泊方式，如图1所示。软 刚臂介于系泊塔和船之间，将系泊力传送到轴承上。软刚臂系泊系统的组成部分均为刚性部件，主要 依靠软刚臂末端的压载来提供回复力，系泊腿和软刚臂之间、系泊腿和FPSO船构架之间均为万向连接 器，以保证系泊腿角度变化的需要。其结构主要包括：四腿的导管架，转动系泊头，加有压载液A字形 连接软刚臂（YOKE),有系泊腿的系泊构架。系统中的特殊件为系泊头上的旋转接头，系泊头转盘, 刚臂上的横摇一纵摇铰接头，和带有上、下万向接头及转动接头的系泊腿。其主要特点如下：

图1水上软刚臂单点系泊

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(1) 不再需要水下软管，通过单点系泊塔与FPSO之间的跨接软管输送流体；(2) 从储油轮上的通道可以进入单点，便于维护检修；(3) 对于油轮改造的FPSO,改造工程量较小，施工难度小；(4) 所以机械设备都位于海面之上；(5) 可以容纳较多立管。

2.1.2孤立塔柱式水下软刚臂单点系泊系统

孤立塔柱式水下软刚臂单点系泊系统是挪威APL公司近年来新开发出来的一项技术[3], 2004年首 次在中国渤海曹妃甸油田11和渤中25-1油田安装使用。该系统由一座孤立塔柱式水下粧基础单点系 泊、水下旋转YOKE、系泊链系统、一条FPS0储油轮和悬空跨接软管、电缆六大部分组成（参阅图2), 适合最大水深为50m。

SAL YOKE系统与传统塔式YOKE相比有如下特点：

(1) 把YOKE的髙度降低可以大幅减少倾覆力矩，降低了系泊塔和粧基的设计难度；(2) 减少了 FPSO甲板上部的系泊支撑结构，简化设计并节约大量钢材；(3) 没有拉筋结构，很大程度上上减少了冰载荷对塔身的作用；(4) 立管包含在塔身立柱内，在其保护下减少了冰和海浪的冲击；

(5) 只有塔轴（包含破冰装置）受冰载荷冲击，冰对YOKE结构和其他部分的作用可以忽略不 计；

(6) SYS采用吸力锚和打入粧两种设计，将吸力锚和浮箱结合可以使SYS重新利用成为可能；(7) 釆用滑动轴承，在设计寿命内可以不用加入润滑油，减少维护保养工作量；(8) 消除连接时YOKE与FPSO碰撞的可能性，可以使FPSO连接工作更加容易。

虽然孤立塔柱式水下软刚臂单点系泊具有上述结构上的优点，但因为是水下YOKE结构，存在水 下工程量大，FPSO就位连接技术难度高等困难，对水下施工水平提出了较髙的要求，并且安装费用较

图2孤立塔柱式水下软刚臂单点系泊示意图

2.2转塔式系泊系统

转塔系泊系统主要由转塔、液体传输系统、转塔旋转系统或转台、界面连接系统这四个部分组成。 其中转塔既是FPSO的系泊点，也是立管和其他脐带系统经海底到达船体甲板的通道口，它与甲板设施 相对固定的特点保证了在复杂海况下FPSO也能与海底井口之间实现不问断的油气输送，是转塔系泊技 术的核心所在。与其他众多的系泊方式相比，转塔系泊系统具有如下优势：（1)结构简单；（2)受波浪影 响小，适用于恶劣海况条件；（3)适用于各种水深的海域；（4)具有快速的解脱和回接功能，便于维修。

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2.2.1内转塔系泊系统

对于南中国海处于热带风暴海洋环境区域，通过试验分析和实际应用，采用内转塔系泊系统比较 合适，目前基本均采用STP(Submerge TurretProduction)系泊系统。STP是内转塔系泊系统中的一种系泊 系统，该技术由挪威APL推出。

STP是一种简单、紧凑的柔性塔式系泊方式[4]。STP系统的核心就是将浮筒系泊到海床上，系泊系 统与FPSO船体通过一个锥度匹配的浮筒连接在一起。浮筒的内部就是连接系泊和立管系统的塔，浮筒 外壳与船体一起通过两组轴承能够围绕浮筒轴芯做自由旋转运动。STP通过各类不同的滑环（旋转连接 器）实现FPS0与井口平台之间的液体、气体、动力和信号的传输（参阅图3)。

STP主要由一个STP浮筒、吸力锚及系泊链、液压系统、应急系统、污油处理系统、PLC控制系统、 提升系统、锁紧装置和多通道旋转头总成等构成。

STP的基本特点主要体现在以下几个方面：

(1) 适应性强，应用范围广；可以适应不同装载的油轮和恶劣的海域；(2) 该系统可以最大程度地减少船体的受力（风向标原理减少船体受力）；(3) 在立管和脐带的数量和能力上具有较大的弹性；(4) 构造结构简单；

(5) STP系统的操作和维护量小；(6) 浮筒的几何尺寸已经标准化；

(7) 旋转头总成被动旋转，不需要驱动装置；(8) 液压加机械密封系统；(9) 整个系统的安全系数髙。

STP系泊系统由于操作简单、结构紧凑和设计灵活等特点而被采用，目前这种方式在南中国海和北 海应用较多。最早使用STP系泊系统的是1997年的南中国海陆丰油田，其作业水深约为330m。

图3 STP系泊系统不意图

2.2.2外转塔系泊系统

目前所使用的外转塔多为悬臂式转塔(External Cantilevered Turret) (ECT)，这是一种永久系泊系统，其主要特征是在船艏或船艉有一个大的可安放旋转轴承和转塔的外伸悬臂钢结构，这种支撑结构使得 转塔脱离水面，如图4所示。悬臂式外转塔系泊系统主要由一个带柔性立管和系泊终端的转塔组成。它 的优点是无需将船体拖至船坞内进行大范围的改装、便于转塔的维修与检查、建造周期短、经济；缺 点是外伸悬臂结构过长，同时转塔位于水面之上使得柔性立管和脐带系统的上部受波浪的影响较大。

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一般应用于浅海小油田以及中等以下海况的作业区。

2.3浮筒系泊系统

浮筒被锚泊在海上，作为一系泊点为FPS0装/卸气体或液体产品服务，并提供与具有风向标效应 的FPS0之间的连接。浮筒主要用途是为井口平台与FPS0之间传输液体提供连接界面。

浮筒式单点主要由以下几部分组成：浮筒(Buoy Body)、系泊锚链部件(Mooring and Anchoring

Components)、产品传输系统(Product Transfer System)和辅助部件(Auxiliary components)，如图 5 所示。 其中浮筒主要是为装置提供浮力和稳定性，同时容纳各种各样的零部件；锚链装置是将浮筒连接到海 床基座，系泊缆绳是将FPSO或油轮连接到浮筒上；生产滑环提供浮筒生产管系的固定部分和具有风 向标效应的旋转部分之间的界面；辅助部件主要指值班船停靠、起升和操作设备，防护物，助航设备 和动力提供。FPSO系泊到浮筒上的方式也分为缆绳和YOKE两种。

单点系泊(浮筒)系统

图5单点系泊浮筒系统示意图

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3国内FPSO单点系泊概况

中海油将FPSO用于开发近海油田始于80年代后期。1986年，中海油首次将旧油船改造成FPSO,

命名为“南海希望号”用于我国北部湾涠洲10-3油田的开发。该FPSO由法国道达尔公司设计，新加坡 胜宝旺船厂承建。它是由一艘旧油轮改造而成，这是我国海上油气开发应用FPSO的开始。在我国南 海，紧接着“南海发现号”、“南海盛开号”、“南海开拓号”、“南海胜利号”、“睦宁号”、“南海奋进号” 和“海洋石油111”陆续交付使用。从此，中海油广泛地使用了浮式生产储油装置FPSO开发海上油田， 采用FPSO生产的原油产量，目前已占到中国海油国内原油产量的一大半，充分显示了这种开发装置 具有诱人的特点和优势，其具有以下特点：

(1) 对水深和环境条件的适应性强

从水深几十米到几百米，甚至更深都可以使用FPSO系统。水浅的海域，采用固定式的结构比较 经济，水深的海域采用更具灵活性的悬链式系泊结构。不论是渤海髙炜度海冰地区，还是夏季受台风 袭击、波涛汹涌的南海都已得到成功的应用。

(2) 具有风标作用，受力条件最佳

由于浮式生产储油装置采用旋转部件和单点系泊系统相连，FPSO基本处于自由漂浮状态，不但可 以自由的纵横摇摆和升沉起伏，还可以在风、浪、流、冰等环境力的共同作用下，绕单点作360°的自 由旋转，使FPSO处于受力面积最小的最佳受力状态，使单点结构设计最为经济。

(3) 具有充裕的面积和空间

在浮式储油装置的主甲板上加设生产甲板，使浮式生产储油装置的所有面积和空间得到充分的利 用，为储存原油、布置生产处理设施和公用设备以及操作人员住房提供了良好的条件。另外，还兼做 海上输油码头，供穿梭油轮系泊和停靠，成为一座集生产、生活、储油和运油多功能为一体的海上综 合基地。工程费用相对较低。

(4) 灵活机动

浮式生产储油装置常通过一些特殊部件和单点相连，在必要的时候，也可与这些连接部件方便的 解脱。渤海绥中36-1油田的抗冰单点，在遇到严重冰情时，可以在数小时之内完成FPSO的计划解脱， 将FPSO拖到安全地点。根据环境状况和生产需要，也可以将FPSO设计成能抵抗百年一遇的最恶劣 环境条件，永不解脱。

(5) 可重复利用

可重复利用是浮式生产储油装置的另一大特点。这一特点特别适用于开发期较短的边际油田。当 一个油田开发完成后，可以针对下一个油田的要求，对生产设施进行适当的改造和维修即可再次使用。 由于改造的工作量相对较少，不但可以争取油田尽快投产，还可大大减少油田的一次性投入，提高油 田的经济效益。

渤海绥中36-1油田的“明珠号”经改造又用到了蓬莱19-3油田，而BZ28-1油田的“友谊号”曾搬迁 到CFD1-6油田服役。

(6)施工周期较短

通过十几年的工程实践，有关浮式生产储油装置的设计和建造，国内已有了相当成熟的经验，建 造一座十几万吨的浮式生产储油装置，一般只需1年到一年半的时间，和一座大型组块的施工周期差 不多。另外，由于对FPSO的船型没有其它额外的要求，在油田急需投产的情况下，可以选用合适的 旧油轮进行改造，在其甲板上增加生产工艺模块，然后与单点系泊系统相连，即可投入使用，这样， 施工周期可以更短一些。像南海几个油田，旧油轮的改造时间，大都在一年之内即可完成。

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4单点系泊技术探讨和发展

单点系泊系统的型式很多。但是，无论那种系泊系统，按照物理概念，都可以简化为“质量-弹簧

系统”进行研宄。FPSO是集中质量，在质量上作用着一个大小、方向随机变化的扰动力；悬链系统或 软刚臂系统则是弹簧。弹簧刚度对整个系统的运动和受力的影响是很大的。因此，合理选择弹簧刚度 是单点设计的重要任务之一。

目前，单点系泊系统运动和受力的计算分析方法有2种：准静力法和动力法。SBM公司在“友谊”、 “明珠’’单点设计时，用的是准静力法。

通过对已经使用过的和正在使用的系泊系统的分析，在以后的设计建造过程中需要在以下几个方 面加以注意：

(1) 设计环境标准；(2) 船体设计特点；

(3) 转塔位置和船体风标效应；(4) 船体位移和偏差；(5) 系泊链的分布和构造；(6) 锚泊系统。

据统计，截至目前，全球现役的、在建或维修改造的、签约建造的FPS0及LPG FPS0的数量己超 过150艘。其中，采用单点系泊技术的超过60%,剰余的30%多采用拓展性系泊系统，在单点系泊中使 用各种转塔系泊系统的约占80%，应用最为广泛，新一代的FPSO装置的系泊多为转塔式系泊。

随着海总向深水发展的趋势，可以预计将来我国海洋石油开发的重点集中于南海。南海的水深和 恶劣的天气对单点系统提出了更高的要求，目前南海的单点系泊方式多为内转塔系泊系统，所以转塔 系泊的稳定性和适应性越来越引起人们的关注。首先，水深的增加直接导致转塔的系泊腿变长，增大 了系泊的不确定性。这种系泊的不确定性表现为深水区船舶的系泊刚度减弱，船舶的非线性水动力作 用增强，系泊船呈现出低速、低频、大漂角以及大的横向位移的运动特征，而其中船舶的低频运动是 影响系泊系统、立管系统安全设计的关键要素。其次，油田开采规模的扩大意味着连接海底井口和船 上设施的立管和脐带系统数目的增多，这对转塔的尺寸有了更髙的要求，同时也需要转塔在空间布置 上更为合理。

随着中国国内...能源需求量越来越大，以及海洋石油总公司的不断发展，可以预测FPSO在未来的 海洋油气田开发中将扮演越来越重要的角色，特别是在离陆地较远的中深海域，由于建陆地终端的成 本远远髙于建FPSO费用，所以在中深海域进行油田的开发，选择建FPSO作为终端将是一种趋势，这 就必然会对系泊系统提出越来越髙的要求。

5结语

随着海洋石油开发的深水和超深水化发展、海洋油田大型化发展，FPSO作业环境的复杂化演变，

作业者对FPSO系泊的安全性和经济性要求也愈来愈高。目前由国外不同公司设计的单点系泊系统共 计30余种，与国外这种蓬勃发展的局面相比，我国在系泊技术领域的开发研宄明显不足，目前尚不具 备独立设计研制的能力。

海上油气田的大开发，FPSO由于在中深度海域和边际油田的开采中具有独特的优势。随着FPSO 作业水深的增加和作业环境的变化，对FPSO系泊系统的要求越来越高。深入研宄未来FPSO系泊系统

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的适应性和可靠性变得越来越重要。参考文献

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Classification of FPSO Single Point Mooring System

ZHAO Xiuhua, Dong Zheng

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Abstract

In this paper, concept, origin and development status of single point technology is introduced, while the classification and technical characteristics of existing single point system are focused on. Relevant data are collected and combined with research experience in offshore FPSOs and an overview of FPSO and single point mooring in China is introduced.

With the increase of operational depth of FPSO and the change of environment in deep water, it is more important to study the adaptability and reliability of FPSO mooring system.

Key words： FPSO; single point mooring system; classification of single-point mooring; design feature;

single-point technology in China

作者简介

赵秀花女，1966年生，造价工程师。从事工程造价及管理工作。董争男，1982年生，工程师。从事海上施工及项目投标管理工作。