FPSO系泊系统失效原因探讨

孙恪成，李 牧，李 鹏，邓 欣

(中海油能源发展股份有限公司 天津 300450)

1 研究背景

FPSO(Floating Production Storage and Offloceding)是集生产、储油、卸油为一体的海上浮式生产储卸油装置。如表1所示，目前中国海域共有 13艘FPSO在役，5艘FPSO已经退役(包括搁置)，另有1艘FPSO在建(海洋石油119，预计2020年投产)[1]。

由于南海海况恶劣，目前布置的FPSO基本都采用单点系泊装置。

如表2所示，在我国渤海海域，到目前为止，布置的FPSO均采用软钢臂系泊系统，包括水下软刚臂和水上软刚臂2种类型，其中布置海域水深最小为18m，最大为 32m。塔架是该种系泊系统的关键受力结构，已经发生过由于塔架损坏引起的事故。

表1 南海海域FPSO系泊形式统计Tab.1 Statistics of FPSO mooring forms in South China Sea

表2 渤海海域FPSO系泊形式统计Tab.2 Statistics of FPSO mooring forms in Bohai Sea

在FPSO几十年的发展过程中，尽管技术手段不断提高，水下系泊系统的监测、检验仍然存在很多困难，系泊系统故障仍是浮体的主要风险因素。本文对系泊系统故障进行了梳理，旨在为系泊系统的监测以及完整性管理提供参考。

2 FPSO系泊系统失效统计

Ma等[2]对全世界范围内2001—2011年10年间的FPSO系泊系统故障进行了统计，共有21艘FPSO系泊系统故障记录。对全球各海域FPSO作业数量和统计的发生系泊系统故障数量进行总结，如表3所示。

表3 全球各海域 FPSO作业数量和统计的发生系泊系统故障数量Tab.3 Number of FPSO operations and number of mooring system failures in global seas

通过表3可以看出，在恶劣海况区域(受台风和冬季风暴影响)，例如北海、墨西哥湾，FPSO 故障率介于20%～30%之间，受影响的FPSO约占全球总数的 1/3。

在温和海况区域，如南美洲、非洲和东南亚南部，FPSO故障率均小于 10%，而世界上大部分FPSO在这里作业，约 150艘。巴西拥有世界上最多的55艘FPSO(约占全球总量的1/4)，而其仅有2起系泊系统故障案例[3-4]。

对 FPSO系泊系统故障各案例的具体损害构件进行了统计，如表4所示。

表4 FPSO系泊系统故障各案例的具体损害构件统计Tab.4 Statistics of specific damaged components in each case of FPSO mooring system failures

①多数系泊系统失效和锚链有关，分析原因如下：锚链由于其较强的承受磨损和弯曲的能力，通常布置于受较强约束之处，如顶端锚链与底端锚链，这些锚链受到了更强的腐蚀，增加了疲劳失效和极限载荷失效的风险。由于材料属性原因，锚链的疲劳强度远比其他锚链构件低。此外，使用有档锚链的连接档由于材料、腐蚀等因素容易导致档丢失，档丢失后锚链疲劳寿命会大幅降低。

②连接构件主要有 2项弱点：在制造过程，由于连接构件使用数量较少，非系列的生产使得质量参差不齐；在安装时，作为系缆连接构件，可能会存在不恰当安装、错误固定等问题。

③钢缆相比锚链损伤的概率小一些。钢缆通常布置在受力较小的区域并拥有更长的疲劳寿命，不合理的设计会在钢缆连接头的末端引起局部扭曲；安装问题主要包括保护层损坏、安装过度弯曲等，如果出现安装问题，鉴于安装工序的类似性，其余系泊缆绳钢缆部分均可能出现同类问题。

④纤维缆由于其材料特殊性，非常容易在安装过程受到损伤。比如 Girasol FPSO系泊系统故障案例中，纤维缆布置时与木质甲板相接触，木屑被不慎带入纤维缆中，从而导致纤维缆缆丝不断损坏。

⑤软刚臂失效在历史上仅有1例记录，为海洋石油 113FPSO转塔倒塌。需要注意的是一共只有 9艘FPSO，1艘FLNG，2艘FSRU和4艘FSO装备了软刚臂。这些仅是所有 FPSO的一小部分(3%的FPSO)，因此软刚臂失效的可能性仍非常高，约有1/9的机率会坍塌，而受损的机率就更高了。

3 FPSO系泊系统故障原因

如表5所示，FPSO系泊系统故障主要有以下几方面因素：安装、设计、制造、疲劳、极端载荷、老化。

表5 FPSO系泊系统故障各因素比例Tab.5 Proportion of factors of FPSO mooring system failures

根据故障因素统计，老化占比最高，达到 24%，包括锚链腐蚀(12%)和钢丝绳和锚杆的长期退化(12%)，均为导致失效的主要根本原因；其次是安装、制造和材料以及纯疲劳引起的失效(各占 20%)；设计原因和极端原因较为少见。

①安装：锚链构件安装错误(系缆扭曲、连接头锁止错误、挂钩错误)；安装导致的设备老化(钢缆保护层上切口——最显著例子为EGINA FPSO，纤维缆上切口导致碎屑进入纤维缆——如 GirasolFPSO)；运输时的固定问题(如PAZFLOR FPSO拖航过程，采用不恰当的系缆固定导缆器，导致钢铁的阴极腐蚀，导缆器随之松动，往复性装机FPSO船体导致损坏)；安装时的钢缆过度弯曲等。

上述安装问题都会影响系泊系统未来的完整性，大多数情况可以通过适当的审查、跟踪运输和安装程序来防止，通过在安装期间和安装后的适当检查来确定。如果这些问题没有及时发现，可能导致系泊系统部件的更快退化，最终导致系泊系统故障发生。至少有1/6的故障案例报告了此类问题。

②设计：设计欠缺而导致的失效较为罕见，多数是源于计算能力的缺乏。一为在设计时未考虑所有的情形(例如 Volve FPSO在设计时并未考虑断裂负荷)；或者计算的程度不到位(Norne FPSO曾应用强度不足的链，导致线缆失效)；再有设计不足曾发生在Blind Faith FPSO上，其连接头设计错误导致连接头的断开。近二十年来，设计检验的能力已得到长足发展。从 20世纪 90年代的少量简易计算工具、方法，到当下已具备几千种不同海况的动态计算方案。这解释了疲劳失效多数发生在老型 FPSO上的原因——当时的疲劳计算只有 100种海洋环境案例。现今提倡重新评估老型浮体的疲劳情况(尤其是指2010年前)，用以在最新技术的帮助下检查实际疲劳情况，确定设计疲劳年限。

③制造：制造中产生的问题是早期失效的主要原因之一，现已认定多项制造和材料方面的原因，例如，低韧度导致断裂；锚链连接处焊接瑕疵未被发现；不合适的材料选择导致腐蚀。

④疲劳：疲劳是系泊系统故障发生的另一主要原因。安装和制造问题常常是疲劳失效的起始原因；腐蚀对于疲劳也有着加速作用；而计算验证的不足也导致了大量的此类疲劳失效案例。

⑤极限载荷：极限载荷失效是在极端环境和最终失效下发生的。纵观 10年来的 FPSO案例，极端情况下 5个案例中仅有 2个案例证明是由于环境载荷过大锚链超出设计载荷值导致破断，为“南海胜利”FPSO和Banff FPSO。相关原因可归结为当时在超出设计准许范围的海况下作业。至于其他的案例，即使在极端情况下的失效，也是由多方面因素导致，例如：“南海发现”FPSO的失败源于在台风到来时无法断连；Gryphon Alpha FPSO和Volve FPSO是因为设计缺陷。对于“南海胜利”FPSO 案例，钢丝索的老化也被认为是根本原因，即使相关海洋环境数据之严苛远超设计准许，人们仍怀疑设计的安全系数是否缓冲了整个系统的过载。

极限负载失效在新型FPSO中较为罕见。当我们关注服役时间比较久的FPSO时，会发现船锚受载过高导致的船舶走锚现象十分普遍，其原因在于大量地将拖曳锚作为锚点。因此，对于较新的FPSO，其从设计上避免了锚点成为FPSO的弱点。

⑥系缆老化将引发2种现象：锚链与连接头间的腐化以及钢缆的长久性老化，它们各占全体根本失效原因的 12%[5]，同时也成为发生系缆替换的主要根源。

4 总 结

随着海上油田规模的不断扩大和新油田的勘探开发，未来我国服役的 FPSO数量会进一步增加。系泊系统的完整性关系到 FPSO作业安全，本文对FPSO系泊系统故障及其原因进行了统计分析，以期为FPSO系泊系统管理提供参考。