تصميم نظام التثبيت والبرج لسفن FPSO في الحقول البحرية ذات البيئات القاسية والمياه العميقة

المشكلة التشغيلية

يعد برج سفينة FPSO النقطة الوحيدة التي تمر من خلالها جميع أحمال تثبيت الموقع ونظام الأنابيب الصاعدة وسوائل الإنتاج. وإذا كان أداؤه دون المستوى، فلن تتمكن السفينة من التوجيه مع الريح بحرية، وسوف تتعرض مجموعة المحامل والمفاصل الدوارة لحمل زائد. وتعد الإصلاحات بطيئة؛ إذ إن استبدال محمل البرج أو إعادة شد شبكة التثبيت بحري يعني تدخلاً طويلاً يعتمد على حالة الطقس، وفقدان الإنتاج خلال هذه الفترة هو التكلفة الأكبر. وفي حقول المياه العميقة ذات البيئات القاسية، يتقلص هامش الخطأ بشكل أكبر: أحمال خطوط أكبر، والمزيد من الأنابيب الصاعدة، وسفينة يجب أن تحافظ على اتجاه آمن خلال العواصف الشديدة طوال عمر الحقل الافتراضي.

تشير مراجعة لمجلة تجارية حول هندسة الأبراج إلى أن زيادة أعماق المياه وتطبيقات البيئة القاسية تدفع هندسة الأبراج إلى مستويات جديدة من التعقيد، وذلك في (offshoreindustry.co.uk، FPSO Turret Mooring Systems: Internal vs External Design, Bearings & Swivels). يغطي هذا المقال خيارات التصميم التي تحدد ما إذا كان البرج الجديد سيتجنب تلك النتيجة: سلوك التوجيه مع الريح، ومسارات حمل المحامل، واختيار خطوط التثبيت.

سياق المعايير والمتطلبات

الإطار الأساسي لتصميم المنشآت الجديدة هو مجموعة صغيرة من الوثائق:

• API RP 2SK، Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures. ويغطي تحليل التثبيت للحالات السليمة والمتضررة والعابرة.
• ISO 19901-7، Stationkeeping systems for floating offshore structures and mobile offshore units. وهو النظير الدولي لتصميم وتحليل التثبيت.
• API RP 2FPS، Planning, Designing, and Constructing Floating Production Systems. ويضع سياق مستوى النظام للهيكل والتثبيت والأنابيب الصاعدة.
• DNV-OS-E301، Position Mooring. وهو المعيار البحري لجمعية التصنيف لأنظمة التثبيت.

تحدد جمعية التصنيف الخاصة بك وأساس التصميم الميتيومحيطي للمشغل فترات العودة الفعلية للتصميم، وعوامل الأمان، ومتطلبات المسح. خذ هذه المعلومات من وثائق المشروع، وليس من الذاكرة. عادة ما يتم تصميم محمل البرج والمفصل الدوار وفقاً لقواعد الفئة بالإضافة إلى مواصفات المشغل، لذا حدد حالات حمل المحامل ومعايير القبول في وقت مبكر من العقد.

مبادئ التوجيه مع الريح

لماذا تدور السفينة

يتم تثبيت سفينة FPSO المربوطة ببرج عند نقطة واحدة وتكون حرة في الدوران حولها. تؤثر قوى الرياح والتيار وانجراف الأمواج على الهيكل بعيداً عن البرج. يؤدي ذلك إلى خلق عزم دوران، مما يؤدي إلى أرجحة السفينة حتى تستقر عند اتجاه يكون فيه صافي العزم صغيراً. ومن الناحية العملية، يكون هذا عادةً بجعل المقدمة في مواجهة الطقس، مما يقلل من التدحرج ويحافظ على أدنى الأحمال على التثبيت.

موقع البرج وسلوك الانعراج

يعد موقع البرج على طول الهيكل متغيراً أساسياً في التصميم.

• البرج في أقصى الأمام: تمتلك السفينة ذراع رافعة طويلة خلف المحور وميلاً قوياً للتوجيه مع الريح. يتبع الاتجاه حالة الطقس عن كثب، ولكن السفينة تكون أكثر عرضة لانحرافات الانعراج البطيئة عندما لا تكون الرياح والأمواج والتيار في خط واحد.
• البرج في الخلف أكثر: تكون السفينة أقل استقراراً من حيث الاتجاه، ويصبح التحكم في الاتجاه أكثر صعوبة.

في البيئات القاسية، يمكن أن تصل الرياح والأمواج والتيارات من اتجاهات مختلفة. والاتجاه الذي يتأخر أو يتذبذب يمكن أن يضع بحاراً عرضية على الهيكل ويرفع أحمال التثبيت. تتناول دراسة تثبيت الموقع التي أجراها Duggal و Heyl و Ryu (SOFEC، 2009)، Station-keeping of FPSOs in Extreme Environments، هذه المشكلة. وللتحقق من استجابة الانعراج، فإن الأدوات المستخدمة هي اختبار النماذج وتحليل المجال الزمني المقترن، وليس الحسابات اليدوية.

ما يجب على المهندس نقله للمراحل التالية

يغذي تحليل التوجيه مع الريح ثلاثة مدخلات تصميم في المصب:

1. نطاق اتجاهات السفينة بالنسبة لشبكة التثبيت، والذي يحدد عدد الخطوط المحملة في وقت واحد.
2. أقصى إزاحة، والتي تحكم تصميم الأنابيب الصاعدة والخلوص بين الخطوط والأنابيب الصاعدة.
3. الأحمال عند واجهة البرج، والتي تحدد حجم المحمل والهيكل.

أحمال محامل البرج

مسار الحمل

تدخل أحمال خطوط الإرساء إلى هيكل البرج عند مستوى طاولة السلاسل أو الموجه (fairlead)، ثم تمر عبر المحمل إلى البدن. يجب أن يتحمل المحمل الأحمال الأفقية، والأحمال الرأسية، وعزم الانقلاب، مع الاستمرار في الدوران بحرية تحت الحمل. يضيف شد الصاعد (riser) وأحمال الصاعد الديناميكية إلى المكون الرأسي. (Offshore Magazine، تطور إرساء الأبراج لاستيعاب التوزيعات تحت سطح البحر المعقدة والبيئات الأشد قسوة)، حيث يتم حمل حمل مشترك ثقيل. توضح تلك الأرقام كيف يحدد أساس تصميم البيئة القاسية حجم أحمال المحامل.

السؤال الرئيسي المبكر هو كيفية تقسيم الحمل بين ترتيب المحمل العلوي والسفلي. يحدد هذا التقسيم سعة العزم والصلابة الهيكلية، ويقرر مدى إحكام البدن في الحفاظ على المحاذاة تحت الانحراف.

اعتبارات التصميم الرئيسية

• انحراف البدن والمحاذاة: المحمل الذي يبدو صلباً على الورق ولكنه يستقر في بدن مرن يواجه تحميلاً غير متساوٍ للدرفلة. حدد استواء الحلقة المسموح به وتشوه واجهة البدن والبرج كمدخلات تصميم، ثم تحقق منها في تحليل العناصر المحدودة (FE) العام.
• الحالات القصوى مقابل الكلال: تحدد حالة العاصفة القصوى حجم الهيكل. ومع ذلك، فإن سنوات من التحميل الدوري تؤدي إلى التآكل والكلال في المحمل ودعاماته.
• حالة الإرساء المتضرر: يؤدي فقدان خط واحد إلى نقل الحمل إلى الخطوط المجاورة وتغيير اتجاه الحمل عند المحمل. قم بإجراء فحص المحمل للحالات المتضررة والعابرة من API RP 2SK، وليس فقط الحالة السليمة.
• قابلية الفحص: المحمل الذي لا يمكنك فحصه أو صيانته في مكانه يصبح خطراً مدى الحياة. خطط للوصول، ومراقبة الحالة، واستراتيجية الاستبدال أو الإصلاح أثناء التصميم.

لا تزال النقطة الجوهرية قائمة: يجب تحليل الإرساء والبرج والسفينة كنظام متكامل، وليس كحزم منفصلة.

خيارات تكوين البرج

تصف ورقة Turritella البحثية (تصميم إرساء برج العوامة القابل للفصل لـ Turritella FPSO، OTC، 2017) تصميم Stones Field FPSO والتحديات التي فرضها على إرساء برج العوامة القابل للفصل. يضيف الخيار القابل للفصل تعقيداً ميكانيكياً. ولكن عندما يجب أن تكون السفينة قادرة على مغادرة الموقع، فقد يكون هو الحل الصحيح.

خيارات تصميم خطوط الإرساء

مواد وتكوين الخطوط

تغير المياه العميقة مشكلة الوزن. تضيف الخطوط المكونة بالكامل من السلاسل الثقيلة وزناً معلقاً كبيراً للسفينة، مما يحمل البرج رأسياً ويستهلك من الحمولة الصافية. الاستجابات المعتادة هي:

• سلسلة-بوليستر-سلسلة: ترتيب مشدود أو شبه مشدود. يقلل جزء البوليستر من وزن الخط ويعطي استجابة أكثر مرونة، ولكنه يحتاج إلى تقييم دقيق لسلوك الصلابة والمناولة.
• سلسلة-سلك-سلسلة: ترتيب سلسلي (catenary) تقليدي أكثر مع سجل أداء راسخ. يقلل السلك الوزن مقارنة بالسلسلة ولكنه يحتاج إلى إدارة التآكل والكلال.
• المشدود مقابل السلسلي: تقلل الأنظمة المشدودة من البصمة والحمل الرأسي، لكنها تزيد من طلب رفع المرساة وتجعل شد الخط حساساً للإزاحة (offset).

تم فحص جدوى الإرساء والصاعد لـ FPSO في خليج المكسيك على عمق مياه 10,000 ft في ورقة OTC لعام 2005 تصميم الإرساء والصاعد لـ GoM FPSOs في عمق مياه 10,000 Ft. نهجها هو النهج الصحيح. يتم تصميم أنظمة الإرساء والصاعد معاً لأنها تشترك في نفس غلاف الإزاحة ونفس البرج.

توافق الصاعد (Riser)

تحدد صلابة الإرساء إزاحة السفينة، وتحدد الإزاحة إجهاد الصاعد. تصف Bluewater تصميماً مخصصاً لاستيعاب صاعد الموجة البطيئة الفولاذي (steel lazy wave risers) في أعمق المحيطات، مع دعم العديد من الصواعد، والوصلات السريّة (umbilicals)، وكابلات الطاقة الديناميكية على نفس البرج (Bluewater، إرساء FPSO و FLNG). قد تكون هناك حاجة إلى إرساء يقيد الإزاحة جيداً للحفاظ على الصواعد الفولاذية ضمن حدودها. يقلل الإرساء الأكثر مرونة من أحمال الخطوط ولكنه يزيد من الإزاحات. لذا فإن الاختيار هو تحسين للنظام ككل، وليس قراراً لكل خط على حدة.

حالات الكلال والتضرر

في البيئات القاسية، غالباً ما يحكم تحميل العواصف القصوى فحص القوة. وفي الوقت نفسه، يحكم الكلال السلامة طويلة المدى لموصلات السلاسل، والموجهات، وهيكل البرج المحيط بها. تحقق مما يلي:

• حالات الكلال والحالات القصوى السليمة.
• حالة تضرر خط واحد، مع الإزاحة الناتجة وإعادة توزيع الحمل.
• السلوك العابر فور فشل الخط، والذي يعالجه API RP 2SK بشكل منفصل عن الحالة المتضررة المستقرة.

سيناريو توضيحي: اختيار مفهوم الإرساء

هذا السيناريو توضيحي ولا يصف مشروعاً حقيقياً.

يقوم فريق مشروع بتطوير سفينة إنتاج وتخزين وتفريغ عائمة (FPSO) جديدة لحقل في مياه عميقة وبيئة قاسية. عدد الرافعات (risers) مرتفع، ويفضل استخدام الرافعات الفولاذية ذات الموجة البطيئة (steel lazy wave risers) لخطوط الإنتاج الرئيسية. مقترح الإرساء الأول هو نظام انتشار سلسلي (catenary spread) مكون بالكامل من السلاسل، ويرجع ذلك أساساً إلى إلمام المشغل به.

يظهر التحليل العالمي مشكلتين. أولاً، وزن السلسلة المعلقة يدفع الحمل الرأسي على محمل البرج (turret bearing) إلى مستوى أعلى مما قبله الفريق الإنشائي في مرحلة المفهوم. ثانياً، البصمة الواسعة للسلسلة تخلق مخاوف بشأن خلوص ممر الرافعات.

ينتقل الفريق إلى تكوين (سلسلة-بوليستر-سلسلة). يؤدي ذلك إلى تقليل الوزن المعلق وتضييق البصمة. المشاكل الجديدة هي زيادة الطلب على رفع المرساة والحاجة إلى تأكيد صلابة البوليستر وإجراءات التركيب. يعيد فريق إنشاءات البرج إجراء فحوصات المحامل مع الحمل الرأسي الأقل، ويعيد فريق الرافعات فحص الإزاحات مع الصلابة الجديدة. يعتمد القرار على النتائج المتكاملة، وليس على التحسين الأمثل لحزمة واحدة.

قائمة مراجعة القرار

• تحديد أساس الأرصاد الجوية والمحيطية (metocean)، بما في ذلك عدم محاذاة الرياح والأمواج والتيارات، قبل تثبيت موقع البرج.
• تأكيد موقع البرج من تحليل استقرار الانعراج (yaw stability)، باستخدام اختبارات النماذج أو محاكاة النطاق الزمني المزدوجة.
• تحديد حالات حمل المحامل لظروف الإرساء السليمة والمتضررة والعابرة.
• تحديد حدود انحراف واجهة الهيكل والبرج والتحقق منها في تحليل العناصر المحدودة (FE) العالمي.
• اشتراط خطة لصيانة وفحص ومراقبة حالة المحامل قبل ترسية العقد.
• مراجعة الوصول إلى الوصلة الدوارة (swivel) ونقل السوائل. أي تدخل في الوصلة الدوارة أو الأنابيب التي تحتوي على هيدروكربونات يتطلب عزلاً تاماً، وتفريغ الضغط، والتحقق من الطاقة الصفرية، وإجراءات القفل والوسم (LOTO)، وكشف الغاز، واحتياطات المنطقة خطرة، والتنفيس الآمن بموجب نظام تصريح العمل.
• تقييم خيارات السلاسل الكاملة والأسلاك والبوليستر مقابل الحمل الرأسي للبرج والبصمة ورفع المرساة.
• تشغيل أنظمة الإرساء والرافعات على غلاف إزاحة مشترك والتكرار بين الفرق.
• فحص الكلال (fatigue) للموصلات وموجهات الحبال (fairleads) ودعامات البرج، وليس فقط أجزاء الخطوط.
• اتخاذ قرار مبكر بشأن ما إذا كان الفصل مطلوباً، لأن ذلك يغير مفهوم البرج.
• تأكيد متطلبات التصنيف والمشغل المعمول بها مقابل API RP 2SK و ISO 19901-7 و API RP 2FPS و DNV-OS-E301.

الخلاصة

يعد تصميم البرج والإرساء لمنشآت FPSO في المياه العميقة والبيئات القاسية مشكلة متكاملة. يتحكم موقع البرج في سلوك التوجيه. ويتحكم التوجيه والإزاحة في أحمال الخطوط والرافعات. تمر هذه الأحمال عبر محمل يجب أن يستمر في الدوران طوال عمر الحقل. تعامل مع السفينة والبرج والإرساء والرافعات كنموذج تحليل واحد. اجعل إمكانية فحص المحامل مطلباً تصميمياً. وقارن بين مواد الخطوط بناءً على الحمل الرأسي للبرج وإزاحة الرافعات، وليس فقط تكلفة الخطوط.

كخطوات تالية، قم بتجميد أساس الأرصاد الجوية والمحيطية وعدد الرافعات. قم بإجراء تحليل مزدوج لموقعين أو ثلاثة للبرج ومفاهيم الإرساء. ثم قم بإشراك مورد المحامل وجمعية التصنيف قبل تثبيت حالات الحمل.