Проектирование турельных и швартовных систем FPSO для глубоководных месторождений в суровых условиях

Эксплуатационная проблема

Турель FPSO — это единственная точка, через которую проходят все нагрузки системы удержания на позиции, система райзеров и добываемые флюиды. Если она работает неэффективно, судно не может свободно флюгировать, а подшипниковый узел и блок вертлюгов перегружаются. Ремонтные работы проводятся медленно. Замена подшипника турели или перетяжка швартовной системы в условиях морской (offshore) эксплуатации означает длительное, зависящее от погоды вмешательство, а потери добычи в этот период являются основной статьей расходов. На глубоководных месторождениях в суровых условиях запас на ошибку сокращается еще больше: возрастают нагрузки на линии, увеличивается количество райзеров, а судно должно сохранять безопасный курс во время экстремальных штормов на протяжении всего срока эксплуатации месторождения.

В обзоре отраслевого журнала по проектированию турелей отмечается, что увеличение глубины воды и применение в суровых условиях выводят проектирование турелей на новый уровень сложности (offshoreindustry.co.uk, FPSO Turret Mooring Systems: Internal vs External Design, Bearings & Swivels). В этой статье рассматриваются проектные решения, определяющие, удастся ли избежать подобных последствий для новой турели: поведение при флюгировании, пути передачи нагрузки на подшипники и выбор швартовных линий.

Контекст стандартов и требований

Основу проектирования новых объектов составляет небольшой набор документов:

• API RP 2SK, Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures. Охватывает анализ швартовки для неповрежденного, поврежденного и переходного состояний.
• ISO 19901-7, Stationkeeping systems for floating offshore structures and mobile offshore units. Международный аналог для проектирования и анализа швартовных систем.
• API RP 2FPS, Planning, Designing, and Constructing Floating Production Systems. Задает контекст на уровне системы для корпуса, швартовки и райзеров.
• DNV-OS-E301, Position Mooring. Оффшорный стандарт классификационного общества для швартовных систем.

Ваше классификационное общество и метеоокеанические проектные основы оператора определяют фактические расчетные периоды повторяемости, коэффициенты безопасности и требования к инспекциям. Берите эти данные из проектной документации, а не по памяти. Подшипник турели и вертлюг обычно проектируются в соответствии с правилами класса и спецификацией оператора, поэтому определите расчетные случаи нагрузки на подшипник и критерии приемки на ранней стадии контракта.

Принципы флюгирования

Почему судно поворачивается

FPSO с турельным швартованием закреплено в одной точке и может свободно вращаться вокруг нее. Силы ветра, течения и волнового дрейфа воздействуют на корпус вдали от турели. Это создает момент рыскания, который разворачивает судно до тех пор, пока оно не установится на курсе, где результирующий момент минимален. На практике это обычно положение носом к погоде, что минимизирует качку и обеспечивает минимальные нагрузки на швартовку.

Положение турели и поведение при рыскании

Расположение турели вдоль корпуса является основной проектной переменной.

• Турель сильно смещена вперед: судно имеет длинное плечо рычага позади оси вращения и сильную тенденцию к флюгированию. Курс точно следует за погодой, но судно более подвержено медленным рысканиям, когда ветер, волны и течение не совпадают по направлению.
• Турель смещена ближе к миделю: судно менее устойчиво на курсе, и управление курсом усложняется.

В суровых условиях ветер, зыбь и течение могут приходить с разных направлений. Курс, который запаздывает или осциллирует, может привести к возникновению лаговой волны и повышению нагрузок на швартовку. Исследование удержания на позиции, проведенное Duggal, Heyl и Ryu (SOFEC, 2009), Station-keeping of FPSOs in Extreme Environments, посвящено этой проблеме. Для проверки реакции на рыскание используются модельные испытания и связанный анализ во временной области, а не ручные расчеты.

Что инженер должен передать на следующие этапы

Анализ флюгирования формирует три входных данных для даунстрим-проектирования:

1. Диапазон курсов судна относительно швартовной сетки, который определяет, сколько линий нагружено одновременно.
2. Максимальное смещение, которое определяет конструкцию райзеров и зазор между линиями и райзерами.
3. Нагрузки на интерфейсе турели, по которым рассчитываются размеры подшипника и конструкции.

Нагрузки на подшипник турели

Путь передачи нагрузки

Нагрузки от швартовных линий передаются на конструкцию турели на уровне цепного стола или клюза, затем проходят через подшипник в корпус. Подшипник должен выдерживать горизонтальные нагрузки, вертикальные нагрузки и опрокидывающий момент, сохраняя при этом свободное вращение под нагрузкой. Натяжение райзеров и динамические нагрузки от них увеличивают вертикальную составляющую. (Offshore Magazine, Эволюция турельных швартовок для сложных подводных комплексов и суровых условий), несет тяжелую комбинированную нагрузку. Эти цифры показывают, как расчетная база для суровых условий определяет масштаб нагрузок на подшипник.

Ключевой ранний вопрос заключается в том, как распределить нагрузку между верхним и нижним подшипниковыми узлами. Это разделение определяет моментную нагрузочную способность и структурную жесткость, а также то, насколько точно корпус может сохранять соосность при деформации.

Ключевые аспекты проектирования

• Деформация корпуса и соосность: подшипник, который кажется жестким на бумаге, но находится в деформирующемся корпусе, подвергается неравномерной нагрузке на ролики. Укажите допустимую плоскостность колец и деформацию интерфейса корпус-турель в качестве исходных данных для проектирования, а затем проверьте их в ходе общего конечно-элементного анализа (FE).
• Экстремальные условия против усталости: случай экстремального шторма определяет размеры конструкции. Однако годы циклической нагрузки приводят к износу и усталости подшипника и его опор.
• Состояние поврежденной швартовки: обрыв одной линии переносит нагрузку на соседние и меняет направление нагрузки на подшипник. Выполните проверку подшипника для поврежденных и переходных случаев из API RP 2SK, а не только для неповрежденного состояния.
• Возможность инспекции: подшипник, который невозможно осмотреть или обслужить на месте, становится риском на весь срок службы. Спланируйте доступ, мониторинг состояния и стратегию замены или ремонта еще на этапе проектирования.

Основной тезис остается в силе: швартовка, турель и судно должны анализироваться как единая система, а не как отдельные узлы.

Выбор конфигурации турели

В статье по Turritella (Проектирование отсоединяемой буйковой турельной швартовки для FPSO Turritella, OTC, 2017) описывается конструкция FPSO для месторождения Stones и вызовы, которые она поставила перед отсоединяемой буйковой турельной швартовкой. Отсоединяемый вариант добавляет механической сложности. Но там, где судно должно иметь возможность покинуть место, это может быть правильным решением.

Выбор конструкции швартовных линий

Материалы и конфигурация линий

Глубоководье меняет проблему веса. Тяжелые полностью цепные линии добавляют судну большой подвешенный вес, что вертикально нагружает турель и снижает полезную нагрузку. Обычные решения включают:

• Цепь–полиэстер–цепь: натянутая или полунатянутая схема. Полиэстеровый сегмент снижает вес линии и обеспечивает более податливую реакцию, но требует тщательной оценки характеристик жесткости и обращения.
• Цепь–трос–цепь: более традиционная катенарная схема с хорошо зарекомендовавшей себя историей применения. Трос снижает вес по сравнению с цепью, но требует контроля коррозии и усталости.
• Натянутая против катенарной: натянутые системы уменьшают площадь охвата и вертикальную нагрузку, но увеличивают требования к вырыванию якоря и делают натяжение линии чувствительным к смещению.

Возможность реализации швартовки и райзеров для FPSO в Мексиканском заливе на глубине 10,000 ft была изучена в статье OTC 2005 года Проектирование швартовки и райзеров для FPSO в Мексиканском заливе на глубине 10,000 Ft. Этот подход является верным. Системы швартовки и райзеров проектируются совместно, так как они имеют общую зону смещения и одну и ту же турель.

Совместимость с райзерами

Жесткость швартовки определяет смещение судна, а смещение определяет напряжения в райзерах. Bluewater описывает специализированную конструкцию для размещения стальных райзеров типа lazy wave в глубочайших океанах, где множество райзеров, умбиликалов и динамических силовых кабелей поддерживаются на одной турели (Bluewater, Швартовка FPSO и FLNG). Швартовка, хорошо ограничивающая смещение, может потребоваться для удержания стальных райзеров в допустимых пределах. Более мягкая швартовка снижает нагрузки в линиях, но увеличивает смещения. Таким образом, выбор является оптимизацией системы, а не решением по каждой отдельной линии.

Усталость и случаи повреждения

В суровых условиях экстремальная штормовая нагрузка часто определяет проверку на прочность. Между тем, усталость определяет долгосрочную целостность цепных соединителей, клюзов и конструкции турели вокруг них. Проверьте следующее:

• Неповрежденные экстремальные и усталостные случаи.
• Случай с одной поврежденной линией, с последующим смещением и перераспределением нагрузки.
• Переходное поведение сразу после обрыва линии, которое API RP 2SK рассматривает отдельно от установившегося поврежденного состояния.

Иллюстративный сценарий: выбор концепции швартовки

Этот сценарий является иллюстративным и не описывает реальный проект.

Проектная группа разрабатывает новое судно FPSO для глубоководного месторождения с суровыми условиями. Количество райзеров велико, и для основных добычных линий предпочтительны стальные райзеры типа «ленивая волна» (lazy wave). Первое предложение по швартовке — многоточечная цепная система (catenary spread), в основном потому, что она знакома оператору.

Глобальный анализ выявил две проблемы. Во-первых, вес подвешенной цепи увеличивает вертикальную нагрузку на подшипник турели выше значений, принятых конструкторской группой на стадии концепции. Во-вторых, широкая зона охвата цепей создает проблемы с зазорами в коридоре райзеров.

Группа переходит к конфигурации «цепь–полиэстер–цепь». Это снижает подвешенный вес и сужает зону охвата. Новыми проблемами становятся повышенные требования к вырывающей нагрузке анкеров, а также необходимость подтверждения жесткости полиэстера и процедур монтажа. Группа по конструкциям турели повторно проверяет подшипники с учетом сниженной вертикальной нагрузки, а группа по райзерам перепроверяет смещения с новой жесткостью. Решение основывается на интегрированных результатах, а не на оптимизации отдельного узла.

Контрольный список для принятия решений

• Определите метеоокеаническую базу, включая несовпадение направлений ветра, волн и течений, прежде чем фиксировать положение турели.
• Подтвердите положение турели на основе анализа устойчивости по рысканию, используя модельные испытания или связанное моделирование во временной области.
• Установите расчетные случаи нагрузки на подшипники для нормальных, поврежденных и переходных условий швартовки.
• Укажите пределы прогиба интерфейса корпус–турель и проверьте их в ходе глобального анализа методом конечных элементов (FE).
• Потребуйте план технического обслуживания, осмотра и мониторинга состояния подшипников до присуждения контракта.
• Проверьте доступ к вертлюгу и системе передачи текучих сред. Любое вмешательство в вертлюг или трубопроводы, содержащие углеводороды, требует полной изоляции, сброса давления, проверки нулевой энергии, LOTO, обнаружения газа, мер предосторожности для взрывоопасная зона и безопасного дренирования в рамках системы разрешений на работу.
• Оцените варианты с цепями, стальными тросами и полиэстером с точки зрения вертикальной нагрузки на турель, зоны охвата и вырывающей нагрузки на анкеры.
• Проведите расчет систем швартовки и райзеров в едином конверте смещений и обеспечьте итерационное взаимодействие между группами.
• Проверьте усталость соединителей, клюзов и опор турели, а не только сегментов линий.
• Заранее решите, требуется ли возможность отсоединения, так как это меняет концепцию турели.
• Подтвердите применимые требования класса и оператора согласно API RP 2SK, ISO 19901-7, API RP 2FPS и DNV-OS-E301.

Заключение

Проектирование турели и швартовки для FPSO в глубоководных районах с суровыми условиями — это комплексная задача. Положение турели определяет поведение судна по курсу. Курс и смещение определяют нагрузки на линии и райзеры. Эти нагрузки передаются через подшипник, который должен вращаться в течение всего срока службы месторождения. Рассматривайте судно, турель, швартовку и райзеры как единую расчетную модель. Сделайте возможность осмотра подшипников проектным требованием. И сравнивайте материалы линий по вертикальной нагрузке на турель и смещению райзеров, а не только по стоимости линий.

В качестве следующих шагов зафиксируйте метеоокеаническую базу и количество райзеров. Проведите связанный анализ для двух или трех положений турели и концепций швартовки. Затем привлеките поставщика подшипников и классификационное общество до того, как будут зафиксированы случаи нагрузки.