Турельные FPSO в суровых условиях обычно выходят из строя несколькими узнаваемыми способами. Подшипник турели нагружается сверх того, на что были рассчитаны корпус и его опорная конструкция. Обрывается швартовная линия, и оставшиеся не выдерживают перераспределенную нагрузку. Или судно остается подключенным во время шторма, который оно должно было переждать в стороне. Каждый из этих случаев заканчивается плохо: капитальный ремонт, повреждение райзеров или потеря позиции. Турель невозможно просто прикрутить к готовому корпусу, поэтому схема швартовки, массив райзеров, компоновка подшипников и философия отсоединения должны быть согласованы вместе и на ранних этапах.

Эта статья дает инженерам-механикам и строителям проектный взгляд на эти взаимосвязанные решения. Она опирается на исследовательские источники, перечисленные в конце, и на установившуюся практику.

Контекст стандартов и требований

Проектирование турелей и швартовки подпадает под стандарты удержания позиции и плавучих добычных установок. Единого специализированного стандарта для турелей не существует. Чаще всего цитируются следующие документы:

  • API RP 2SK, Проектирование и анализ систем удержания позиции для плавучих сооружений, который охватывает анализ швартовки, пределы натяжения линий, а также условия в исправном и поврежденном состоянии.
  • ISO 19901-7, Системы удержания позиции для плавучих морских сооружений и мобильных морских установок, международный аналог для проектирования и анализа швартовки.
  • API RP 2FPS, Планирование, проектирование и строительство плавучих добычных систем, который охватывает всю систему плавучей добычи, включая судно, швартовку и интерфейс райзеров.

Классификационные общества накладывают свои собственные правила на конструкцию турели, подшипники и позиционную швартовку. Операторы обычно добавляют проектные спецификации сверху. Определите редакцию и критерии приемки, применимые к вашему проекту, и заранее обсудите с сертифицирующим органом, как будет классифицироваться работа в отсоединяемом режиме. Исправное состояние, поврежденное (потеря одной линии) и переходные режимы — все это расчетные случаи. Каждая комбинация нагрузок определяет размеры подшипника и конструкции.

Почему турель является определяющим фактором проектирования

Турель позволяет судну флюгировать, в то время как швартовные линии остаются закрепленными на морском дне. Нос разворачивается навстречу доминирующим условиям среды, что снижает нагрузки, которым должна противостоять швартовка. На морской площадках в суровых условиях это преимущество огромно, и именно поэтому турель называют критически важной для суровой погоды. Цена этого заключается в том, что каждая нагрузка от швартовки и райзеров передается на корпус через вращающийся интерфейс.

Основной тезис остается в силе. Швартовка, конструкция турели, подшипник и корпус должны анализироваться как единый связанный путь передачи нагрузки. Не рассматривайте их как отдельные пакеты.

Нагрузки на подшипник турели

Компоненты нагрузки

Подшипник и его опорная конструкция воспринимают комбинацию воздействий:

  • Горизонтальная швартовная нагрузка. Горизонтальные компоненты натяжения линий суммируются и действуют как радиальная нагрузка на подшипник.
  • Вертикальная нагрузка. Собственный вес турели, вертикальные компоненты натяжения линий, нагрузки от подвеса райзеров и умбиликалов, а также вес блока вертлюгов, если турель его несет.
  • Опрокидывающий момент. Нагрузки от швартовки и райзеров действуют на другой высоте относительно плоскости подшипника, поэтому подшипник воспринимает момент в дополнение к радиальной и осевой силам. В условиях сурового моря этот момент часто определяет компоновку роликов.
  • Динамические и инерционные эффекты. Движение судна создает инерционные нагрузки на большую вращающуюся массу. Турель никогда не перестает испытывать колебательную нагрузку.

Взаимодействие с корпусом

Деформация корпуса — это часть, которую недооценивают больше всего. Корпус судна изгибается под действием волн, а также при перемещении груза и балласта. Подшипник должен сохранять допустимую геометрию на протяжении всех этих циклов. При проектировании проверьте:

  1. Плоскостность и округлость беговых дорожек при прогибе балки корпуса, а не только в спокойной воде.
  2. Жесткость опорной конструкции турели к корпусу. Локальная гибкость меняет распределение нагрузки между роликами подшипника.
  3. Усталость в соединениях турели с корпусом, которые подвергаются циклам в любом состоянии моря.
  4. Допуски при изготовлении и монтаже. Ошибки выравнивания сокращают запас прочности подшипника при экстремальных нагрузках.

Компоновка подшипника и вертлюга

Тип подшипника (многорядный роликовый, конический роликовый или сферический роликовый) — это компромисс между грузоподъемностью, устойчивостью к деформациям и ремонтопригодностью. Что бы вы ни выбрали, предусмотрите доступ для осмотра и замены быстроизнашивающихся деталей, а также место для привода или тормоза, управляющего вращением.

Блок вертлюгов — это отдельный путь отказа. Он перекачивает текучие среды через вращающийся интерфейс, поэтому работы с уплотнениями на нем означают работу с оборудованием, содержащим углеводороды. Любая работа на вертлюге следует полной последовательности изоляции: изолировать, сбросить давление, проверить отсутствие энергии, применить LOTO, контролировать источники зажигания в взрывоопасная зона, проводить непрерывное обнаружение газа и осуществлять сброс в безопасное место.

Mooring layout choices

Spread versus turret

Многоточечная швартовка (spread mooring) с линиями, закрепленными вдоль корпуса, является традиционной альтернативой. Без турели судно не может флюгировать (weathervane). Оно принимает на себя внешние нагрузки с того направления, в котором его зафиксировали линии. В условиях переменчивой и суровой погоды это серьезный недостаток, поэтому турель обычно предпочтительнее. Если доминирует одно направление и месторождение простое, многоточечная швартовка все еще может конкурировать. Турель несет с собой стоимость и сложность вращающегося интерфейса.

Line grouping and redundancy

Линии турели обычно группируются по ее окружности. Наиболее важные моменты:

  • Load sharing after a line failure. Компоновка должна выдерживать потерю одной линии без последовательного выхода из строя соседних. Это стандартная проверка в нормативах по удержанию судна на позиции (stationkeeping).
  • Directional bias. Если экстремальные погодные условия имеют доминирующее направление, ориентация групп и распределение жесткости могут быть настроены под него, при условии, что случаи с другими направлениями все еще проходят проверку.
  • Riser clearance. Коридоры швартовных линий и коридоры райзеров борются за одно и то же морское дно и толщу воды. Оцените риск столкновения как в неповрежденном, так и в поврежденном состоянии.
  • Fairlead and chain stopper loads. В месте стопора линии передают высокое натяжение и угловое движение на турель. Это место чувствительно к усталости, поэтому износ цепи и изгиб в этой точке требуют четкого планирования инспекций.

Riser arrays drive turret design

Каждый дополнительный райзер или пуповина означают еще одну точку подвеса, большую турель и блок вертлюгов, большую нагрузку и более тесную координацию со швартовными линиями. Глубина воды, назначение судна и окружающая среда являются основными переменными. Современные конструкции для суровых условий должны вмещать сложные многорайзерные массивы внутри корпуса. Если план освоения месторождения предполагает добавление райзеров позже, заранее решите, будут ли в турели предусмотрены резервные слоты.

Disconnect versus weathervane-only

What is being decided

Постоянно подключенная турель обеспечивает флюгирование во время расчетного шторма и остается на позиции. Отключаемая система позволяет судну уйти, оставив швартовку и райзеры на буе, и вернуться позже.

Comparison

Aspect Permanent weathervane turret Disconnectable turret or buoy
Extreme-event strategy Выдерживать полный расчетный шторм в подключенном состоянии Покинуть участок до начала экстремального события
Structural sizing Подшипник, турель и швартовка рассчитаны на полную экстремальную нагрузку Нагрузки в подключенном состоянии снижены, но буй и соединитель добавляют свои расчетные случаи
Mechanical complexity Меньше движущихся интерфейсов Добавлены системы соединителя, фиксации, буя и повторного подключения
Riser system Райзеры остаются подключенными и подвешенными на турели Райзеры должны быть спроектированы для отключенного состояния и для повторяющихся циклов подключения
Operational risk Запас удержания на позиции должен сохраняться в течение всего события Риск смещается на операции по отключению и повторному подключению
Production Непрерывная, если шторм не вынуждает к остановке Потеря добычи во время отключения плюс время на восстановление
Best fit Суровые, но контролируемые условия, долгосрочная непрерывная эксплуатация Участки с событиями, делающими пребывание в подключенном состоянии неэкономичным или небезопасным

Design issues specific to disconnectable systems

  • Buoy behaviour when disconnected. Буй, швартовка и райзеры должны быть стабильными, с допустимыми движениями, зазорами и нагрузками на райзеры, пока судно отсутствует.
  • Reconnection loads. Контакт между буем и приемной конструкцией судна при остаточном волнении моря является отдельным расчетным случаем, и он определяет эксплуатационное погодное окно для повторного подключения.
  • Emergency disconnect. Быстрое отключение все равно должно обеспечивать безопасную изоляцию и фиксацию райзеров, транспортирующих углеводороды. Последовательность действий должна быть спроектирована, протестирована и отработана.
  • Fatigue and wear. Повторяющиеся циклы подключения меняют картину усталости и износа для соединителей и направляющих.

Illustrative scenario

Ниже приведен сконструированный пример, а не реальный проект.

Оператор планирует использование FPSO на удаленном участке, где экстремальный шторм гораздо сильнее типичной рабочей погоды. Сравниваются две концепции: стационарная внутренняя турель и отключаемая буй-турель.

Для стационарной турели анализ показывает, что определяющим является опрокидывающий момент на подшипнике во время экстремального шторма. Его учет означает более жесткую опорную конструкцию турели и подшипник большего размера. Случай повреждения (потеря одной линии) также определяет размер линий. Команда проекта соглашается на более высокую стоимость стали и подшипника, чтобы обеспечить непрерывность добычи.

Для отключаемой концепции расчетный шторм в подключенном состоянии мягче, что снижает нагрузку на подшипник и линии. Затем команда обнаруживает, что система райзеров должна быть спроектирована для отключенного состояния, а погодное окно для повторного подключения определяет время безотказной работы добычи. Реальный вопрос заключается в том, является ли приемлемым совокупное время в отключенном состоянии плюс риск от каждой операции подключения.

Ответ зависит от того, как часто условия участка фактически вынуждают к уходу, и от того, можно ли спроектировать стационарную турель с надежным запасом прочности. Сравните два варианта по запасу прочности конструкции, эксплуатационной пригодности и риску, используя метеоокеанические данные участка. Не решайте это с помощью эмпирических правил.

Контрольный список для принятия решений

  • Определите экстремальные и рабочие условия окружающей среды, включая преобладающие направления и их устойчивость, прежде чем выбирать тип турели.
  • Подтвердите путь передачи нагрузки от линии к донному анкеру через турель, подшипник и корпус, и проанализируйте это как единую связанную систему.
  • Проверьте геометрию подшипника при деформации корпуса во всех условиях нагружения, а не только в спокойной воде.
  • Рассматривайте опрокидывающий момент как основной случай нагружения подшипника, а не как вторичный.
  • Проверьте целостное состояние, случай обрыва одной линии и переходные режимы на соответствие применимому стандарту удержания на позиции.
  • Скоординируйте массив райзеров и коридоры швартовки, включая риск столкновения в поврежденном состоянии.
  • Примите решение о резервных слотах для райзеров и будущих врезках на раннем этапе, так как турель сложно расширить позже.
  • Определите критические с точки зрения усталости места: стопоры цепей, клюзы, соединения турели с корпусом и подшипник.
  • Если рассматривается возможность отсоединения, определите погодное окно для повторного соединения, последовательность аварийного отсоединения и поведение буя в отсоединенном состоянии.
  • Спланируйте доступ для инспекции подшипника, привода, вертлюга и стопоров на этапе проектирования.
  • Для работ на вертлюге и райзерах, связанных с углеводородсодержащим оборудованием, применяйте полную последовательность изоляции энергии: изолировать, сбросить давление, проверить отсутствие энергии, применить LOTO, контролировать источники зажигания в взрывоопасная зона, проводить непрерывный газовый мониторинг и сбрасывать давление в безопасное место в соответствии с применимыми правилами промышленной безопасности и морскими нормами данной юрисдикции.
  • В самом начале согласуйте с уполномоченным органом требования к классу и сертификации для отсоединяемой системы.

Заключение

На FPSO для суровых условий эксплуатации турель, швартовка и массив райзеров работают как единая система, в центре которой находится подшипник. Учитывайте опрокидывающий момент и деформацию корпуса как основные расчетные случаи для подшипника и рассчитывайте швартовку как для целостного, так и для поврежденного состояния. Выбор между стационарной и отсоединяемой системой сводится к запасу прочности конструкции с одной стороны и эксплуатационным затратам и затратам на безопасность при уходе с точки и возвращении — с другой.

Затем соберите метеоокеанические данные участка и план райзеров, проведите анализ обоих концептов с использованием связанного анализа, требуемого API RP 2SK или ISO 19901-7, и представьте результаты сертифицирующему органу до того, как конструкция корпуса и турели будет окончательно утверждена.