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小伙伴们，小融科普好久没露面了，不知道你是否很期待呢？
今天的主题是：FPSO内转塔单点系泊系统
FPSO是浮式生产、存储、卸载单元的简称，因其优秀的海况适用能力和可以避免建设价格昂贵的海底长输管线，在全球各个海域都有应用。FPSO根据生产和存储的介质类型不同，还可以将浮式液化石油气船（LPG）、浮式液化天然气船（FLNG）和浮式存储外输船（FSO）纳入进来，截止到2015年，全球共有218艘，在过去十年间全球范围内的年平均增长率为5.8%，半潜、TLP和SPAR三种浮式生产平台加起来的年平均增长率只有2.5%。
内转塔与外转塔
单点系泊的FPSO通过均布式或分组式锚链将转塔系泊于海底，FPSO船体在风、波和流环境荷载的作用下可以绕转塔360度旋转，实现最小的环境荷载，被称为风向标效应。这也是转塔型单点系泊对比多点延伸系泊最突出的优点。在滑环技术尚不成熟的90年代，为了避免使用价格昂贵的滑环，挪威人还使用过可以旋转±270度的拖链式系统，在一片吐槽声中退出了历史的舞台。
风向标效应（curtsey SBM）
转塔系统通过单点系泊使FPSO保持同一位置，允许船体根据环境条件实现风向标效应，并在船上的油气处理工厂和立管间输送油、气、水和化学药剂等介质，传输电力、液压、光电信号等。
如何减小FPSO系泊后的运动响应是设计者首要关注的问题，首先是怎样迅速容易地让船体绕转塔实现风向标效应。转塔在纵向上位置决定了风向标效应的容易程度。如果转塔位于船中，可能就没有风向标效应。因此设计者倾向于将转塔尽可能向前放，单从这方面来说，外转台更有优势，而且不占用船体储油空间，实现最大收益。
然而事物都有两面性，将转塔放到船首或悬伸出船首也有不可忽视的缺点。首先，生活楼将位于滑环下风向，后者是潜在最大的泄露风险源，其次，波浪冲击的时候，远离船舶重心的船首运动响应最大，特别是在深水系泊时，单点位置前移会导致立管荷载的动态放大效应，而且外转塔单点的立管和转塔都在波浪拍击的范围内，不适合环境条件恶劣的海域，因此外转塔只适用海况环境温和到中等的水域，比如西非、东南亚、巴西等海域。
用于马来西亚海域的外转塔单点系泊FPSO（curtsey BW Offshore）
北海、南海和墨西哥湾是全球知名的海况恶劣海域。北海秋冬季节狂风长期肆虐，一年中恶劣海况的时间较长，体现在波浪大，但风速稍小，冬季风暴可以预测。百年一遇有义波高达到16m左右，风速达到40m/s。
墨西哥湾，处在大西洋飓风的典型路径上，波高小于北海，但飓风可以很轻易达到最大的5级，风速超过70m/s，而且难以预测。南海极端工况波浪介于两者之间，风速也介于两者之间。南海的百年一遇台风相当于3级飓风，千年一遇台风相当于4级飓风。百年一遇波浪的有义波高达到14m左右。
下图是热带风暴的典型路径
在北海、墨西哥湾和南海这样的海域使用FPSO就要考虑减少船体和转塔处立管系统的运动响应。为了减小船体和转塔处立管系统的运动相应，则要求转塔位置尽可能靠近船体重心，这是与风向标效应的要求相矛盾的。内转塔单点就是平衡这两个矛盾要求的产物，是在恶劣海况海域FPSO的主要系泊形式。
主动式内转塔与被动式内转塔
内转塔单点按照风向标效应产生的方式可以分为被动式内转塔和主动式内转塔。被动式内转塔依靠环境荷载自然地实现风向标效应，世界上大部分内转塔都是被动式内转塔。主动式内转塔系泊由推进器辅助船体实现风向标效应。
主动式内转塔一般位于距离船首三分之一处，距离船中仅有六分之一船长，可有效减少系泊力和立管疲劳损伤，但风向标效应不明显，需要通过推进器进行艏向控制来达到风向标效应。
带艏向控制系统的SHARV FPSO（curtsey SBM）
主动式内转塔单点系泊减小了动态荷载，降低了单点舱上浪的风险，提高了立管系统的疲劳寿命。在非风暴工况，艏向控制系统还可以减少船体振动和纵摇，提高船员的舒适度，同时保持和风向约15度的夹角来改善上部组块的通风效果。在外输工况，艏向控制系统可以减弱对外输不利的鱼尾效应和小幅摆动。
人无完人，它们也是有缺点的：
单点舱靠近船中，占用储油空间，对船体强度设计带来挑战；
能耗巨大，费用昂贵，维修保养成本高。SHARV FPSO上有5个3.5MW、重量达64吨的推进器。
全船断电（BLACK SHIP）工况不可避免。
正如墨菲定律，可能出问题的地方都会出问题。原德国劳氏船级社的调研表明，尽管在艏向控制上有冗余的系统设计，但全船断电的工况确实会发生，因此规范规定在北海FPSO要考虑百年一遇同时艏向控制失效的工况。这也使得SHARV FPSO的系泊荷载达到惊人的5000吨。
由于高昂的综合成本，主动式内转塔仅在北海有较多应用。
船体集成型SIT（Ship Interpret Turret）内转塔
中海油是FPSO应用的先驱者，是拥有FPSO数量最多的公司之一。南海的FPSO都采用被动式内转塔单点系泊，内转塔位于距船首十分之一船长的范围内。
内转塔单点系泊系统包括滑环堆栈、内转塔、柔性立管系统，锚腿，内转塔（含滑环堆栈）是FPSO中最昂贵的系统，没有之一。尽管全球范围内内转塔的主要供应商（SBM,APL,SOFEC,BLUEWATER）都在说自己的产品已经实现模块化、系列化，实际上内转塔的采办实质还是“私人定制”。
按照内转塔的结构形式，可将内转塔分为船体集成型SIT（ship interpret turret）内转塔和浸没型内转塔。不同厂家的SIT内转塔结构也不相同，SBM根据主轴承位置的不同又可以分为顶部嵌入式TMIT（top mounted internal turret）和底部嵌入式BMIT（bottom mounted internal turret），区别在于主轴承嵌入船体的位置。值得一提是正在详细设计阶段的海洋石油119 FPSO将是时隔20年后南海再次使用SIT型内转塔，而中标的单点厂家SBM将提供底部嵌入式BMIT内转塔。
SBM公司TMIT与BMIT（curtsey SBM）
轴承是实现风向标效应的基础，并将系泊荷载、立管荷载和转塔自重从转塔传递到船体，可以说轴承的选择决定了SIT内转塔的结构形式。装配精度、密封和结构支撑是大型轴承系统应用成功的关键。
（1）三列滚柱式轴承
三列滚柱式轴承（curtsey SBM）
三列滚柱式轴承稳定可靠，承受荷载能力强，保养简单，在内转塔中应用广泛。受限锻造件的尺寸,三列滚柱式轴承直径最大可以做到10m,这就限制了内转塔悬挂立管数量（约20根）。三列滚柱式轴承可以用做TMIT和BMIT的主轴承。用于主轴承时，对于轴承支撑结构的制造精度和刚度都有着很高的要求，因此单点厂家提供轴承支撑结构，与船体集成的是轴承支撑结构而不是轴承。由于无法现场更换，如何使轴承的动密封达到15年甚至20年的寿命也是一大挑战。
（2）分布式滚轮轴承
分布式滚轮轴承（curtsey SBM）
分布式滚轮轴承直径没有限制，目前已经应用的最大直径接近30m。分布式滚轮可以在线更换，可与径向滚轮轴承、摩擦轴承组合使用来提高系泊荷载的承受能力。如图6所示。目前已经使用分布式滚轮轴承的内转塔最大系泊荷载达到了10000吨（ICHTHYS VENTURER FPSO）。分布式滚轮轴承也使内转塔悬挂立管的数量大大增加，悬挂的立管数量最多的内转塔是巴西国油的P-53 FPSO，悬挂了多达75根立管，巨大型内转塔的概念设计可行允许悬挂超过100根立管，当然应用地点是环境条件温和的西非海域。
（3）滑动轴承
滑动轴承（curtsey APL）
滑动轴承对制造公差的要求不高，可浸没在海水中实现自润滑，一般作为SIT内转塔的下轴承（辅助轴承）。
（4）管汇系统
典型管汇布置（curtsey SBM）
管汇系统是转塔中立管接入滑环堆栈的过渡，实现了布置紧急关断阀、收发球设备以及汇集油气介质到滑环通道等功能。管汇和立管一样是相对大地固定，相对船体转动部分。
（5）滑环堆栈
SBM滑环堆栈的发展（curtsey SBM）
滑环堆栈是一系列液滑环、中压电滑环、公用系统滑环、低压电滑环和光信号滑环的组合。液滑环一般采用环腔滑环。制造滑环的技术挑战在于：
# 锻造件结构复杂，尺寸精度要求高
# 介质可能是高温高压，并有腐蚀性
# 动密封系统设计
液滑环一般都由带冗余设计的两道唇形密封和油压密封组合使用。油压密封使用压力高于生产介质的液压油来实现隔离与控制泄露方向，同时通过监测液压油的消耗量来监测密封泄露。下图是静态油压密封的示意图。
SBM滑环堆栈的发展（curtsey SBM）
浸没型内转塔
如果说SIT内转塔是豪华型，那浸没型内转塔就是经济型。浸没型内转塔的典型代表为浸没型输送转塔STL(Submerged Turret Loading)和浸没型生产转塔STP (Submerged Turret Production)。STL型内转塔通过锥形浮筒系泊于海底，安装时提升到船体下部的锥形空间，通过液压锁紧，立管悬挂在浮筒下方。单通道的滑环位于船体内部，带自润滑功能的滑动轴承位于浮筒内部。解脱时，锥形浮筒沉入水下，免受表面波浪的影响。由于结构简单，解脱方便，STL适用于环境恶劣的海域或冰区海域的输送作业，在液化天然气存储再气化船FSRU上也有光明的应用前景。新的设计表明STL还可以应用到水深30m的浅水海域。
STL浸没型输送内转塔（curtsey APL）
STP转塔是STL转塔的优雅的升级，锥形浮筒内部可以悬挂多达10根立管，船舱内部紧凑型设计的滑环堆栈和管汇也可以满足生产需求。STP转塔也可以实现快速解脱。在南海作业的FPSO大部分都采用这种内转塔。
STP浸没型生产内转塔（curtsey APL）
是不是有点视觉疲劳？给大家讲个“段子”吧~
千年一遇的飓风Katrina和Rita在2005年间隔不到一月的时间内相继袭击了墨西哥湾，造成数以百计的管线和平台受损，19艘移动式钻井平台走锚或漂移，雪弗龙的SEATAR TLP倾覆。然而，在距离飓风风眼仅60英里远，使用STL内转塔系泊的Gateway FSRU在飓风期间一直淡定的输送天然气，成就了一段业界传奇。
尽管美国政府在2002年就通过了FPSO的环境评价，官方认可了FPSO的安全性，但一直没有FPSO的出现。美属墨西哥湾的油公司在2005年以后开始考虑FPSO的使用。30万吨FPSO在飓风中和失去系泊漫游的钻井船相撞，后果将会是灾难性的，想想都害怕，因此油公司们自发的约定都采用可解脱式内转塔，谁都不敢在飓风频发的墨西哥湾里冒险。截至目前美属墨西哥湾仅有两艘FPSO使用，限制FPSO发展的不是FPSO本身，而是穿梭油轮。美国二十年代出台过一个琼斯法案，要求航行于美国港口间的船舶必须是美国船籍、美国制造、美国控股（75%），美国人操作，这使得穿梭油轮的综合成本高达国际市场平均成本的2.5倍，阻碍了穿梭油轮的发展。而FPSO是非航行船舶，不受琼斯法案约束，可以在全球市场采办购。
飓风Katrina和Rita中受损的钻井平台
那么问题来了？飓风来临，跑还是不跑？
跑路有跑路的成本，不跑路更需要实力。
STL内转塔和STP型内转塔都可以实现快速解脱，SIT型单点也可以设计蜘蛛浮筒（浮筒悬挂锚链和立管）进行快速解脱。所谓的快速解脱和安装，包含必要准备工作如关井、关阀、置换和下放立管等，其实都需要若干小时。单次解脱到恢复生产可能会浪费十来天的生产时间，更为重要的是FPSO一般是不能自航的，拖航避风需要租用大马力拖轮，这是非常烧钱的行为，为FPSO配备绝大部分时间都用不到的推进器则更加烧钱。目前在南海服役的FPSO即便采用了STP内转塔，但大部分都是不解脱的。一些FPSO是从二手油轮改造而来，强度有限，不得不设计成可解脱的。不解脱的FPSO对船体和单点系泊的强度要求更高，自存和校核工况的选取也更加严格，但不会明显增加成本。目前海洋石油119系泊设计采用了千年一遇的校核工况，北海和澳洲的FPSO对系泊设计甚至采用了万年一遇的校核工况。
内转塔单点系泊发展趋势
超大系泊荷载（10000吨）
ICHTHYS VENTURER FPSO, 作业于西澳北部海域的,是当今系泊荷载设计最大的内转塔FPSO。
Ichthys Venturer FPSO 内转塔（curtsey SBM）
深水+新型立管
FPSO相对于半潜、TLP、SPAR等浮式生产系统中对升沉运动抑制较差，因此立管系统需要和船体运动解耦，采用懒波型立管构型，而不能采用SCR型立管。柔性立管深水应用条件下会更加昂贵且采办周期延长，行业内在寻求深水柔性立管的替代品，钢质懒波型立管SLWR就是最有希望的一个。
Espirito Santo FPSO，安装于巴西BC-10油田，作业水深达到1780m，配备是首个悬挂钢质懒波型立管的内转塔。
BW Pioneer FPSO，首个作业于美属墨西哥湾的FPSO，作业水深2600m，配备世界上唯一悬挂自由站立式立管的可解脱的内转塔。
Turritella FPSO，美属墨西哥湾作业水深达到2900m，配备世界唯一悬挂钢质懒波型立管的可解脱的内转塔，锥形浮筒排水量达到6000吨。
Turritella FPSO 内转塔（curtsey SBM）
超大型FPSO-FLNG（60万吨）
Prelude FPSO, 作业于澳大利亚西北海域的,船长488m，船宽74m，排水量达60万吨，等于6艘大型航空母舰的排水量。
Prelude FPSO（curtsey SHELL）
纵观内转塔单点系泊的发展和现状，既有深水化，大型化的趋势，也有简单化、浅水化的应用，一句话概括就是“地有多大产，人有多大胆”，如果说南海内转塔单点的应用和国际前沿还有差距，那就是还差一个高产的深水油田或气田。
随着中国海工装备制造业的发展和FPSO强劲的国际市场需求，可以预见国内FPSO和单点转塔制造还有很大的发展空间。
中国的“煤改气”已经打乱了国际天然气市场的平衡，那些因为低气价搁浅的海上天然气项目可能再次复活，可以预见有更大的海上液化天然气工厂FLNG还会再次出现。