舊油船改造FPSO工程項目的選船方法

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司技術(shù)中心,天津 300452)

1976殼牌公司(Shell)第一次將一艘舊油船改造為5.9萬DWT的FPSO，服役于地中?？ㄋ固貍?Castellon)油田，該油田水深約117 m，位于距離塔拉戈拉(Tarragona)約 64 km處。1986年，我國第一艘“南海希望”號FPSO服役于北部灣潿洲10-3油田，是由17萬DWT舊油船改造而來，是由法國道達爾公司負(fù)責(zé)設(shè)計和新加坡吉寶船廠負(fù)責(zé)建造[1]。

自上世紀(jì)90年代開始，F(xiàn)PSO呈現(xiàn)出不同形式的快速發(fā)展，例如圓形或多邊形FPSO，F(xiàn)LNG及FDPSO等，但船型FPSO仍占主導(dǎo)地位[2]。據(jù)Offshore Magazine 統(tǒng)計，截止2017年12月，全世界有約200多艘FPSO，其中在役FSPO為178艘，利用舊油船改造的FPSO為126艘，約占70%。已有5艘舊油船改造FPSO曾在中海油服役，但這些舊油船改造設(shè)計都是由國外作業(yè)者完成，我國缺少主導(dǎo)油船改造設(shè)計相關(guān)經(jīng)驗。在低油價大環(huán)境下，尤其是在作業(yè)海域環(huán)境條件相對溫和的地區(qū)(如西非，東南亞和巴西)，有大量的舊油船改造FPSO市場的需求[3]。

快速鎖定性價比高的油船決定了油船改造FPSO項目成本、施工進度和改造工作量等，但國內(nèi)相關(guān)研究[4-5]僅初步探討了FPSO 噸位與環(huán)境條件之間關(guān)系，缺少對其他選船影響因素的綜合考慮。因此，綜合考慮油田環(huán)境條件、油田日產(chǎn)量、油船的載重量、系泊選擇、船齡、船體狀態(tài)和價格等因素，結(jié)合國外油船改造FPSO成功經(jīng)驗，建立經(jīng)濟適用的舊油船選取方法。

1 舊油船選取的流程

所述油船改造指通過對現(xiàn)有的運輸船舶(一般是運輸油船)進行改造，建成浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)，同時也適用于油船改造成其他類型的裝置，如浮動存儲和卸載裝置(FSO)，浮動生產(chǎn)和卸載裝置(FPO)，浮式儲存及再氣化裝置(FSRU)。

用于改造的油船需要滿足一系列要求，比如,目標(biāo)布置位置適用性，儲油能力、船上空間和重力分布能否接收布置所需要增加的設(shè)備[6]。汲取國外油船改造典型案例經(jīng)驗，編制油船選取流程見圖1。

圖1 油船選取流程

2 油船噸位的選取方法

2.1 油船選取主要影響因素

2.1.1 船體主尺度影響因素

1)上部模塊的布置。通常情況下，甲板的中間及兩邊安全通道寬度和生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的總寬度決定了FPSO設(shè)計船寬。生活樓、吊貨甲板、生產(chǎn)工藝模塊、系泊系統(tǒng)、船艏艉的原油外輸系統(tǒng)和火炬塔等長度之和即為FPSO的船長。同時，油田油品的不同也會導(dǎo)致工藝流程的改變，增加部分工藝處理模塊，將增加上部模塊的質(zhì)量，同時也會增加油艙艙容。

2)船體儲油量。FPSO的船體是容積型設(shè)計，常規(guī)先確定裝載艙容，后定載重量噸，而儲油艙容積所占比重約為85%～93%。

2.1.2 預(yù)估上層模塊重量

根據(jù)油田預(yù)期的FPSO日處理原油和天然氣的目標(biāo)產(chǎn)量估算上部模塊質(zhì)量。需要根據(jù)FPSO日產(chǎn)量目標(biāo)選配上層模塊各工藝設(shè)備。油船改造FPSO設(shè)計時，針對上部模塊各部分不斷修正設(shè)計參數(shù)，以將上部模塊整體重量控制在一定范圍內(nèi)。

2.1.3 環(huán)境條件對船體載重噸的影響

FPSO所在海域環(huán)境條件中，風(fēng)、浪、流是影響FPSO 載重噸的重要因素。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在環(huán)境條件方面，西非海域最為溫和，巴西，澳大利亞/東南亞和墨西哥灣為中等情況，英國北海、中國南海和加拿大海域最惡劣。海域環(huán)境條件良好的地區(qū)，F(xiàn)PSO載重噸一般較大，如巴西與西非海域的FPSO載重噸大部分為25萬t～40萬t級。

風(fēng)是影響船體穩(wěn)性的重要外部因素，在風(fēng)速較高、波浪浪高較大和流速較快的海域，船體海上安裝難度增加，需要較大的船體主尺度保持船體的穩(wěn)定，因此會增加船體鋼材和安裝費用，如珠江口海域FPSO載重噸不宜小于10萬t級。

當(dāng)FPSO載重噸過大時，惡劣的環(huán)境條件會產(chǎn)生巨大的系泊力，造成對諸如鋼纜、主軸承、錨鏈等提出更高的技術(shù)要求，顯著增加成本。故惡劣環(huán)境條件的海域存在FPSO最大載重噸限制，如在英國北海環(huán)境條件惡劣， FPSO載重噸不超過25萬t級，一般為10萬t～20萬t級。在我國南海北部FPSO載重噸除了南海發(fā)現(xiàn)號為25.5萬t外，均為10萬t ～15萬t級。

2.2 油船噸位估算方法

油田開發(fā)對FPSO的最基本需要是儲油量要求，所以對油船改造FPSO選取方法第一步是確定FPSO的儲量需求。油田最大日產(chǎn)量、影響外輸作業(yè)的連續(xù)壞天氣、外輸作業(yè)周期、穿梭油船噸位等因素決定了FPSO設(shè)計儲油量大小。

目標(biāo)油田的日產(chǎn)量在油田開發(fā)前期已預(yù)估，為了使外輸量與儲油量相匹配，要根據(jù)預(yù)期的穿梭油船噸位和缷油周期確定FPSO的儲量。統(tǒng)計資料顯示，多數(shù)油田的缷油周期約7 d。

通過式(1)或(2)進行改造FPSO儲油量估算[7]。

Q=w+(t+1)q+β

(1)

Q=(t+t1+t2)q+β

(2)

G=Q+λ

(3)

式中:Q為FPSO儲油量，t；w為穿梭油船載重噸，t；t為影響外輸作業(yè)的連續(xù)壞天氣時間，d；t1為外輸一次的生產(chǎn)時間常取7～10 d；t2為穿梭油船受載期國內(nèi)為2 d，國際為5 d；q為油田原油日產(chǎn)量，t/d；β為不可泵處的艙底油，t；G為FPSO載重噸，t；λ為油氣處理設(shè)施、工藝處理艙質(zhì)量和系泊荷載等，取7 000～15 000 t。

式(1)適用于穿梭油船噸位確定，定點運輸；式(2)適用運輸油船大小變化，運輸路線多變，目前國內(nèi)多采用此方法。

2.3 選定油船載重噸級

考慮到轉(zhuǎn)塔安裝、艙室調(diào)整以滿足穩(wěn)性要求及對載重量的影響，相同產(chǎn)油量的情況下，舊油船改造FPSO一般比新建FPSO的載重量大一些,在舊油船選取時要留一定的余量。

根據(jù)不同油船載重噸范圍，目標(biāo)FPSO載重噸約為5萬t，選取巴拿馬型油船；目標(biāo)FPSO載重噸在10萬t左右，選取阿芙拉型油船；目標(biāo)FPSO載重噸在15萬t左右，選取蘇伊士型油船；如果目標(biāo)FPSO載重噸達到20萬t及以上量級，則應(yīng)選擇VLCC進行改裝。

3 船體狀況評估

評估船體的狀態(tài)是油船選取階段最重要的工作，最終選擇的油船要滿足油田設(shè)計的使用壽命要求。若有多艘候選油船，應(yīng)注意整船及其結(jié)構(gòu)部件的強度檢驗結(jié)果，基于現(xiàn)有船體狀況評估疲勞壽命，并根據(jù)船級社疲勞壽命安全系數(shù)要求進行評估，考量其是否滿足FPSO設(shè)計服役年限。

評估船體狀態(tài)的理想做法是，首先，對所有候選油船的船體結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)檢查；其次，對船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計文件進行審核和評估；最后，基于有限元分析方法進行詳細(xì)船體結(jié)構(gòu)評估，掌握船體結(jié)構(gòu)潛在危險區(qū)域。但這種方法通常耗時超過3個月，不符合在投標(biāo)階段中快速鎖定舊油船的要求。故考慮以定性方式為主來審查船體各方面特點，并基于豐富的工程經(jīng)驗來定義相關(guān)參數(shù)，進行初步的結(jié)構(gòu)定量評估，最終作出對候選油船狀態(tài)的合理評估。

3.1 定性評估

船體狀態(tài)影響因素[8-11]，船體狀態(tài)定性評估指基于改造FPSO設(shè)計壽命需求和工程經(jīng)驗，在船體初選階段對各影響因素劃分權(quán)重比，實行百分制評估。根據(jù)分?jǐn)?shù)高低進行排序，篩選出評分高的2、3條油船作為候選船舶，見表1。

表1 油船選擇定性評估內(nèi)容

3.2 定量評估

考慮到FPSO的特性：固定于海上一個區(qū)域，受到特定環(huán)境載荷；永久性系泊，10年不進船塢維修及檢測；系泊系統(tǒng)、上部模塊及立管系統(tǒng)產(chǎn)生的附加載荷；持續(xù)地裝載及卸載貨油，吃水隨之變化，承受載荷比運輸油船復(fù)雜的多。在選船階段評估分析FPSO 的船體結(jié)構(gòu)時，必須對相關(guān)船體構(gòu)件進行強度分析，分析內(nèi)容見表2。

表2 需要結(jié)構(gòu)強度分析的構(gòu)件

選船階段的船體狀態(tài)定量評估是指根據(jù)船級社的結(jié)構(gòu)校核軟件(如必維船級社的MARS軟件)，以二維建模形式來主要校核有：①船體梁強度，包括船體梁剖面模數(shù)，慣性矩，屈曲以及極限強度等。②船體構(gòu)件尺寸，包括板材，加強筋，疲勞節(jié)點等。③其他參數(shù)，如橫截面剪力分布，壓力分布等計算結(jié)果查看。通過以上校核方法對2、3艘候選船只狀態(tài)進行定量評估，再綜合價格因素，最后鎖定性價比最佳的1艘油船作為目標(biāo)油船。