徐信江 孔祥偉
摘要:FPSO具有噸位大、形狀多樣和無動力等特征,其出塢和靠泊作業(yè)是行業(yè)難點。“企鵝”為圓筒型大型FPSO,具有各項同性,不具有航向穩(wěn)定性,易出現(xiàn)渦激振動,產(chǎn)生周期性振蕩的橫向力等現(xiàn)象給操縱帶來巨大挑戰(zhàn)。本文從引航員實操視角給出 “企鵝”由中海油船塢出塢及靠泊全過程的作業(yè)方法及相關(guān)輔助手段,制定了一套完整的作業(yè)流程和體系,總結(jié)了作業(yè)過程中的成功經(jīng)驗,分析了不足之處。
關(guān)鍵詞:圓筒型FPSO;風流載荷;操縱控制;拖船
0 引 言
隨著陸地油氣資源過度開發(fā)不斷枯竭,人類把油氣資源開發(fā)的目光瞄準海洋,深海蘊含著全球40%的油氣儲量。海上油氣加工廠(FPSO)是海洋油氣開發(fā)的有效途徑之一,F(xiàn)PSO是集生產(chǎn)、儲油、卸油為一體的海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置?!捌簌Z”號(見圖1)是國內(nèi)自主設(shè)計與建造的最大的圓筒型FPSO,其儲油能力達400 000桶?!捌簌Z”的出塢、靠泊、傾斜試驗及后續(xù)浮裝工作均需多方協(xié)同制定嚴格的操作規(guī)程。本文以2021年2月10日FPSO“企鵝”(見圖2)自青島海西灣中海油海工碼頭出塢靠泊作業(yè)為典型實例。“企鵝”技術(shù)參數(shù):最大直徑(不含碰墊):87.5 m,船體直徑:70 m,出塢吃水(含底部鋅塊0.5 m )7.7 m,排水量>30 000 t,船體周圍有防腐蝕的鋅塊,拖船只可拖不能頂。
“企鵝”是典型的圓筒型FPSO,且中間細,兩端粗,類似“啞鈴”,且上下不完全對稱,通過查閱資料和實操總結(jié),圓筒型FPSO其操縱特點如下:
(1) 由于其圓筒型結(jié)構(gòu),在水面上及水面下均擁有對稱性,具有各項同性,不具有航向穩(wěn)定性,對于風浪流的方向不敏感;
(2) 相同裝載情況下,水線面積更大,具有更強的抗傾覆能力,抗載荷能力強,同天氣條件下,海上作業(yè)狀態(tài)更加穩(wěn)定;
(3)出塢時對塢門處流體具有阻塞效應,流速增加,出塢過程中出現(xiàn)易變阻力現(xiàn)象,受力不均勻情況下,更容易旋轉(zhuǎn),而且由于其圓形結(jié)構(gòu),判斷偏轉(zhuǎn)及運動方向時難度更大;
(4) 相比船型結(jié)構(gòu),其運動更具有不確定性,受力時更易于偏蕩,且易伴隨旋轉(zhuǎn),自我恢復能力差;
(5)大型圓柱航行中易出現(xiàn)渦激振動現(xiàn)象,產(chǎn)生周期性振蕩的橫向力,對切向力反應敏感,且拖船等輔助操作時由于其弧形表面影響,對施力方向判斷參考性較差,相比其他類型操作誤差加大。
由于圓筒型FPSO的自身特征對本次出塢靠泊作業(yè)帶來較大難度,國內(nèi)目前在該類型FPSO出塢靠泊作業(yè)缺乏相關(guān)案例,青島引航員在考慮風流載荷與多艘拖船共同作用下順利完成了“企鵝”號出塢及靠泊作業(yè)。過程中所采用的操作思路、技巧及注意事項等本文所研究成果供同行參考。
1 作業(yè)環(huán)境及圓筒型穩(wěn)性計算分析
1.1 船塢及操縱水域特點
中海油船塢,如圖3所示,長420 m,寬110 m,深13.9 m,走向為288.5°,兩側(cè)有防撞條,但對“企鵝”防護作用很小,且口門處有3個廢棄沉箱,難以清理,其大小為49×43 m,且完全裸露,無任何防護,為操作中較大的一個風險點。塢門外可用水域直徑150 m,趁潮可用水域最大250 m,流速較小,塢內(nèi)浪涌影響可以忽略,受風影響較大,操作窗口期應主要考慮天氣因素。礙航浮筒均已移除,航道僅剩一個浮筒,與碼頭間距最近處約270 m,靠泊碼頭為中海油碼頭(圖3a右上角停船處),靠泊后距船塢方向碼頭角約80 m,對內(nèi)側(cè)拖船操作有一定影響。
1.2 圓筒型 FPSO 的穩(wěn)性分析
常規(guī) FPSO 的外形類似于船形,或者直接由大型油輪改造加裝而成,而類似于“企鵝”的FPSO,其最大的特點是其主體為圓筒形狀,這種特殊的外形直接決定了該 FPSO 作業(yè)時穩(wěn)性特點。在實際操作中,F(xiàn)PSO 本身具有的穩(wěn)性是應該考慮和分析的因素之一,通常情況下,評價平臺穩(wěn)性需要通過靜態(tài)穩(wěn)性曲線來判斷(如圖 4所示,GM 初穩(wěn)性高度;橫軸為橫傾角;縱軸為扶正力臂;B為靜穩(wěn)性曲線)。
理論上講,初穩(wěn)性高 GM 的計算公式為 :
GM=KB+BM-KG? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)
式中: KB 為浮心高度,BM 為初穩(wěn)心半徑,KG為重心高度。
BM = I T / Δ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(2)
式中:IT 為水線面對中心軸的橫向慣性矩,Δ為水線以下的排水體積
假設(shè)標準圓筒浮體直徑為 D,圓形水線面的橫向慣性矩為
F圓 =( πD4 ) /64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(3)
由以上公式可知,圓筒型 FPSO 可以通過增大其水線面面積來提高穩(wěn)性性能,而且近似規(guī)則的圓筒型 FPSO本身具有更大的初穩(wěn)性高度 GM。在實際情況下,BG值基本確定,BR的值由排水體積的形狀而決定,當傾斜的角度在可控范圍內(nèi)越大,BR 的值隨之變大,GZ 的值也隨之變大,則平臺穩(wěn)性越好。通過計算及查閱資料可知,在相同的條件下,圓筒型 FPSO 要比船型 FPSO的穩(wěn)性更優(yōu)秀。
2 操縱模擬器試驗
2.1 作業(yè)前對企鵝的基本認識
(1)移動過程中最重要的是控制船體的旋轉(zhuǎn);
(2)船體上層建筑的不均勻分布,風載荷不對稱,易造成其旋轉(zhuǎn);
(3)在用拖船抑制旋轉(zhuǎn)的過程中,往往會發(fā)生船體橫移;
(4)由于船體運動慣性,克服旋轉(zhuǎn)和橫移需要較長的過程。
鑒于以上認識,在移動船體的過程中,應該允許其有一定的旋轉(zhuǎn)和橫移,但應嚴格控制其旋轉(zhuǎn)和橫移幅度。
2.2 模擬器實操
由于其船型的特殊性和障礙物(廢棄沉箱)的存在,為測試作業(yè)風險性和可控性,對該流程利用模擬器進行了模擬試驗,結(jié)果如下:
通過仿真模擬試驗,風力 4 級條件下,由于 FPSO“企鵝”受風面積大,船塢尺度有限,拖船放纜拖位狀態(tài)下在塢內(nèi)操縱受限,船位控制困難,出塢風險較高;
塢內(nèi)移動過程中,由于“企鵝”圓筒型結(jié)構(gòu),在拖船及纜繩作用下,在受力不均時,F(xiàn)PSO“企鵝”易產(chǎn)生明顯偏轉(zhuǎn),可能導致其旋轉(zhuǎn)角速率過大(如圖 5 所示), 需要不停地調(diào)整塢邊纜繩的受力和前后拖船拖力方向和大小,才能維持“企鵝” 的穩(wěn)定姿態(tài),及時的動態(tài)判斷和姿態(tài)調(diào)整是重點和難點。
為了保證拖帶出塢安全,拖帶需限制作業(yè)條件及保障措施。通過模擬器實操試驗得出結(jié)論如下:
(1)拖帶作業(yè)過程中應嚴格控制風力等級,風力不超過 3 級進行出塢作業(yè), 當風力超過限制條件時應禁止作業(yè);
(2)作業(yè)期間此季節(jié)內(nèi)該工程水域多以 NW 風和 N 風為主,在吹開風的作用下,“企鵝”向南岸漂移明顯,為保障安全,北側(cè)需至少保留 3 根塢邊纜繩;
(3)在“企鵝”的南北兩側(cè)底部外緣(87.5 m最寬處)處加裝一定數(shù)量的防撞碰墊;
(4)舾裝碼頭邊纜機上纜繩長度至少 220 m(有效出纜長度約為150 m)。
3 圓筒型FPSO出塢與靠泊作業(yè)
3.1 出塢作業(yè)
經(jīng)多次交涉和探討,圓筒型FPSO出塢前狀態(tài)如圖6所示。
北側(cè)留三根纜繩,分別通過絞盤C5、C6、C7控制,其用途有兩個:①出塢前固定船位;②出塢過程中作為“安全繩”,隨船體移動隨時調(diào)整,協(xié)助拖船共同控制“企鵝”,抑制偏轉(zhuǎn)及防止向南橫移過大而觸碰南岸壁或廢棄沉箱。1號和2號拖船帶“Y”型纜,提供縱向力,3號拖船輔助控制船體旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)計算,13:00,潮高滿足通過塢門檻富余水深的要求,當時風力3級,風向東稍偏北,所有人員就位,開始出塢作業(yè)。C5、C6和C7纜繩緩慢放松,1號和2號拖船向南岸偏轉(zhuǎn)10°以最慢車拖帶(經(jīng)查證1號和2號拖船最慢車拖力分別約為32 t和22 t),“企鵝”與北岸壁離開5~10 m距離后,拖船回正,1號拖船拖力保持略大于2號(兩拖船同時施力,可有效抑制偏轉(zhuǎn)),緩慢向塢門方向移動,3號拖船和北岸側(cè)纜繩共同作用控制其旋轉(zhuǎn)。移動初始階段,C5和C7纜繩起主控作用,當“企鵝”向外移動大約一個直徑距離時,C5纜繩過長,角度也接近平行碼頭,失去作用時將其解掉,由 C6接替C5,和C7共同來協(xié)助控制姿態(tài)(受碼頭設(shè)施限制,纜繩可受力約10~15 t,可控范圍內(nèi)主要依靠拖船)。
出塢的整個過程中,移動速度不超過0.8 kn, 1號和2號拖船既調(diào)整拉力大小控制縱移速度,同時兼顧調(diào)整拖纜角度控制偏轉(zhuǎn),當“企鵝”中心與碼頭角平齊時,將C6、C7纜繩全部解掉。13:30,到達如圖7位置,帶好4號拖船,至此出塢成功,進入下一步操作。
3.2 靠泊作業(yè)
(1)船塢離清后,換4號拖船主拖,1號、2號及3號拖船控制偏轉(zhuǎn)及偏蕩,將其拖帶到舾裝碼頭外檔150 m處,解掉2號拖船,在其位置處加裝隔離駁(如圖8),加裝過程中必須保持“企鵝”狀態(tài)穩(wěn)定(無明顯橫移及偏轉(zhuǎn)),隔離駁共需8根纜繩固定,二者必須保持長時間相對靜止,隔離駁由另一拖船傍拖擺好位置,由隔離駁上工人固定纜繩,耗時約40 min。
(2)由3號和4號拖船調(diào)整拖力方向至偏向碼頭側(cè)30°左右, 1號拖船協(xié)助控制移動速度和抑制偏轉(zhuǎn),緩慢靠向中海油碼頭,距碼頭60~80 m處,由小型帶纜船依次帶好內(nèi)側(cè)四根纜繩,通過岸側(cè)四臺纜車控制絞纜,協(xié)助拖船將“企鵝”緩緩絞靠碼頭(見圖9)。
3.3 作業(yè)小結(jié)
前期準備充分,出塢及靠泊完成比較順利,但仍需認真總結(jié),細節(jié)處仍有待改進,本次實操作業(yè)小結(jié)如下:
(1)由于設(shè)備原因,岸側(cè)的纜繩沒有充分發(fā)揮作用,纜繩承載不夠,收放纜速度需進一步提高;
(2)拖船力量足夠控制圓筒型FPSO “企鵝”所受風流載荷,1號、2號拖船大部分時間只需最慢車或慢車,調(diào)整拖力方向來控制圓筒型FPSO所受的剪切力是重點;
(3)操作中重點控制圓筒型FPSO的橫移和偏轉(zhuǎn),作業(yè)中沒有出現(xiàn)過大的橫移和過快的偏轉(zhuǎn);
(4)系解纜繩的小型船操作嫻熟,比預期順利,整個過程比預定操作時間縮短了1 h左右??坎磿r風偏吹向碼頭,彌補了纜車功率的不足(拖船靠近碼頭時操作空間所限無法提供向碼頭方向的動力)。
3.4 操作技巧及注意事項
(1)提前預定準確天氣預報
得益于天氣預報提供的精準信息,本次作業(yè)選定在2月10日,天氣條件為能見度兩海里以上,風力3級,風向東略偏北,海面平靜,所需潮高時間段均為白天,為該季節(jié)難得的作業(yè)窗口期。
(2)現(xiàn)場查看
制定引航方案前,需組織相關(guān)人員多次查看現(xiàn)場,查看的重點為被引船或平臺的形狀、構(gòu)造、纜樁設(shè)置、導纜孔位置、安全負荷、作業(yè)及周邊水域狀況等。船舶或平臺的設(shè)計者或工程人員,不一定了解引航員的操縱方法和意圖,有些設(shè)置或裝備就可能不能滿足引航作業(yè)要求,令其整改,并落實到人。
(3)引航員站位選擇
有些船舶特別是近些年出現(xiàn)較多的海上作業(yè)平臺,上層建筑或設(shè)備較多,站在某一個點上,不能夠看到船舶或平臺的全貌,對船舶或平臺運動態(tài)勢的判斷勢必會受到影響,這種情況下,可以選擇多個點,走動觀察,或者配備多名引航員,分開站位,將觀測信息提供給主引航員,供主引參考采取決策。
(4)選擇適當?shù)淖鳂I(yè)時機
近年來,無動力平臺的外形趨于多樣化,多數(shù)無動力平臺都不裝備助航儀器,這樣就對引航員的觀察和判斷提出很高的要求,隨著船舶或平臺大型、異形化,引航操縱的難度和風險陡增,所以,要根據(jù)作業(yè)難度選擇作業(yè)時機,包括潮汐、風力、能見度情況等要限制在合理的范圍之內(nèi)。
(5) 拖船的合理配置
無動力船舶或平臺任一運動要素的改變都需要靠外力來完成,所以拖船的合理搭配就特別重要,要有足夠功率的拖船,并且要安排在合理的位置上,以發(fā)揮其最大功效。安排拖船的原則為:拖船必須可以提供任何方向、足夠有效的力量。很多情況下如船體結(jié)構(gòu)特殊或是裝載情況等,拖船只能拖不能頂,這樣不僅增加了拖船的操縱難度,拖船的作用效果也大打折扣,引航員還要分配精力來照顧拖船。此類作業(yè)應選用船況好、駕駛員操作水平高的拖船,以確保作業(yè)安全。
(6)相關(guān)方的合作
引航就是一個多方相互合作的過程,對無動力船舶或平臺而言,更是如此。作業(yè)前召開船前會十分必要,在前期準備和溝通的基礎(chǔ)上,各方面對面敲定具體事項,關(guān)鍵細節(jié)必須要落實到人。作業(yè)中,與拖船之間的溝通,語言要簡練準確清晰,對于異形船舶或平臺,需提前約定船首、船尾、左右舷及指令形式,以保證對指令理解的統(tǒng)一性;與碼頭各方的聯(lián)絡(luò)通過現(xiàn)場總指揮來完成,總指揮需一直不離主引航員左右,并要求其與各作業(yè)點聯(lián)絡(luò)時刻保持暢通;其他引航員與主引航員之間的溝通最好選擇另外一個頻道進行,以保證工作頻道的清爽,也防止被其他相關(guān)方誤聽造成不必要的麻煩。
(7)“企鵝”形狀的制約
“企鵝”并非是一個規(guī)則的圓筒型,兩頭粗,中間細,下部完全沒入水中,這對指揮員的判斷有很大影響,而且底部圓盤有三個大的缺口,前期在靠近岸壁可能發(fā)生碰撞的位置預先固定了大型輪胎防撞,以備不時之需,但后期的操作還是應慎之又慎。出塢過程中,盡量讓“企鵝”沿塢中心外移,避免不必要的碰撞和摩擦。后期靠泊時隔離駁接觸碼頭,有利解決了弧形外舷靠泊的問題,只需緩慢平貼即可,與規(guī)則形狀FPSO操作無異。
4 總 結(jié)
大型FPSO的操作一直是技術(shù)難度很高的一類作業(yè),其受限因素非常多,如氣象水文、港口條件、拖船操作以及包括引航員在內(nèi)的多團隊的協(xié)作等等,往往開弓沒有回頭箭,其重點是前期大量的研討溝通以及操作細節(jié)的確定。其中,時間窗口的選擇是重中之重,但是受季節(jié)、船期以及項目要求等制約,很多時候都是選擇比較合適的窗口期,而不是犧牲大量時間去等待完美的窗口期,所以研討階段,要覆蓋各種可能的條件,還要有充足的應急預案,不僅限于突發(fā)天氣海況和機械故障的發(fā)生。隨著這類FPSO的建造,我們會有越來越多的機會參與到類似的特種船操作中來,操作經(jīng)驗也會越來越多,希望每一個操作者都能認真總結(jié),分享出來,給后期參與此類操作的同仁以參考,同時,認真的總結(jié)也是對自己的一次難得的提高機會。
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作者簡介:
徐信江,本科,一級引航員,(E-mail)xuxinjiang1981@163.com,15505321146
孔祥偉,本科,高級引航員,15505321142