深遠海多功能原油轉(zhuǎn)駁船創(chuàng)新設(shè)計

吳承恩，蔡 靈

（南通中遠海運船務(wù)工程有限公司，江蘇南通 226001）

0 引言

規(guī)模化的離岸深水原油開采離不開以（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）為主的海上集約化生產(chǎn)、儲存、轉(zhuǎn)駁與輸送設(shè)備。其中，原油轉(zhuǎn)駁外輸系統(tǒng)作為關(guān)鍵裝備，是制約我國石油公司進軍深海的主要技術(shù)瓶頸之一。目前，全球范圍內(nèi)有超過200艘的FPSO在各個油田工作，F(xiàn)PSO的工作海域不斷擴大，廣泛應(yīng)用于中國渤海和南海、北海、東南亞、非洲西部等海域，已成為海上原油生產(chǎn)裝備的主力軍。深海油田原油外輸成本高、效率低、對原油價格影響顯著。與常規(guī)油船相比，穿梭油輪數(shù)量少，載重量小，單位造價高。如何在大規(guī)模、遠距離深海油氣資源開發(fā)中充分發(fā)揮常規(guī)油船數(shù)量多、造價低、載重大、運輸成本低的優(yōu)勢，在不經(jīng)改造的前提下將現(xiàn)有原油船用于深海油田的原油運輸作業(yè)，成為最新研究方向[1]。為適應(yīng)深海原油開采及運輸行業(yè)降低整體轉(zhuǎn)運成本的市場需求，發(fā)掘新的利潤空間，各大石油開采公司著力提高30萬噸級常規(guī)油輪運輸能力以降低穿梭油輪在遠距離運輸情況下的高昂成本。本文提出一種全新原油外輸作業(yè)應(yīng)用模式“FPSO+原油轉(zhuǎn)駁船（Cargo Transfer Vessel，CTV）+常規(guī)油輪”[2]，即FPSO處理的原油通過CTV過駁到常規(guī)油輪上（見圖1）。該設(shè)計突破了部分邊際油田必須配置穿梭油船的瓶頸，提高了常規(guī)油船的作業(yè)范圍和作業(yè)條件，CTV的投入與使用降低了原油的整體外輸成本[3]。

圖1 “FPSO+CTV+常規(guī)油輪”原油輸送模式

1 經(jīng)濟性優(yōu)勢

下面從經(jīng)濟性方面對比“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”應(yīng)用模式和傳統(tǒng)的“FPSO+穿梭油輪”模式。在遠距離運輸時，CTV轉(zhuǎn)運每桶油大概可節(jié)約1美元的運輸成本，對于一艘 30萬噸級的超大型油輪（Very Large Crude Carrier，VLCC）而言，單次可節(jié)約運輸成本約200萬美元。CTV配合不同載重噸位油輪使用時節(jié)約成本情況見表1。

表1 經(jīng)濟效益表

2 同類型比較

利用VLCC級常規(guī)油輪從FPSO卸載原油還有2種其他解決方案：1）借助CALM裝置和拖輪輔助。但由于CALM的安裝費巨大，經(jīng)濟性差，不具有通用性，拖輪輔助的艉輸方式目前只在我國海域使用，環(huán)境適用性受限。2）Hiload托舉方式，即借助工程船HiLoad下潛移動至VLCC下方后將其托舉并拖航至FPSO外圍的安全區(qū)，進而完成原油的轉(zhuǎn)運。然而，Hiload托舉方式存在水線面短、排水量低等缺陷，惡劣海況下VLCC的穩(wěn)性無法保證。原油轉(zhuǎn)運作業(yè)方案對比情況見圖 2，綜合考慮操作的簡便性、工作的可靠性、海域的適應(yīng)性、轉(zhuǎn)運的經(jīng)濟性等因素，CTV是目前針對深海油田遠距離海上原油轉(zhuǎn)運應(yīng)用場景下的最優(yōu)解決方案。

圖2 油轉(zhuǎn)運作業(yè)方案對比

3 主要技術(shù)突破

3.1 原油外輸全新模式

針對深海原油運輸成本高問題，引入了“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”的原油外輸全新模式，改進了現(xiàn)有的FPSO原油外輸過程，研制了一種新概念CTV，突破了常規(guī)油輪不加改造就能從事深海油田原油運輸作業(yè)的技術(shù)瓶頸，降低了原油輸送成本。

1）應(yīng)用“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”低成本原油外輸模式

對于深海遠距離運輸，穿梭油輪高昂的造價和運輸成本一直是海上石油運輸公司營運過程中的痛點，雖做出了一些嘗試，但無論是借助于系泊裝置CALM 還是Hiload托舉常規(guī)油輪方式轉(zhuǎn)駁原油都存在明顯不足，無法成為一種理想的解決方案。本項目綜合考慮經(jīng)濟性、適用性、可靠性等多方面因素，提出“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”的遠距離海上原油轉(zhuǎn)駁方案。根據(jù)目前在巴西海域作業(yè)的 CTV的實際使用狀況，該方案具有良好的適應(yīng)性及作業(yè)可靠性，有效降低了原油的轉(zhuǎn)運成本，達到了船東的設(shè)計期望。在深海遠距離原油運輸領(lǐng)域，CTV模式有望逐步取代穿梭油輪的模式，推動該領(lǐng)域運輸模式的變革。

2）提出CTV船型減搖尾鰭優(yōu)化設(shè)計方法，提高CTV轉(zhuǎn)運作業(yè)的安全性

低航速/零航速船舶的減搖及其穩(wěn)定性研究一直以來都是船舶與海洋工程界的技術(shù)難題。當前，國內(nèi)外大都采用減搖水艙或零航速減搖鰭來解決低航速/零航速船舶的橫搖問題。但是，對于CTV而言，除了顯著的橫搖外，垂蕩及縱搖運動亦甚為劇烈，對 CTV自身穩(wěn)定性特別是動態(tài)效應(yīng)下的原油接收與轉(zhuǎn)駁外輸油管和牽引繩纜的張力及疲勞壽命產(chǎn)生極為不利的影響。因此，本項目在船型設(shè)計時，基于船體耐波性對縱向及橫向減搖阻尼裝置的布置進行了優(yōu)化。

常規(guī)的減搖裝置通常從抵御波浪力或改變船舶動力學固有特性參數(shù)的切入點出發(fā)，減緩船舶運動。本項目在設(shè)計階段充分考慮了 CTV的船型尺度及總體方案，在此基礎(chǔ)上規(guī)劃縱向及橫向減搖阻尼裝置的布置。本船主尺度偏小，艙室內(nèi)的空間基本都被各類設(shè)備占據(jù)，如果采用減搖鰭方案，不僅設(shè)備布置較為困難，還會增加建造成本。在綜合考慮設(shè)備布置和經(jīng)濟性等多方面的因素后，本項目采用箱形舭龍骨結(jié)構(gòu)以達到提高穩(wěn)性的目的。經(jīng)過模型試驗以及船舶實際使用狀況的驗證，該種形式的減搖裝置減搖效果明顯，大大提高了船舶的穩(wěn)性，為船上的作業(yè)人員營造了良好的作業(yè)環(huán)境，也為后續(xù)同類型船舶的船型的高耐波性設(shè)計提供了參考。

3.2 高效靈活的原油轉(zhuǎn)駁設(shè)備與系泊系統(tǒng)

本船建立了高效靈活的原油轉(zhuǎn)駁設(shè)備與系泊系統(tǒng)，原油裝載、外輸處理量達到8 000 m3/h @1 MPa，大纜系泊絞車靜態(tài)維持力為3 500 kN，滿足30萬噸級常規(guī)油輪原油轉(zhuǎn)駁與安全系泊的需求。

1）提出一種高效靈活的原油轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)，顯著提高了轉(zhuǎn)運效率和環(huán)境適應(yīng)性

作為 CTV上最主要的功能系統(tǒng)，轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到本項目的整體經(jīng)濟性。設(shè)計人員充分考慮了裝載口對接的便利性及原油轉(zhuǎn)駁的快速性等指標，合理布置系統(tǒng)中各系統(tǒng)的位置，調(diào)整各單元之間的關(guān)系，使整個系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。

（1）雙側(cè)裝載系統(tǒng)設(shè)計

常規(guī)的卸油船（如穿梭油輪）通常采用單側(cè)裝載系統(tǒng)設(shè)計，即裝載站布置在舷側(cè)的一邊，工作時需要調(diào)整船體的姿態(tài)使裝載站一側(cè)面向FPSO完成接頭的對接及原油的裝載。但是此種裝載方式對于卸油船的姿態(tài)控制要求很高，在風浪流稍大的情況下就會造成對接的困難，適應(yīng)性較差。本船采用了雙側(cè)裝載系統(tǒng)設(shè)計（見圖3），可根據(jù)作業(yè)海域的實際情況就近選擇裝載站與FPSO的輸油管對接，最大程度上降低了在惡劣海況條件下的操作難度、提高作業(yè)安全性，為后續(xù)同類型工程船的裝載系統(tǒng)設(shè)計提供了一種思路。

圖3 雙側(cè)裝載系統(tǒng)示意圖

（2）原油裝載速度提升

原油的轉(zhuǎn)運速度是評價 CTV工作性能的關(guān)鍵指標。傳統(tǒng)模式下，卸油船僅承擔被動受油的角色，裝卸速度主要取決于FPSO的原油外輸速度，原油的轉(zhuǎn)運效率低，輸油管的連接時間長，發(fā)生意外事故的概率更大。本項目在 CTV的裝卸系統(tǒng)中裝入了一套貨油增壓泵系統(tǒng)，大幅降低了CTV與FPSO之間的管程損失。

2）設(shè)計一種集成新型快速釋放機構(gòu)的大纜系泊裝置，保障了作業(yè)安全

作為 CTV的主要輔助系統(tǒng)，大纜系泊裝置需要為常規(guī)油輪提供牽引力，與 CTV形成風向標效應(yīng)，時刻處于安全距離區(qū)域，并在發(fā)生緊急情況時實現(xiàn)快速解脫，以保護其他關(guān)鍵的輸油設(shè)備及規(guī)避船舶碰撞情況的發(fā)生。本項目的大纜系泊裝置在設(shè)計時，集成一種新型的五連桿快速釋放機構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)上的集成設(shè)計實現(xiàn)了3 500 kN的靜態(tài)維持能力。

（1）五連桿快速釋放機構(gòu)

本項目使用了一種具有自鎖能力的五連桿式的釋放機構(gòu)來實現(xiàn)系泊繩纜在緊急情況下的快速釋放。該種釋放機構(gòu)內(nèi)藏于絞車滾筒，結(jié)構(gòu)緊湊。系泊繩纜的一端通過纜頭固定在緊急釋放機構(gòu)的卡爪內(nèi)，液壓油缸伸長驅(qū)動卡爪閉合卡緊纜頭完成系泊大纜與絞車的固定，并從機構(gòu)上形成自鎖，系泊大纜上傳遞的系泊力可以經(jīng)釋放機構(gòu)、絞車傳遞到甲板上，保證常規(guī)油船與 CTV之間的安全系泊。當工作時發(fā)生緊急狀況時，液壓油缸收縮驅(qū)動卡爪張開，纜頭脫離卡爪實現(xiàn)系泊繩纜與絞車的快速分離，保證原油輸送設(shè)備的安全。

（2）先進設(shè)計及測試技術(shù)在五連桿釋放機構(gòu)上的應(yīng)用

五連桿快速釋放機構(gòu)與傳統(tǒng)的釋放機構(gòu)存在很大差異，其具體使用效果是否能夠達到設(shè)計預期需要進行驗證。為此，設(shè)計人員在設(shè)計時借助先進的設(shè)計和仿真手段建立數(shù)字化樣機進行數(shù)字化模擬，隨后借助甲板機械試驗平臺進行模擬實船作業(yè)工況下產(chǎn)品解脫特性的可靠性驗證，以確保產(chǎn)品的性能指標。五連桿緊急釋放機構(gòu)在實際的作業(yè)環(huán)境下功能可靠，操作簡便，完全達到了設(shè)計預期。

3.3 三浮體柔性鏈接系統(tǒng)

本文提出“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”三浮體柔性鏈接系統(tǒng)水動力性能預報和水池試驗方法，全面分析了首艘動力定位原油輸送轉(zhuǎn)駁船海上輸送新模式的可行性，保證了“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”模式下海上作業(yè)的安全性。

1）提出三浮體系統(tǒng)水動力性能預報方法與水池試驗技術(shù)

多浮體水動力干擾研究一直是國際海洋工程界的熱點和難點之一，由于其本身物理現(xiàn)象的復雜性以及現(xiàn)有數(shù)值模擬方法的局限性，該問題一直沒有得到很好的解決。本文針對三浮體水動力干擾及運動預報問題，重點歸納并梳理了兩浮體水動力干擾及運動預報方法，推導出柔性鏈接的三浮體水動力干擾及運動預報方法，開展“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”三浮體系統(tǒng)海上作業(yè)性能預報的研究，分析不同海況條件下三浮體系統(tǒng)海上作業(yè)的極限能力，為CTV設(shè)計和海上作業(yè)評估提供了強有力的技術(shù)支撐。通過此種理論推演、數(shù)學建模以及水池模型試驗驗證的研究思路，參研人員成功將現(xiàn)有的兩浮體水動力干擾及運動分析方法推導到了柔性鏈接的三浮體水動力干擾及運動分析的應(yīng)用場景，不僅解決了本項研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題，也為解決海洋工程向離岸深水發(fā)展中遇到的共性技術(shù)問題提供了研究基礎(chǔ)。

2）提出了一種推進及定位系統(tǒng)可靠性設(shè)計方法

在選擇 CTV的主機及螺旋槳時，需要充分考慮作業(yè)海域的風浪流條件以及工作時的負載狀況，并進行嚴謹?shù)哪Ｐ驮囼?，最終實現(xiàn)船-機-槳的良好配合。此外，該船配備了可靠的電控系統(tǒng)，可監(jiān)測所屬海域的風浪流狀況以及系泊系統(tǒng)所受系泊力的大小，及時調(diào)整主推進器和側(cè)推的推力大小及方向，維持一個相對穩(wěn)定的浮態(tài)。在設(shè)計主推進器及側(cè)推時，預留足夠的冗余量，當某組定位系統(tǒng)發(fā)生邏輯損壞時，船體依然能夠?qū)崿F(xiàn)動力定位，從而最大程度上規(guī)避了船只碰撞情況的發(fā)生。這種設(shè)計思路在以往的卸油船（如穿梭油輪）上是未納入考慮的。

3.4 應(yīng)急釋放閥和快速應(yīng)急關(guān)斷閥

本文設(shè)計和研制了轉(zhuǎn)駁油管應(yīng)急釋放閥和快速應(yīng)急關(guān)斷閥，突破了切斷時間不大于30 s的技術(shù)瓶頸，打破了國外技術(shù)壟斷，提高了原油轉(zhuǎn)駁作業(yè)的安全性。

1）新型應(yīng)急釋放閥

常規(guī)的應(yīng)力致斷式螺栓的應(yīng)急釋放關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)采用的是被動保護機制，即螺栓的能夠承載的拉應(yīng)力是一定的，當承受外部拉應(yīng)力達到一定程度時就會被動破壞以保護輸油管及其他設(shè)備。區(qū)別于常規(guī)的應(yīng)力致斷式螺栓的應(yīng)急釋放關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)，本船采用的是一種配合電液控制系統(tǒng)的緊急釋放關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)（見圖5），具有緊急情況下反應(yīng)速度快，可重復使用的特點。兩端頭之間鎖緊結(jié)構(gòu)采用凸輪卡緊機構(gòu)，對接處設(shè)置有密封膠圈，在保證對接處良好密性的同時，也可以實現(xiàn)在緊急情況下的快速釋放。而在軟管接頭內(nèi)部，設(shè)置有彈簧驅(qū)動的關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)，工作狀態(tài)下彈簧壓縮，關(guān)斷閥打開，原油可在管道內(nèi)傳輸。當發(fā)生緊急情況時，彈簧能夠驅(qū)動關(guān)斷閥迅速關(guān)閉，規(guī)避原油大量泄漏情況的發(fā)生。

圖4 三浮體柔性鏈接模型圖

圖5 應(yīng)急釋放閥三維模型

2）新型快速應(yīng)急關(guān)斷閥

快速應(yīng)急關(guān)斷閥（見圖 4）是艉輸系統(tǒng)中必不可少的重要閥件，當艉輸系統(tǒng)出現(xiàn)火災，貨油管壓力過高，外輸作業(yè)突然異常等情況時，快速應(yīng)急關(guān)斷閥可以自動和手動應(yīng)急關(guān)斷，及時切斷輸油通路，以避免或減少原油泄漏?？焖賾?yīng)急關(guān)斷閥采用球閥閥體，雙液壓缸執(zhí)行機構(gòu)。關(guān)斷時間控制是其重要參數(shù)，如果關(guān)斷時間過短，可能導致輸油管路產(chǎn)生水錘沖擊，造成管路超壓，而產(chǎn)生不良后果。本項目通過對快速應(yīng)急關(guān)斷閥實際工況分析，進行管路流體動態(tài)仿真，得出流體動態(tài)響應(yīng)特性，從而得到在不同的快速應(yīng)急關(guān)斷閥關(guān)斷時間下，流體壓力隨時間的變化，突破了切斷時間不大于30 s的技術(shù)瓶頸，掌握了快速應(yīng)急關(guān)斷閥研制的關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 快速應(yīng)急關(guān)斷閥

4 結(jié)論

國際首創(chuàng)的“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”深海原油轉(zhuǎn)駁外輸應(yīng)用模式，突破了深遠海油田的 FPSO原油外輸?shù)母叱杀?、低效率的瓶頸，提高了我國在深遠海原油轉(zhuǎn)駁技術(shù)方面的國際競爭力，推動了我國成為世界海洋工程裝備研制強國。成功完成了國際首艘深遠海原油駁船的設(shè)計與建造，突破了應(yīng)急釋放閥、應(yīng)急關(guān)斷閥、系泊絞車等關(guān)鍵技術(shù)，形成了國產(chǎn)化能力，提升了我國深遠海油田關(guān)鍵配套設(shè)備國產(chǎn)化水平，填補了國內(nèi)空白。