吳承恩，蔡 靈

（南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇南通 226001）

0 引言

規(guī)?；碾x岸深水原油開(kāi)采離不開(kāi)以（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）為主的海上集約化生產(chǎn)、儲(chǔ)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(guó)石油公司進(jìn)軍深海的主要技術(shù)瓶頸之一。目前，全球范圍內(nèi)有超過(guò)200艘的FPSO在各個(gè)油田工作，F(xiàn)PSO的工作海域不斷擴(kuò)大，廣泛應(yīng)用于中國(guó)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(duì)原油價(jià)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(jià)高。如何在大規(guī)模、遠(yuǎn)距離深海油氣資源開(kāi)發(fā)中充分發(fā)揮常規(guī)油船數(shù)量多、造價(jià)低、載重大、運(yùn)輸成本低的優(yōu)勢(shì)，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(yùn)輸作業(yè)，成為最新研究方向[1]。為適應(yīng)深海原油開(kāi)采及運(yùn)輸行業(yè)降低整體轉(zhuǎn)運(yùn)成本的市場(chǎng)需求，發(fā)掘新的利潤(rùn)空間，各大石油開(kāi)采公司著力提高30萬(wàn)噸級(jí)常規(guī)油輪運(yùn)輸能力以降低穿梭油輪在遠(yuǎn)距離運(yùn)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(guò)CTV過(guò)駁到常規(guī)油輪上（見(jiàn)圖1）。該設(shè)計(jì)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(jì)性優(yōu)勢(shì)

下面從經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)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(yuǎn)距離運(yùn)輸時(shí)，CTV轉(zhuǎn)運(yùn)每桶油大概可節(jié)約1美元的運(yùn)輸成本，對(duì)于一艘 30萬(wàn)噸級(jí)的超大型油輪（Very Large Crude Carrier，VLCC）而言，單次可節(jié)約運(yùn)輸成本約200萬(wàn)美元。CTV配合不同載重噸位油輪使用時(shí)節(jié)約成本情況見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)濟(jì)效益表

2 同類型比較

利用VLCC級(jí)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(fèi)巨大，經(jīng)濟(jì)性差，不具有通用性，拖輪輔助的艉輸方式目前只在我國(guó)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(dòng)至VLCC下方后將其托舉并拖航至FPSO外圍的安全區(qū)，進(jìn)而完成原油的轉(zhuǎn)運(yùn)。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(wú)法保證。原油轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)方案對(duì)比情況見(jiàn)圖 2，綜合考慮操作的簡(jiǎn)便性、工作的可靠性、海域的適應(yīng)性、轉(zhuǎn)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性等因素，CTV是目前針對(duì)深海油田遠(yuǎn)距離海上原油轉(zhuǎn)運(yùn)應(yīng)用場(chǎng)景下的最優(yōu)解決方案。

圖2 油轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)方案對(duì)比

3 主要技術(shù)突破

3.1 原油外輸全新模式

針對(duì)深海原油運(yùn)輸成本高問(wèn)題，引入了“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”的原油外輸全新模式，改進(jìn)了現(xiàn)有的FPSO原油外輸過(guò)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(yùn)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(duì)于深海遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，穿梭油輪高昂的造價(jià)和運(yùn)輸成本一直是海上石油運(yùn)輸公司營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的痛點(diǎn)，雖做出了一些嘗試，但無(wú)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(wú)法成為一種理想的解決方案。本項(xiàng)目綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、適用性、可靠性等多方面因素，提出“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”的遠(yuǎn)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(shí)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(yùn)成本，達(dá)到了船東的設(shè)計(jì)期望。在深海遠(yuǎn)距離原油運(yùn)輸領(lǐng)域，CTV模式有望逐步取代穿梭油輪的模式，推動(dòng)該領(lǐng)域運(yùn)輸模式的變革。

2）提出CTV船型減搖尾鰭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高CTV轉(zhuǎn)運(yùn)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(lái)都是船舶與海洋工程界的技術(shù)難題。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外大都采用減搖水艙或零航速減搖鰭來(lái)解決低航速/零航速船舶的橫搖問(wèn)題。但是，對(duì)于CTV而言，除了顯著的橫搖外，垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)亦甚為劇烈，對(duì) CTV自身穩(wěn)定性特別是動(dòng)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(xiàng)目在船型設(shè)計(jì)時(shí)，基于船體耐波性對(duì)縱向及橫向減搖阻尼裝置的布置進(jìn)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(dòng)力學(xué)固有特性參數(shù)的切入點(diǎn)出發(fā)，減緩船舶運(yùn)動(dòng)。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)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(huì)增加建造成本。在綜合考慮設(shè)備布置和經(jīng)濟(jì)性等多方面的因素后，本項(xiàng)目采用箱形舭龍骨結(jié)構(gòu)以達(dá)到提高穩(wěn)性的目的。經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)以及船舶實(shí)際使用狀況的驗(yàn)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(yíng)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(jì)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(dá)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(wàn)噸級(jí)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(yùn)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(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)人員充分考慮了裝載口對(duì)接的便利性及原油轉(zhuǎn)駁的快速性等指標(biāo)，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(gè)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(jì)

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(jì)，即裝載站布置在舷側(cè)的一邊，工作時(shí)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(duì)接及原油的裝載。但是此種裝載方式對(duì)于卸油船的姿態(tài)控制要求很高，在風(fēng)浪流稍大的情況下就會(huì)造成對(duì)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(jì)（見(jiàn)圖3），可根據(jù)作業(yè)海域的實(shí)際情況就近選擇裝載站與FPSO的輸油管對(duì)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(jì)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(yùn)速度是評(píng)價(jià) CTV工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)模式下，卸油船僅承擔(dān)被動(dòng)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(yùn)效率低，輸油管的連接時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)生意外事故的概率更大。本項(xiàng)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(jì)一種集成新型快速釋放機(jī)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(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，時(shí)刻處于安全距離區(qū)域，并在發(fā)生緊急情況時(shí)實(shí)現(xiàn)快速解脫，以保護(hù)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(xiàng)目的大纜系泊裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，集成一種新型的五連桿快速釋放機(jī)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了3 500 kN的靜態(tài)維持能力。

（1）五連桿快速釋放機(jī)構(gòu)

本項(xiàng)目使用了一種具有自鎖能力的五連桿式的釋放機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)系泊繩纜在緊急情況下的快速釋放。該種釋放機(jī)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(guò)纜頭固定在緊急釋放機(jī)構(gòu)的卡爪內(nèi)，液壓油缸伸長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)卡爪閉合卡緊纜頭完成系泊大纜與絞車的固定，并從機(jī)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(jī)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(dāng)工作時(shí)發(fā)生緊急狀況時(shí)，液壓油缸收縮驅(qū)動(dòng)卡爪張開(kāi)，纜頭脫離卡爪實(shí)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(jìn)設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)在五連桿釋放機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用

五連桿快速釋放機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的釋放機(jī)構(gòu)存在很大差異，其具體使用效果是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期需要進(jìn)行驗(yàn)證。為此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)借助先進(jìn)的設(shè)計(jì)和仿真手段建立數(shù)字化樣機(jī)進(jìn)行數(shù)字化模擬，隨后借助甲板機(jī)械試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)船作業(yè)工況下產(chǎn)品解脫特性的可靠性驗(yàn)證，以確保產(chǎn)品的性能指標(biāo)。五連桿緊急釋放機(jī)構(gòu)在實(shí)際的作業(yè)環(huán)境下功能可靠，操作簡(jiǎn)便，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)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(dòng)力性能預(yù)報(bào)和水池試驗(yàn)方法，全面分析了首艘動(dòng)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(dòng)力性能預(yù)報(bào)方法與水池試驗(yàn)技術(shù)

多浮體水動(dòng)力干擾研究一直是國(guó)際海洋工程界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，由于其本身物理現(xiàn)象的復(fù)雜性以及現(xiàn)有數(shù)值模擬方法的局限性，該問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。本文針對(duì)三浮體水動(dòng)力干擾及運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)問(wèn)題，重點(diǎn)歸納并梳理了兩浮體水動(dòng)力干擾及運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，推導(dǎo)出柔性鏈接的三浮體水動(dòng)力干擾及運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，開(kāi)展“FPSO+CTV+常規(guī)油輪”三浮體系統(tǒng)海上作業(yè)性能預(yù)報(bào)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(jì)和海上作業(yè)評(píng)估提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。通過(guò)此種理論推演、數(shù)學(xué)建模以及水池模型試驗(yàn)驗(yàn)證的研究思路，參研人員成功將現(xiàn)有的兩浮體水動(dòng)力干擾及運(yùn)動(dòng)分析方法推導(dǎo)到了柔性鏈接的三浮體水動(dòng)力干擾及運(yùn)動(dòng)分析的應(yīng)用場(chǎng)景，不僅解決了本項(xiàng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(wèn)題提供了研究基礎(chǔ)。

2）提出了一種推進(jìn)及定位系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法

在選擇 CTV的主機(jī)及螺旋槳時(shí)，需要充分考慮作業(yè)海域的風(fēng)浪流條件以及工作時(shí)的負(fù)載狀況，并進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪Ｐ驮囼?yàn)，最終實(shí)現(xiàn)船-機(jī)-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(cè)所屬海域的風(fēng)浪流狀況以及系泊系統(tǒng)所受系泊力的大小，及時(shí)調(diào)整主推進(jìn)器和側(cè)推的推力大小及方向，維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的浮態(tài)。在設(shè)計(jì)主推進(jìn)器及側(cè)推時(shí)，預(yù)留足夠的冗余量，當(dāng)某組定位系統(tǒng)發(fā)生邏輯損壞時(shí)，船體依然能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)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(jì)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(jì)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(shí)間不大于30 s的技術(shù)瓶頸，打破了國(guó)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(dòng)保護(hù)機(jī)制，即螺栓的能夠承載的拉應(yīng)力是一定的，當(dāng)承受外部拉應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)被動(dòng)破壞以保護(hù)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(jiàn)圖5），具有緊急情況下反應(yīng)速度快，可重復(fù)使用的特點(diǎn)。兩端頭之間鎖緊結(jié)構(gòu)采用凸輪卡緊機(jī)構(gòu)，對(duì)接處設(shè)置有密封膠圈，在保證對(duì)接處良好密性的同時(shí)，也可以實(shí)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(dòng)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(kāi)，原油可在管道內(nèi)傳輸。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，彈簧能夠驅(qū)動(dòng)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(jiàn)圖 4）是艉輸系統(tǒng)中必不可少的重要閥件，當(dāng)艉輸系統(tǒng)出現(xiàn)火災(zāi)，貨油管壓力過(guò)高，外輸作業(yè)突然異常等情況時(shí)，快速應(yīng)急關(guān)斷閥可以自動(dòng)和手動(dòng)應(yīng)急關(guān)斷，及時(shí)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(jī)構(gòu)。關(guān)斷時(shí)間控制是其重要參數(shù)，如果關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，可能導(dǎo)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(xiàng)目通過(guò)對(duì)快速應(yīng)急關(guān)斷閥實(shí)際工況分析，進(jìn)行管路流體動(dòng)態(tài)仿真，得出流體動(dòng)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(shí)間下，流體壓力隨時(shí)間的變化，突破了切斷時(shí)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(guó)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(yuǎn)海油田的 FPSO原油外輸?shù)母叱杀?、低效率的瓶頸，提高了我國(guó)在深遠(yuǎn)海原油轉(zhuǎn)駁技術(shù)方面的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)了我國(guó)成為世界海洋工程裝備研制強(qiáng)國(guó)。成功完成了國(guó)際首艘深遠(yuǎn)海原油駁船的設(shè)計(jì)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(guó)產(chǎn)化能力，提升了我國(guó)深遠(yuǎn)海油田關(guān)鍵配套設(shè)備國(guó)產(chǎn)化水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。