深水動力定位原油轉駁船主尺度設計

蔡靈，李榮，吳承恩

(1.南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

FPSO是海洋油氣生成開采系統(tǒng)的重要組成部分，通常和水下采油裝置、穿梭油船組成一套完整的生產(chǎn)采油系統(tǒng)[1]。穿梭油船與常規(guī)油船相比，其單位造價高、數(shù)量少，載重量小，運輸成本高。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，將現(xiàn)有常規(guī)油船不加改造就能從事深海油田的原油運輸作業(yè)，已成為國際原油輸送裝備技術客觀需求和潛在的發(fā)展方向[2]。在這樣的市場背景下，產(chǎn)生了一款全新概念的離岸深水FPSO原油轉駁船，主要由配置DP(dynamic positioning system)裝置的浮式載體CTV(cargo transfer vessel)及由CTV搭載的原油轉駁輸送裝置組成[3]。原油轉駁船CTV依靠自身大功率推進器與動力定位裝置牽引缺乏定位能力的普通油船(VLCC)避碰FPSO并游弋在一定范圍內，從而通過CTV大口徑輸油軟管將FPSO原油過駁輸送至VLCC等常規(guī)油船上。同時，配置大型裝卸裝置，將FPSO原油轉駁至VLCC上，實現(xiàn)離岸深水FPSO的原油外輸，即“FPSO+CTV+VLCC”[4]，見圖1。這種全新深海原油駁運模式，以CTV(見圖2)為核心，通過一進一出2條輸油軟管和輸送泵形成輸送系統(tǒng)：1條受油軟管連接FPSO，1條輸油軟管連接VLCC，CTV通過動力定位保持和FPSO之間的相對位置，油船通過系泊裝置與CTV連接實現(xiàn)動態(tài)跟隨[5]。全新概念深水動力定位原油轉駁船的設計也解決了部分邊際油田必須配置穿梭油船的瓶頸，提高了VLCC級別的常規(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。

圖1 “FPSO+CTV+常規(guī)油船”原油輸送模式

圖2 CTV概念模型

CTV是一種新型海洋工程船，沒有現(xiàn)存的資料可供參考，如何合理地確定其主要要素，需要考慮多個方面，如作業(yè)區(qū)域、作業(yè)任務，以及自身的浮性、穩(wěn)性、操縱性及布置。這些要素對船舶經(jīng)濟性能、設計質量起著決定性的作用。通過結合CTV用途、船級社的規(guī)范、總布置等，探討CTV主尺度的設計，為CTV主尺度的選取提供參考。

1 CTV主尺度設計的一般步驟

國外在新型原油輸送裝置設計及建造技術也處于起步階段，第一艘新型原油輸送裝置“HiLoad DP No.1”號已成功在挪威Haugesund的Aibel船廠建造，該船安裝了Remora公司發(fā)明的HiLoad固定系統(tǒng)。作為一種替代穿梭油船的新技術HiLoad也有自身的缺陷，如操作水線面、排水量低，對重量重心敏感性差等，由于上述缺陷，HiLoad技術沒有推出市場，這為新型原油轉駁船(CTV)實施提供了良好的發(fā)展機遇。新型原油轉駁船為了避免“HiLoad DP No.1”設計缺陷，在CTV主要尺度前，需要選擇船舶主要要素，應充分考慮以下幾個方面：①滿足承受重量需要的浮力；②滿足艙容及甲板面積；③滿足新船各項技術性能；④船東對新船的有關使用要求；⑤經(jīng)濟性。由于各主要要素對空船重量、穩(wěn)性、操縱性、布置等技術性能的影響各不相同，試圖一次確定主要要素以滿足要求是不可能的，要通過反復迭代、逐步近似來完成，具體CTV主尺度優(yōu)化流程見圖3。

圖3 CTV主尺度優(yōu)化流程

2 CTV設計任務書

根據(jù)國家重大科技專項(工信部聯(lián)裝[2016]26號)要求，該CTV設計要求及應滿足的相關規(guī)范，見表1。

表1 CTV設計任務總體要求

3 主要要素論證

3.1 CTV設計任務分析

3.1.1 推進系統(tǒng)

為了保證FPSO原油的轉駁與外輸?shù)陌踩?，在設計CTV推進系統(tǒng)時，不僅要考慮其在復雜、惡劣的海況下自航和獨立定位的能力，還要考慮其牽引300 000 DWT油船時與FPSO的相對定位。因此，在確定CTV推進系統(tǒng)時，須滿足自航(航速≥14 kn)、獨立定位(航向穩(wěn)定，航速為0 kn)及拖曳(航速≥2 kn)3種模式的要求。

3.1.2 側裝載系統(tǒng)

側裝載系統(tǒng)的主要作用是從FPSO接收原油并傳送到CTV船的貨油主管路中，通過增壓泵加壓后送到卸載系統(tǒng)。CTV轉駁船上的接收口須定位于船舯位置，考慮營運中接收的方便，左右舷各設置一接收口，互為備用。接收口配置1臺懸掛式萬向接頭，可以在前后左右方向旋轉，調整不同的角度，與FPSO伸出的軟管接頭相連接；同時在左舷安裝一套備用裝載站，以滿足在應急狀況下，F(xiàn)PSO輸油管道特殊接口的連接要求。

為便于FPSO的軟管的導入，在CTV轉駁船的中心線附近配置1臺軟管提升絞車及垂向導纜滾輪、水平導纜滾輪、軟管提升絞車的配合牽引，牽引軟管先導繩，把FPSO伸出軟管接頭提升到萬向接頭位置，通過萬向接頭上的快速連接裝置，實現(xiàn)與軟管的快速有效連接。

3.1.3 卸載系統(tǒng)

1)軟管輥筒。CTV轉駁船主要用于FPSO原油卸載，為滿足卸載要求，在主甲板上須設卸油軟管輥筒(簡稱軟管滾輪，見圖2)，輥筒見圖4，尺寸為l×b×h=17 150 mm×15 650 mm×17 800 mm，重量約為240 t。為保證CTV轉駁船的穩(wěn)性及營運時軟管的操作，輥筒軸線距主甲板高度應在5 m左右。因此，輥筒安裝處的主甲板須開設凹槽。

圖4 卸油輥筒

輥筒上設有裝載軟管，用來把石油從CTV傳輸?shù)接痛?，總長420 m，重約137 t。

2)軟管滑坡。用來放置和引導裝載軟管的釋放和回收，每800 mm間距布置1根卷軸以減小摩擦阻力。配置液壓驅動排管器，以配合輥筒排布回收軟管?；鲁叽鐬閘×b×h=9 948 mm×13 415 mm×7 800 mm，重量48 t，見圖5。

圖5 軟管滑坡

為保證卸油軟管在裝卸過程中的安全，滑坡須安裝在CTV主甲板的艉部，且尾封板開設凹槽，以布置軟管滑坡。

3.1.4 其他

CTV轉駁船有3種工作模式，滿負荷工作狀態(tài)約占25%，其他時間都工作在低負荷下。為了滿足氮、硫化物的排放要求，配電系統(tǒng)采用直流電力配電系統(tǒng)，其主機能根據(jù)不同的負荷運行在不同的轉速下，減少了燃油消耗。

為保證裝卸油作業(yè)的安全性，駕駛人員應能全方位觀察到CTV、油船的位置，在布置時，駕駛室高度、駕駛人員視線盲區(qū)必須滿足要求。

3.2 母型船資料

根據(jù)對CTV轉駁船設計任務書及具體作業(yè)的分析，選用5 960 kW(8 000 hp)深水三用工作船作為母型船，見圖6，主要參數(shù)見表2[6]。

表2 8 000 hp深水三用工作船主要要素

圖6 8 000 hp深水三用工作船外觀

如果將CTV卸油系統(tǒng)當作甲板載貨，則兩者之間有許多相似之處。

1)航行于無限航區(qū)，具有良好的適航性能和耐波性能，能在惡劣海況條件下安全運行。

2)裝載量大，運輸能力強。

3)航速快，均為中高速船。

4)系柱拉力大，滿足對儲油船及提油船進行拖帶要求。

相比于母型船，CTV有以下不同之處。

1)為保證裝卸作業(yè)的安全性，CTV轉駁船定位能力要求較高，除了滿足自身定位，還要保證拖帶30萬t油船時的定位。

2)設有大型舷梯，以方便船員在CTV與油船之間通行。舷梯能適應最低點離水線7 m(與蘇伊士碼頭高度相適應)，最高點距離水線22 m(與油船主甲板高度相適應)。舷梯需要具有可伸縮性，能滿足油船與CTV之間距離(15 m)及最低、最高點要求，伸縮范圍18.5～28.5 m，舷梯俯仰極限角度：+32°～-30°(根據(jù)蘇伊士碼頭、油船、CTV之間的高度關系模擬)。

3.3 排水量初步估算

利用載重量系數(shù)法估算CTV排水量Δ。通過調研分析，以任務書中要求為準，載重量DW=3 400 t。

(1)

母型船DW0=2 150 t，Δ0=4 920 t，ηdw=0.437

空船重量LW0=2 770 t

考慮CTV舾裝設備較多，取ηdw=0.425

則：Δ=8 000 t，LW=4 600 t

3.4 主尺度初步確定

3.4.1 船長Lpp、型寬B，吃水T的初步選取

Lpp=Lpp0(Δ/Δ0)1/3

(2)

B=B0(Δ/Δ0)1/3

(3)

T=T0(Δ/Δ0)1/3

(4)

式中：母型船Lpp0=64.8 m；Δ=8 000 t；Δ0=4 920 t；Lpp0=64.8 m,B0=16.0 m,T0=6.0 m。

計算得：

Lpp=76.2 m，B=18.8 m，T=7.0 m，Cb=0.774

以上船長Lpp、型寬B只是初步確定，還需結合CTV轉駁船的定位能力、裝載系統(tǒng)、卸載系統(tǒng)布置等要求，還需對船長Lpp、型寬B作進一步校核。

3.4.2 型深的選取

選取型深時應考慮艙容與總布置，甲板上浪與抗沉性、穩(wěn)性、強度等。本船由于裝設大型輥筒，型深不能按照常規(guī)選取，須結合輥筒安裝要求來確定。

3.4.3 主尺度調整

在上述初步確定的基礎上，對CTV轉駁船進行詳細布置，考慮到裝載系統(tǒng)布置、動力定位系統(tǒng)布置及浮態(tài)的要求，在吃水T不變的情況下，將船長Lpp增加5 m,干舷增加3 m，以便布置裝載系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)。

4 主尺度確定

對初步確定的主尺度，采用GeniE和Maxsurf等軟件進行建模校核計算，包括對浮性、穩(wěn)性、阻力、快速性、船體強度，以及操縱性仔細分析，通過反復調整主要要素，最終確定CTV主要要素(見表3)，具體布置見圖7。

表3 CTV轉駁船主要要素

圖7 CTV轉駁船總布置

5 結論

利用參考母型船的方法得出CTV主尺度雖然過程不復雜，但是需要計算軟件對穩(wěn)性、結構強度、疲勞等方面多次校核調整，船型的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性要滿足國際海事組織IMO Resolution MSC.335(90)關于海洋服務船的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性要求。計算得出的干舷要校驗保證充裕，滿足ICLL1966載重線公約的干舷最低要求。此外，CTV主尺度設計還要要滿足船型功能配置等要求。全新概念深水動力定位原油轉駁船的主尺度設計，助推了我國石油公司突破深海油田原油外輸達到低成本、高效率的技術瓶頸，對于提高我國深遠海油田原油外輸?shù)哪芰?、海洋資源開發(fā)綜合競爭力、建設海洋強國、促進國民經(jīng)濟轉型升級等具有重要意義。