深遠海多功能原油轉駁船創新設計

吳承恩，蔡 靈

（南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇南通 226001）

0 引言

規模化的離岸深水原油開采離不開以（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）為主的海上集約化生產、儲存、轉駁與輸送設備。其中，原油轉駁外輸系統作為關鍵裝備，是制約我國石油公司進軍深海的主要技術瓶頸之一。目前，全球范圍內有超過200艘的FPSO在各個油田工作，FPSO的工作海域不斷擴大，廣泛應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。與常規油船相比，穿梭油輪數量少，載重量小，單位造價高。如何在大規模、遠距離深海油氣資源開發中充分發揮常規油船數量多、造價低、載重大、運輸成本低的優勢，在不經改造的前提下將現有原油船用于深海油田的原油運輸作業，成為最新研究方向[1]。為適應深海原油開采及運輸行業降低整體轉運成本的市場需求，發掘新的利潤空間，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應用模式“FPSO+原油轉駁船（Cargo Transfer Vessel，CTV）+常規油輪”[2]，即FPSO處理的原油通過CTV過駁到常規油輪上（見圖1）。該設計突破了部分邊際油田必須配置穿梭油船的瓶頸，提高了常規油船的作業范圍和作業條件，CTV的投入與使用降低了原油的整體外輸成本[3]。

圖1 “FPSO+CTV+常規油輪”原油輸送模式

1 經濟性優勢

下面從經濟性方面對比“FPSO+CTV+常規油輪”應用模式和傳統的“FPSO+穿梭油輪”模式。在遠距離運輸時，CTV轉運每桶油大概可節約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約成本情況見表1。

表1 經濟效益表

2 同類型比較

利用VLCC級常規油輪從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，進而完成原油的轉運。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的穩性無法保證。原油轉運作業方案對比情況見圖 2，綜合考慮操作的簡便性、工作的可靠性、海域的適應性、轉運的經濟性等因素，CTV是目前針對深海油田遠距離海上原油轉運應用場景下的最優解決方案。

圖2 油轉運作業方案對比

3 主要技術突破

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+常規油輪”的原油外輸全新模式，改進了現有的FPSO原油外輸過程，研制了一種新概念CTV，突破了常規油輪不加改造就能從事深海油田原油運輸作業的技術瓶頸，降低了原油輸送成本。

1）應用“FPSO+CTV+常規油輪”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托舉常規油輪方式轉駁原油都存在明顯不足，無法成為一種理想的解決方案。本項目綜合考慮經濟性、適用性、可靠性等多方面因素，提出“FPSO+CTV+常規油輪”的遠距離海上原油轉駁方案。根據目前在巴西海域作業的 CTV的實際使用狀況，該方案具有良好的適應性及作業可靠性，有效降低了原油的轉運成本，達到了船東的設計期望。在深海遠距離原油運輸領域，CTV模式有望逐步取代穿梭油輪的模式，推動該領域運輸模式的變革。

2）提出CTV船型減搖尾鰭優化設計方法，提高CTV轉運作業的安全性

低航速/零航速船舶的減搖及其穩定性研究一直以來都是船舶與海洋工程界的技術難題。當前，國內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自身穩定性特別是動態效應下的原油接收與轉駁外輸油管和牽引繩纜的張力及疲勞壽命產生極為不利的影響。因此，本項目在船型設計時，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化。

常規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的切入點出發，減緩船舶運動。本項目在設計階段充分考慮了 CTV的船型尺度及總體方案，在此基礎上規劃縱向及橫向減搖阻尼裝置的布置。本船主尺度偏小，艙室內的空間基本都被各類設備占據，如果采用減搖鰭方案，不僅設備布置較為困難，還會增加建造成本。在綜合考慮設備布置和經濟性等多方面的因素后，本項目采用箱形舭龍骨結構以達到提高穩性的目的。經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性，為船上的作業人員營造了良好的作業環境，也為后續同類型船舶的船型的高耐波性設計提供了參考。

3.2 高效靈活的原油轉駁設備與系泊系統

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

1）提出一種高效靈活的原油轉駁系統，顯著提高了轉運效率和環境適應性

作為 CTV上最主要的功能系統，轉駁系統的性能直接關系到本項目的整體經濟性。設計人員充分考慮了裝載口對接的便利性及原油轉駁的快速性等指標，合理布置系統中各系統的位置，調整各單元之間的關系，使整個系統處于良好的工作狀態。

（1）雙側裝載系統設計

常規的卸油船（如穿梭油輪）通常采用單側裝載系統設計，即裝載站布置在舷側的一邊，工作時需要調整船體的姿態使裝載站一側面向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，適應性較差。本船采用了雙側裝載系統設計（見圖3），可根據作業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、提高作業安全性，為后續同類型工程船的裝載系統設計提供了一種思路。

圖3 雙側裝載系統示意圖

（2）原油裝載速度提升

原油的轉運速度是評價 CTV工作性能的關鍵指標。傳統模式下，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，原油的轉運效率低，輸油管的連接時間長，發生意外事故的概率更大。本項目在 CTV的裝卸系統中裝入了一套貨油增壓泵系統，大幅降低了CTV與FPSO之間的管程損失。

2）設計一種集成新型快速釋放機構的大纜系泊裝置，保障了作業安全

作為 CTV的主要輔助系統，大纜系泊裝置需要為常規油輪提供牽引力，與 CTV形成風向標效應，時刻處于安全距離區域，并在發生緊急情況時實現快速解脫，以保護其他關鍵的輸油設備及規避船舶碰撞情況的發生。本項目的大纜系泊裝置在設計時，集成一種新型的五連桿快速釋放機構，通過結構上的集成設計實現了3 500 kN的靜態維持能力。

（1）五連桿快速釋放機構

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

（2）先進設計及測試技術在五連桿釋放機構上的應用

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

3.3 三浮體柔性鏈接系統

本文提出“FPSO+CTV+常規油輪”三浮體柔性鏈接系統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駁船海上輸送新模式的可行性，保證了“FPSO+CTV+常規油輪”模式下海上作業的安全性。

1）提出三浮體系統水動力性能預報方法與水池試驗技術

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，由于其本身物理現象的復雜性以及現有數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+常規油輪”三浮體系統海上作業性能預報的研究，分析不同海況條件下三浮體系統海上作業的極限能力，為CTV設計和海上作業評估提供了強有力的技術支撐。通過此種理論推演、數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用場景，不僅解決了本項研究中的關鍵技術問題，也為解決海洋工程向離岸深水發展中遇到的共性技術問題提供了研究基礎。

2）提出了一種推進及定位系統可靠性設計方法

在選擇 CTV的主機及螺旋槳時，需要充分考慮作業海域的風浪流條件以及工作時的負載狀況，并進行嚴謹的模型試驗，最終實現船-機-槳的良好配合。此外，該船配備了可靠的電控系統，可監測所屬海域的風浪流狀況以及系泊系統所受系泊力的大小，及時調整主推進器和側推的推力大小及方向，維持一個相對穩定的浮態。在設計主推進器及側推時，預留足夠的冗余量，當某組定位系統發生邏輯損壞時，船體依然能夠實現動力定位，從而最大程度上規避了船只碰撞情況的發生。這種設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 應急釋放閥和快速應急關斷閥

本文設計和研制了轉駁油管應急釋放閥和快速應急關斷閥，突破了切斷時間不大于30 s的技術瓶頸，打破了國外技術壟斷，提高了原油轉駁作業的安全性。

1）新型應急釋放閥

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

圖4 三浮體柔性鏈接模型圖

圖5 應急釋放閥三維模型

2）新型快速應急關斷閥

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

圖4 快速應急關斷閥

4 結論

國際首創的“FPSO+CTV+常規油輪”深海原油轉駁外輸應用模式，突破了深遠海油田的 FPSO原油外輸的高成本、低效率的瓶頸，提高了我國在深遠海原油轉駁技術方面的國際競爭力，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計與建造，突破了應急釋放閥、應急關斷閥、系泊絞車等關鍵技術，形成了國產化能力，提升了我國深遠海油田關鍵配套設備國產化水平，填補了國內空白。