“深海一號”半潛式生產儲油平臺長距離濕拖方案論證

蔡元浪,張法富,楊小龍

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

陵水17-2氣田位于陵水海域,距我國海南島三亞東南150 km其水深為1 220～1 560 m,是中國海域首次采用典型超深水開發模式開發的自營超深水氣田,采用水下生產系統回接全球首座立柱儲油的半潛平臺“深海一號”能源站的開發方案[1]。“深海一號”能源站拖航是我國首次進行超大型浮式半潛的長距離拖航作業,航行距離1 609 n mile,跨越渤海、黃海、東海及南海4個海域,沿途環境條件多變。平臺上部模塊采用超大跨距的桁架式結構,下部船體結構形式為4立柱加環形浮箱,船體為主尺度91.5 m×91.5 m×59 m的超大型結構,平臺具有拖航阻力大,重心高等特點,對拖航工作帶來挑戰。針對“深海一號”能源站的特點和長距離拖航的需求,通過對實施難度、獲取資源能力、工期、經濟性等因素進行綜合對比,選取濕拖方案,并對平臺濕拖路線、濕拖吃水、拖航阻力、拖船配置、運動性能等關鍵參數進行論證分析,通過水池模型試驗進行驗證,為平臺濕拖的實施提供技術保障。

1 平臺主尺度參數

“深海一號”能源站總體結構形式見圖1,平臺上部組塊采用桁架式結構,船體采用板殼式結構提供浮力。船體采用4立柱、4浮箱的結構形式。船體長、寬均為91.5 m;立柱采用方形截面,水平截面長、寬均為21 m,高度59 m;浮箱同樣采用方形截面,橫截面寬21 m,高9 m[2]。設計作業海域為中國南海1 500 m級水深海域氣田,作業吃水37 m,空船總重53 007 t,總排水量10.5萬t,平臺主尺度參數見表1。

表1 平臺主尺度參數

圖1 平臺總體結構形式及尺寸

2 平臺拖航方案選取

半潛式生產平臺拖航運輸有“干拖”和“濕拖”兩種方式,一般在基本設計階段綜合考慮實施難度、拖船等資源獲取能力、工期、經濟性、風險并結合拖航季水文氣象條件、拖航距離等因素確定拖航方案,后期針對確定的拖航方案,對平臺結構進行適應性設計[3]。

1)干拖拖航。半潛平臺作為貨物裝載在運輸自航船上運輸到目的地,運輸船可快捷地完成平臺的異地搬遷。

2)濕拖拖航。半潛平臺自浮于水面,通過配置拖輪提供動力,實現平臺的拖航運輸。

兩種方案對比見表2。

表2 平臺運輸方案對比

通過對兩種方案進行對比,干拖方案比濕拖方案操作界面復雜、資源唯一、工期及經濟性沒有顯著的優勢,本項目拖航工期安排在2021年1月中旬和2月上旬的非臺風季,且拖船資源得到落實,綜合風險、工期、費用等多個因素的綜合考慮,最終選擇濕拖方案。

3 濕拖方案分析論證

3.1 拖航路線

拖航路線規劃是進行拖航方案設計的前提條件,需綜合考慮航路的水深、海浪、海流、風、航程、通航密度、燃油補給等因素,以及航線上可調動應急資源便利性等風險管控因素。

將“深海一號”自煙臺拖航至陵水氣田現場,可選擇的拖航路線有臺灣東部航線(東線)和臺灣海峽航線(西線),見圖2。

圖2 “深海一號”拖航路線

針對兩條航線,對比分析最小水深、海況條件、航速、航程、工期等,見表3。

表3 東部、西部航線各要素對比

通過上述東線和西線的綜合對比可以看出,除了航道水深稍淺和通航密度大,選取臺灣西部航線,航速保證、風險管控等相比東線更有利。西線航道淺灘的最小水深雖稍淺,但采取減小濕拖吃水在溫和海況下過淺灘可規避觸底風險。拖航期間配備了1艘護航拖船,該護航拖船在拖航拖船(組)前方1～2 n mile處航行,進行沿路的警戒、驅趕航路上的無關船只并提前通知拖航拖船(組)避讓等工作,降低通航密度風險;且護航拖船可在拖航拖船發生故障時替換拖航拖船執行拖航任務,以及在拖航拖船(組)遭遇惡劣海況的時候協助拖航拖船(組)控制半潛式平臺的船位。綜合對比評估后確定采用臺灣西部航線為主路線,凈工期約17 d。

3.2 拖航季和環境條件

中國沿海拖航路線是臺風活動主要航線之一,一般從3月份開始出現臺風,但3月份出現臺風的概率極低,每年5—9月份是臺風影響這條航線的集中期。“深海一號”能源站拖航速度慢,避臺能力差,需要重點規避和防范臺風影響。結合項目工期進度要求,拖航工期安排在1月中旬至2月上旬的非臺風季。

根據測算出的拖航凈工期17 d,選取拖航路徑上的設計海況的重現期,綜合中國船級社[4]和項目海事保險方規定的規范[5]要求,采用拖航路徑上5個典型位置(見圖3)的10年重現期非臺風海況進行工程方案設計,見表4。

表4 典型位置環境參數

圖3 拖航路徑典型位置

3.3 拖航吃水

半潛式平臺拖航吃水的確定是綜合考慮平臺在不同吃水下的拖航穩性、航路水深、水線面附近設施抗波浪抨擊能力、拖航阻力、拖航運動幅值、結構強度等因素后,而優選出的最合理的數值。

項目綜合以上因素重點進行表4中5個典型位置環境的12 m和15 m吃水下平臺運動、航道水深需求、平臺穩性、靜水阻力進行對比分析,見表5。

表5 不同吃水平臺特性參數

由表5可見,兩者在穩性、運動等方面影響不大,但由于在役期平臺功能的需求,在浮箱頂部布置了較多的設備設施,在12 m吃水時浮箱頻繁出入水線面,顯著增加了設備設施的安全隱患,采用15 m的吃水,對應的排水量為65 379 t。

在拖航過程中,半潛式平臺的吃水可以根據需求進行調整,在通過水深較小的航段存在觸底風險時可以減小吃水,選擇環境條件比較好的海況下跨越;在遭遇惡劣海況時可以增加吃水來規避浮箱頂部的設備設施被惡劣海況拍擊受損,這些情況在進行方案設計的時候都需要進行相應計算分析和必要的結構保護,并做好調載方案。

3.4 拖航阻力及拖船配置

拖船配置需要考慮航向穩定性、拖航阻力、拖帶效率等因素,根據中國船級社規范要求[4],被拖物需要在風速20 m/s、有義波高5 m,流速為0.5 m/s的環境條件下確保拖帶航向穩定。平臺在此環境條件下自持的拖航阻力見表6。

表6 平臺自持濕拖阻力 kN

按照船級社要求被拖物在靜水中的拖航速度不小于4 kn,對缺母型船的半潛平臺拖航阻力評估,往往需要通過風洞試驗和水池拖曳試驗對設計計算結果進行驗證和校準[6]。通過風洞試驗和拖曳水池試驗,得到平臺在靜水中的拖航阻力見表7。試驗結果與數值計算結果匹配性較好,且都未發現濕拖存在偏蕩現象。

表7 靜水中拖航阻力

通過計算,靜水中拖航阻力比平臺自持濕拖阻力要大,且一般認為拖曳試驗結果較準確,風洞試驗結果為驗證校核使用。拖船的選取需考慮拖船的拖帶效率等因素,以滿足拖船組的總有效系柱拖力不小于表7中的被拖物的拖航阻力。“深海一號”拖航阻力大,需要采用功率的拖船,拖船的拖帶效率按照船級社和海事保險要求[4-5],見圖4。

圖4 拖船的拖帶效率與有義波高的關系(適用于拖船總長>45 m)

依據拖航阻力需求,對比拖力滿足要求的雙拖和3拖方案,見圖5。在拖航季10年重現期波浪環境條件下,雙拖有效拖力達4 340 kN,3拖有效拖力達6 020 kN。

圖5 “深海一號”能源站雙拖、3拖拖航配置方案

為保障高通航密度下的超大慣性結構物的航行安全和規避2艘船方案拖船需持續保持滿負荷運行機械風險,“深海一號”能源站采用了3船4點拖航方式,且增加1條巡航和備用拖船。

3.5 濕拖運動性能分析

為驗證濕拖工況數值計算的準確性和實際拖航過程中的運動性能,針對濕拖工況開展水池模型試驗,數值計算模型與水池試驗模型,見圖6。

圖6 平臺數值計算模型與水池試驗模型

根據數值計算結果,選取9組典型工況進行驗證,見表8。

表8 濕拖水池試驗工況表

根據濕拖水池模型試驗得到的數據,對3個主要自由度運動進行分析,與運用軟件進行數值模擬得到的結算結果進行對比,見表9。二者時歷對比見圖7(篇幅關系,僅截取e00bi02工況)。

表9 數值計算與水池模型試驗結果對比

圖7 橫搖數值計算與水池模型試驗時歷對比(e00bi02工況)

通過對比分析可以看出,數值計算跟水池模型試驗結果無明顯偏差,不同工況下垂蕩、橫搖、縱搖3個自由度軟件計算數值與模型試驗結果接近,數值計算可信度滿足工程應用需求。

4 工程實踐

2021-01-19 T18：00“深海一號”能源站從煙臺外錨地掛纜正式濕拖啟航。2021-02-05 T18：00“深海一號”能源站抵達設計位置。連續航行1 609 n mile,歷時17 d(408 h),跨越渤海、黃海、東海、南海4大海域,克服冬季季風、漁場穿越、臺灣海峽等重重挑戰,將全球首座10萬t級半潛式生產儲油平臺從風雪交加的北方送達溫暖宜人的南海,創造了國內超大型結構物拖航的歷史記錄。

拖航過程中的拖航阻力和平臺運動與設計方案完全相符,充分證明了本文方案的可靠性。在2021-01-29進入臺灣海峽北口前,氣象臺預報平臺穿越臺灣海峽18 m水深淺水段有義波高將達3.0 m,根據預計算分析結果排載至14 m吃水,乘潮安全通過18 m淺灘。跨越淺灘后平臺壓載恢復至15 m吃水。

5 結論

1)對于“深海一號”能源站量級的大型半潛式平臺的遠距離拖航運輸,濕拖方案完全可行。工程實施過程中需重點關注平臺吃水、拖航阻力、實施季節等關鍵因素。

2)相較于干拖方案,濕拖方案具有界面少、操作步驟相對簡單、拖輪資源選擇多等優點。在非臺風季,對在國內建造的南海大型浮式平臺采用濕拖技術將是未來的發展趨勢。

3)由于濕拖方案航速低,如在臺風季使用,平臺的避臺方案有待于進一步論證。