高 永

中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452

LD32-2油田位于渤海東部海域，油田由1座四腿井口平臺(tái)（WHPA）、1座八腿生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)（PSP）、2座系纜平臺(tái)（MOP） 組成，WHPA與PSP通過上下兩座棧橋連接，PSP平臺(tái)南側(cè)設(shè)有油輪靠泊裝置，原油外輸采用穿梭油輪直接靠泊PSP平臺(tái)的方式。

油田外輸使用5 000 t穿梭油輪，在靠泊平臺(tái)時(shí)，依靠系泊系統(tǒng)將其固定在平臺(tái)一邊。為了防止油輪與平臺(tái)的撞擊損壞平臺(tái)及油輪，在PSP平臺(tái)靠船一側(cè)設(shè)置了靠船件，同時(shí)在靠船件側(cè)面設(shè)置了V型橡膠護(hù)舷以減少撞擊力，見圖1。

2009年10月油田投產(chǎn)，產(chǎn)能2 100～2 200 m3/d，較總體開發(fā)方案ODP提高了50%，外輸周期為2.5 d。同年10月到下一年的4月，渤海海域氣候環(huán)境較為惡劣，在此期間，油田共計(jì)外輸作業(yè)87次，超限制海況條件的作業(yè)次數(shù)為59次，占外輸作業(yè)總數(shù)的68%。油輪在超限制海況條件下進(jìn)行靠泊作業(yè)時(shí)，傳到WHPA平臺(tái)的振動(dòng)較大，影響結(jié)構(gòu)安全，因此對(duì)平臺(tái)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測分析，并制訂應(yīng)對(duì)措施，對(duì)降低油輪靠泊平臺(tái)引起平臺(tái)的振動(dòng)具有重要的意義。

1 靠泊方案設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

LD32-2油田是邊際油田，開發(fā)收益較低。為減少結(jié)構(gòu)用鋼量，降低投資費(fèi)用等，確定原油外輸采用油輪直接靠泊生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)的方案。工程中采用5 000 t級(jí)油輪進(jìn)行原油外輸作業(yè)，其靠泊總體設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

1.2 靠泊設(shè)計(jì)及分析

1.2.1 靠泊設(shè)計(jì)

穿梭油輪靠泊設(shè)計(jì)考慮了系纜力、靠船件橡膠護(hù)舷撞擊力、船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)和平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。PSP平臺(tái)采用10個(gè)DA-A800×2.5 m高反力型橡膠護(hù)舷，5個(gè)為一組，分列在靠船件東西兩側(cè)。設(shè)計(jì)壓縮變形為52.5%時(shí)，吸能值為558 kJ，所對(duì)應(yīng)的反力值為1 628 kN；最大壓縮變形為55%時(shí)，吸能值為598 kJ，所對(duì)應(yīng)的反力值為2 324 kN。

圖1 油輪靠泊總體設(shè)計(jì)示意

1.2.2 靠泊分析方法

船舶靠泊時(shí)的有效撞擊能根據(jù)API RP 2AWSD規(guī)范計(jì)算：

式中：E為船舶的動(dòng)能，kJ；α為附加質(zhì)量系數(shù)，舷側(cè)撞擊時(shí)，α=1.4，首/尾撞擊時(shí)，α=1.1；m為船舶質(zhì)量（油輪是以壓載的情況到平臺(tái)裝油的，所以m取壓載排水量），t；v為靠舶的法向速度，m/s。

分配在每個(gè)橡膠護(hù)舷的有效撞擊能Ew按JTS 144-1-2010《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算：

式中：Ew為分配在每個(gè)靠船件上的有效撞擊能，kJ；Ew0為總的撞擊能，kJ；n為靠船件數(shù)目，個(gè)，n＞4時(shí)，取n=4；K為不均勻系數(shù)，n=4時(shí)取K=1.5，n=2～3時(shí)取K=1.6～2.0。

1.2.3 油輪靠泊操作及臨界工況分析

操作工況容許應(yīng)力放大系數(shù)取1.0；臨界工況容許應(yīng)力放大系數(shù)取1.33。

（1）操作工況分析。操作工況考慮了一定的安全系數(shù)，橡膠護(hù)舷吸能在曲線范圍內(nèi)?？坎此俣热?.5 m/s，采用式（1） 算得撞擊能為680 kJ，分配到每個(gè)護(hù)舷所承受的能量采用式（2）計(jì)算，所得結(jié)果為255 kJ。船靠泊時(shí)存在靠泊角度，不同的靠泊角度相應(yīng)的護(hù)舷受力大小不同，護(hù)舷垂直受壓時(shí)吸能最大。

（2）臨界工況分析。DA-A800H×2.5 m型護(hù)舷最大吸能為598 kJ，根據(jù)這個(gè)最大吸能，通過式（1）、（2）可以反推出護(hù)舷所允許的最大靠船速度為0.76 m/s。當(dāng)船速v=0.76 m/s、0°靠泊時(shí)，撞擊能為1 569.9 kJ，分配到每個(gè)護(hù)舷能量為1.5×1 569.9 kJ/4=588.7 kJ，按照護(hù)舷的性能曲線查出反力值，查得每個(gè)護(hù)舷的反力值為2 324 kN。如果油輪速度超過0.76 m/s，變形將超過護(hù)舷的最大變形，所產(chǎn)生的能量超過護(hù)舷的最大吸能，故把船速0.76 m/s、0°靠泊作為5 000 t油輪靠泊時(shí)的橡膠吸能臨界工況。PSP平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可承受穿梭油輪以6.7 m/s航速撞擊，靠船件在穿梭油輪以2.0 m/s航速撞擊時(shí)局部破壞[2]。

1.3 系泊分析

油輪系泊時(shí)，系纜力采用MOSES軟件計(jì)算，撞擊力采用MOSES和經(jīng)驗(yàn)公式兩種方法分析，系泊分析考慮了壓載和滿載兩種不同的工況。

1.3.1 系纜力計(jì)算

系纜繩采用直徑為64 mm的聚酯纜，纜繩破斷力637 kN。采用MOSES軟件計(jì)算油輪在風(fēng)、浪、流作用下的系纜力，得到的操作工況如表1～2所示。

表1 壓載工況限制條件

表2 滿載工況限制條件

1.3.2 撞擊力計(jì)算

（1）MOSES分析。所選的橡膠護(hù)舷達(dá)到最大吸能時(shí)，產(chǎn)生的反力值為1667kN。MOSES軟件計(jì)算得到的油輪在壓載和滿載情況下，斜浪和橫浪撞擊力小于1667kN時(shí)，最大反力的限制條件見表3～4。

表3 壓載工況限制條件

表4 滿載工況限制條件

（2）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。只考慮波浪的影響，橫浪所產(chǎn)生的撞擊力最大，故需計(jì)算油輪在橫浪作用下的撞擊力。系泊船舶的有效撞擊能量Ew0按系泊船舶在橫浪作用下的撞擊能量計(jì)算。公式如下：

式中：E0為船舶在橫浪作用下的撞擊能量，kJ；k為偏心撞擊能量折減系數(shù)；Cm為附加水體影響系數(shù)；M為船舶質(zhì)量（按船舶相應(yīng)的排水量計(jì)算），t；Vb為撞擊的法向速度，m/s。

偏心撞擊能量折減系數(shù)k按下式計(jì)算：

式中：l為船舶與碼頭撞擊點(diǎn)（即護(hù)舷中心位置）到船舶橫剖面重心高程的垂距（即偏心距），m；r為船舶橫斷面上的回轉(zhuǎn)半徑，m。

按下式計(jì)算r值：

式中：I為船舶橫向慣性矩（與船舶計(jì)算裝載度相應(yīng)），m4。

計(jì)算得到總的撞擊能后，分配到每個(gè)護(hù)舷上的撞擊能按式（2）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表5。

表5 不同波高下船舶的撞擊能

由表5可知，壓載工況下，當(dāng)波高為1.5 m時(shí)，單個(gè)橡膠吸能就超過最大吸能值；滿載工況下，當(dāng)波高為2.0 m時(shí)，單個(gè)橡膠吸能超過最大吸能值。

1.4 系泊操作環(huán)境條件的船模試驗(yàn)

穿梭油輪直接靠泊平臺(tái)，在整個(gè)中海油范圍內(nèi)是首次應(yīng)用，其對(duì)海上操作環(huán)境條件有較為嚴(yán)格的限制，因此，需要通過模型試驗(yàn)為工程設(shè)計(jì)和海上外輸作業(yè)提供可靠的操作環(huán)境條件。根據(jù)5 000 t油輪靠泊模型試驗(yàn)結(jié)果[3]進(jìn)行PSP平臺(tái)結(jié)構(gòu)和靠船件的設(shè)計(jì)。

（1）系纜力。模型試驗(yàn)中選用纜繩破斷力為1 275 kN，安全系數(shù)取1.5，則設(shè)計(jì)破斷載荷為1 275 kN/1.5=850 kN。通過試驗(yàn)得出系纜力不超過850 kN對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件見表6。

表6 船模試驗(yàn)不同工況系纜力

（2）撞擊力。根據(jù)油輪船體強(qiáng)度分析，單個(gè)護(hù)舷最大反力為2 324 kN。通過試驗(yàn)得出，撞擊力不超過2 324 kN對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件見表7。

表7 船模試驗(yàn)不同工況撞擊力

1.5 系泊限制環(huán)境條件

模型試驗(yàn)取壓載、滿載兩種工況，并同時(shí)滿足系纜力和撞擊力的要求，所得系泊限制環(huán)境條件見表8。

表8 油輪系泊限定環(huán)境條件

2 油輪靠泊平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測分析

采用監(jiān)測儀器對(duì)海上油田PSP平臺(tái)、WHPA平臺(tái)振動(dòng)進(jìn)行測量，并分析WHPA平臺(tái)振動(dòng)原因。

2.1 位移監(jiān)測分析

采用壓電式加速度傳感器、YE5858A雙積分型電荷放大器和DSP-32并口數(shù)據(jù)采集儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在油輪外輸油作業(yè)時(shí)，平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表9。

表9 油輪外輸作業(yè)時(shí)平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，可知WHPA平臺(tái)振動(dòng)主要是油輪靠泊PSP平臺(tái)的撞擊力通過棧橋傳遞到WHPA平臺(tái)引起的。

2.2 力學(xué)監(jiān)測分析

鋼的彈性模量E=2.1×1011Pa[4]，鋼骨架復(fù)合材料的彈性模量E=2.1×1010Pa。通過測得的應(yīng)變值可計(jì)算作用力。在油輪系泊過程中，對(duì)PSP平臺(tái)的撞擊力數(shù)據(jù)見表10，棧橋?qū)HPA平臺(tái)的作用力見表11，棧橋管道對(duì)WHPA平臺(tái)的作用力見表12。

表10 油輪對(duì)PSP平臺(tái)的撞擊力統(tǒng)計(jì)

表11 棧橋?qū)HPA平臺(tái)的作用力

表12 棧橋管道對(duì)WHPA平臺(tái)的作用力

從表11可以看出，棧橋南側(cè)支座對(duì)WHPA平臺(tái)的作用力比北側(cè)支座對(duì)WHPA平臺(tái)的作用力??；上棧橋?qū)HPA平臺(tái)的作用力比下棧橋?qū)HPA平臺(tái)的作用力稍大。

綜上所述，靠船件、棧橋、棧橋管道上的作用力與油輪靠泊的環(huán)境條件有關(guān)，海況條件越差，作用力越大。

3 解決平臺(tái)振動(dòng)的措施設(shè)計(jì)及監(jiān)測

為解決WHPA平臺(tái)的振動(dòng)問題，采用了臨時(shí)性措施減緩平臺(tái)的振動(dòng)[5-8]，并提出永久性的方案。

3.1 臨時(shí)性措施的設(shè)計(jì)及平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測

臨時(shí)方案是在原V型護(hù)舷外側(cè)安裝靠球，可在短時(shí)間內(nèi)解決WHPA平臺(tái)的振動(dòng)問題。

（1）措施方案設(shè)計(jì)。方案選用直徑2.5 m、高度5.5 m的充氣靠球，靠球安裝在PSP平臺(tái)兩組靠船件的外側(cè)，靠球和原有靠船件V型橡膠護(hù)舷共同緩沖5 000 t油輪在靠泊以及系泊過程中對(duì)平臺(tái)的撞擊力?？壳蛟赑SP平臺(tái)的布置如圖2所示。

圖2 靠球安裝示意

（2）措施實(shí)施效果監(jiān)測。靠球安裝前后，PSP靠船件、棧橋及棧橋管道上所受的作用力對(duì)比見表13～ 15。

表13 油輪撞擊力

表14 棧橋作用力

表15 管道作用力

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在相似海況條件下進(jìn)行外輸作業(yè)，安裝靠球后，靠船件、棧橋及管道作用力明顯下降，油輪靠泊的撞擊力降低約60%，表明靠球的減振效果比較明顯。

（3）措施方案優(yōu)化?？壳蚍桨甘褂煤螅霈F(xiàn)了如下問題：第一，靠球和鏈條長期浸泡在海水中，影響使用壽命；第二，在油輪靠泊外輸過程中，靠球鏈條及連接件受油輪橫搖影響多次受損。

考慮到靠球的耐久性、維修及冬季使用等因素，對(duì)所使用的靠球進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：在標(biāo)高12 m處外擴(kuò)甲板，并安裝兩套靠球收放裝置，通過該裝置，在油輪靠泊外輸前將靠球吊放到海面，使用完畢后再將靠球回收到甲板上固定?？壳蚴辗叛b置如圖3所示。

圖3 靠球收放裝置

3.2 永久性措施的技術(shù)方案及費(fèi)用比對(duì)

為避免油輪靠泊撞擊力對(duì)平臺(tái)的影響，開展了PSP平臺(tái)與外輸靠船件分離方案的設(shè)計(jì)。分別研究了多個(gè)可行方案，并確定了兩個(gè)方案：方案一，新建2座油輪靠泊的四腿導(dǎo)管架平臺(tái)和2座筒基系纜平臺(tái)；方案二，新建1座油輪靠泊的八腿導(dǎo)管架平臺(tái)和1座樁基系纜平臺(tái)。兩個(gè)方案的技術(shù)及費(fèi)用對(duì)比見表16。

表16 兩種方案的技術(shù)及費(fèi)用對(duì)比

從降低投資、減少鋼材用量考慮，選取方案二作進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)。由于PSP平臺(tái)西側(cè)存在淺斷層，并考慮到火炬的熱輻射等因素，將新增靠泊平臺(tái)移至PSP平臺(tái)東側(cè)。該方案可避免穿梭油輪直接靠泊PSP平臺(tái)產(chǎn)生的撞擊力對(duì)WHPA平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)的影響，優(yōu)化了系泊形式，避免了油輪靠、離泊時(shí)對(duì)系纜平臺(tái)的撞擊風(fēng)險(xiǎn)。此方案總體布置如圖4所示。

4 結(jié)束語

通過對(duì)海上油田PSP平臺(tái)和WHPA平臺(tái)的振動(dòng)監(jiān)測分析和WHPA平臺(tái)振動(dòng)應(yīng)對(duì)措施的監(jiān)測研究，得出以下幾方面結(jié)論：第一，采用直接靠泊方式進(jìn)行外輸作業(yè)，對(duì)環(huán)境條件有嚴(yán)格限制，超出設(shè)計(jì)限制條件進(jìn)行外輸作業(yè)時(shí)，會(huì)造成平臺(tái)較大振動(dòng)；第二，油輪靠泊平臺(tái)產(chǎn)生的撞擊力通過棧橋傳遞到WHPA平臺(tái)，是引起WHPA平臺(tái)振動(dòng)的主要因素；第三，通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析，安裝靠球?qū)ζ脚_(tái)減振起到明顯效果；第四，采用永久性方案將增加海上外輸作業(yè)難度，并增加工程投資。

圖4 新建靠泊平臺(tái)總體布置示意