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(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引 言

中國(guó)南海北部灣海域?yàn)榘敕忾]性海域，水深在10～60 m，全部處在大陸架上，沿岸河流不多，帶入海灣的泥土較少。南海北部灣海域油田離岸距離遠(yuǎn)、產(chǎn)量低，且屬于邊際油田，周圍缺乏可依托的現(xiàn)有資源。綜合比較浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置和自升式采油平臺(tái)的自身功能和特點(diǎn)及其在北部灣海域的適應(yīng)性、安全性、操作性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，可以得出選用自升式采油平臺(tái)方案較為適合[1]。為避免海底管線外輸方案高成本的投資風(fēng)險(xiǎn)，決定采用海上穿梭油船進(jìn)行原油外輸。系泊設(shè)施作為海上穿梭油船進(jìn)行輸油作業(yè)時(shí)不可缺少的一環(huán)，一直是海工方向研究的重點(diǎn)問題。自升式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)處于研究階段，本文主要針對(duì)5 000 t穿梭油船進(jìn)行系泊設(shè)計(jì)研究，主要內(nèi)容包括穿梭油船系泊方案設(shè)計(jì)、系泊結(jié)構(gòu)型式和系泊力計(jì)算等。

設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)既要保證穿梭油船保持在指定位置，又要從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)；既可以順利將原油從采油平臺(tái)輸送到穿梭油船，又要控制作業(yè)復(fù)雜程度和工程造價(jià)在合適范圍內(nèi)。同時(shí)，系泊系統(tǒng)不應(yīng)妨礙其他海上設(shè)備的運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)時(shí)，必須正確選擇系泊方案和系泊型式，并進(jìn)行相應(yīng)系泊力的計(jì)算[2]。本方案中系泊系統(tǒng)按照《浮式結(jié)構(gòu)物定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析》(中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))[3]進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系泊強(qiáng)度要求和海上定位均須滿足該規(guī)范。

1 穿梭油船主尺度參數(shù)及海況

對(duì)一艘載油量為5 000 t的典型油船進(jìn)行設(shè)計(jì)。北部灣海域潿洲油田水深范圍為20～45 m，設(shè)計(jì)使用年限為25年，平臺(tái)自持能力為20天[4]。在最大產(chǎn)油量下，油田每天的產(chǎn)量只有0.09萬(wàn)t，油田每月外輸時(shí)間需達(dá)到15天以上方能滿足產(chǎn)量要求。在滿足外輸天數(shù)的前提下，結(jié)合已完成的潿洲邊際油田水文氣象環(huán)境參數(shù)專題研究成果進(jìn)行分析，可以確定穿梭油船系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境條件。穿梭油船主要參數(shù)及海況條件見表1。

表1 穿梭油船參數(shù)及海況條件

2 采油平臺(tái)原油外輸方案

利用穿梭油船進(jìn)行原油運(yùn)輸，首先應(yīng)將自升式采油平臺(tái)上的原油輸送至穿梭油船，這就涉及采油平臺(tái)原油外輸方案的研究。

采油平臺(tái)原油外輸方案有多種：最簡(jiǎn)單的一種是使用漂浮軟管的方式進(jìn)行平臺(tái)與穿梭油船之間的原油運(yùn)輸[5]，油船系泊在平臺(tái)一側(cè)，待管路連接后，可直接用泵將原油通過漂浮在海面上的軟管輸送到油船上；另一種是修建靠船平臺(tái)，穿梭油船停靠在平臺(tái)上，通過平臺(tái)上鋪設(shè)的管線進(jìn)行原油運(yùn)輸，這種方式的總工程造價(jià)隨水深的增加而急劇上升，北部灣海域水深接近45 m，不適合采用這種模式；還有一種方式是使用帶有動(dòng)力定位功能的穿梭油船，并配合輸油臂進(jìn)行原油外輸，輸油臂是裝在平臺(tái)上的桁架裝置，帶有補(bǔ)償功能，可在非正常天氣狀況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離原油運(yùn)輸，但是平臺(tái)上安裝輸油臂吊機(jī)會(huì)對(duì)平臺(tái)的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，需重新校核，而且穿梭油船需要采用先進(jìn)的動(dòng)力定位技術(shù)以保證輸油時(shí)控制油船位置在合理的誤差之內(nèi)，動(dòng)力定位技術(shù)需不間斷地提供動(dòng)力，耗費(fèi)大量燃油。

綜合考慮3種外輸方案，漂浮軟管外輸模式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好，適用于南海北部灣海域穿梭油船輸送。

3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系泊方案比較

油船系泊方案可分為單點(diǎn)系泊和多點(diǎn)系泊：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊是指錨泊系統(tǒng)與油船只有1個(gè)接觸點(diǎn)；多點(diǎn)系泊是指錨泊系統(tǒng)與油船有多個(gè)接觸點(diǎn)。

3.1.1 單點(diǎn)系泊

單點(diǎn)系泊最大的特點(diǎn)是“點(diǎn)系泊”，較靈活，穿梭油船可隨海流或風(fēng)向的變化繞系泊中心自由旋轉(zhuǎn)，使油船總是保持在最佳的抗風(fēng)浪位置，可有效地減小風(fēng)、浪、流的作用力，經(jīng)常應(yīng)用于浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置等大型船體。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要分為懸鏈?zhǔn)礁⊥蚕挡聪到y(tǒng)、單錨腿系泊系統(tǒng)、塔架式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)[6]。圖1為懸鏈?zhǔn)礁⊥蚕挡词纠?，這是最簡(jiǎn)單的一種單點(diǎn)系泊，浮筒體漂浮在海面上，靠6條或8條錨鏈固定在海底，浮筒體上裝有轉(zhuǎn)臺(tái)、系泊纜繩連接點(diǎn)和漂浮軟管連接點(diǎn)，從海底管線輸送的原油經(jīng)轉(zhuǎn)臺(tái)和漂浮軟管輸送到油船上[7]。

圖1 懸鏈?zhǔn)礁⊥蚕挡词纠?/p>

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)所用的主要設(shè)備包括浮筒、樁腿構(gòu)件、系泊鏈、系泊纜繩、輸油軟管和流體旋轉(zhuǎn)接頭(轉(zhuǎn)臺(tái))等關(guān)鍵部件。其中，流體旋轉(zhuǎn)接頭既需具有旋轉(zhuǎn)功能，又需在復(fù)雜的海洋條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，其技術(shù)一直被國(guó)外所壟斷[8]。此研究采用自升式平臺(tái)作為采油平臺(tái)，穿梭油船船體長(zhǎng)約100 m，單點(diǎn)系泊需以平臺(tái)為系泊中心或選取較遠(yuǎn)的系泊中心：以平臺(tái)為系泊中心將產(chǎn)生較大的拖曳力，造成平臺(tái)的傾斜，對(duì)平臺(tái)的安全和升降機(jī)構(gòu)的可靠性造成威脅[9]；選取較遠(yuǎn)的系泊中心需使用較長(zhǎng)的輸油臂或外輸軟管，大大增加輸油成本。因此，不宜采用單點(diǎn)系泊。

3.1.2 多點(diǎn)系泊

在多點(diǎn)系泊中錨泊系統(tǒng)與浮體之間有多個(gè)接觸點(diǎn)[10]，如半潛式平臺(tái)和SPAR平臺(tái)，通常采用多根錨鏈線將平臺(tái)與海床相連。多點(diǎn)系泊提供的系泊力大，可有效抵御風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的影響，但如果使用系泊線過多，會(huì)使浮體質(zhì)量增大，可變載荷減小。在船舶中應(yīng)用的多點(diǎn)系泊多為兩點(diǎn)系泊形式，即在船首、船尾布置系泊線，可有效減小船體沿系泊線方向的移動(dòng)，但船體無法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，抵抗橫向環(huán)境力的能力下降，因此多應(yīng)用于風(fēng)力和海流力方向單一的海域。圖2為典型的兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)在船舶中的應(yīng)用。

圖2 兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由錨、系泊鏈、浮筒和系泊纜組成，浮筒與系泊鏈相連，并由錨固定于海底，兩點(diǎn)系泊中的錨可以使用吸力錨、樁錨或重力錨。船舶與浮筒之間由系泊纜繩相連，在船舶首尾各有1套系泊設(shè)施，二者相同且呈對(duì)稱布置。浮筒由錨通過系泊鏈固定在海面以下，除了克服自身和系泊鏈的全部重力以及系泊纜繩的部分重力外，還剩余浮力，即凈浮力，方向?yàn)樨Q直向上。凈浮力與系泊鏈共同作用，保證浮筒有回歸原位的趨勢(shì)。當(dāng)油船受環(huán)境載荷作用偏移原來位置時(shí)，浮筒通過系泊纜將油船拉回原位置，即浮筒在系統(tǒng)中主要起彈性作用[11-12]。為使浮筒在不同時(shí)間都能提供足夠的浮力，應(yīng)將浮筒布置于海水天文潮高度以下，確保任何時(shí)間浮筒都能位于海面以下。

兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在設(shè)備上相比，主要省去了單點(diǎn)旋轉(zhuǎn)接頭。原油經(jīng)水下軟管和漂浮軟管直接輸送至油船，不需經(jīng)過浮筒。兩點(diǎn)系泊使用的設(shè)備均可由常規(guī)件組成，降低了裝備造價(jià)，工程投資較常規(guī)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)大幅減少。在一定范圍內(nèi)，兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)一直是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的替代方案[13]。

3.2 “浮筒+樁錨”方案

兩點(diǎn)系泊技術(shù)已成功應(yīng)用于中國(guó)渤海灣海域，與本項(xiàng)目相比，二者都是采用自升式采油平臺(tái)外加穿梭油船的方式進(jìn)行原油生產(chǎn)和運(yùn)輸，且穿梭油船噸位差別不大。但中國(guó)南海海域的海況比渤海灣復(fù)雜，所需系泊力明顯增加。因此，通過學(xué)習(xí)和借鑒有用的經(jīng)驗(yàn)，本方案采用“浮筒+樁錨”的兩點(diǎn)系泊方案，如圖3所示。與吸力錨相比，樁錨形式更為簡(jiǎn)單，施工所用設(shè)備及施工復(fù)雜程度均比吸力錨?。辉诔休d力方面，樁錨可承受更大的豎向載荷和水平載荷，抗旋轉(zhuǎn)能力強(qiáng)；樁錨使用經(jīng)驗(yàn)多，有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。本方案是單錨腿系泊系統(tǒng)的發(fā)展，將單點(diǎn)系泊技術(shù)成功應(yīng)用于兩點(diǎn)系泊。在進(jìn)行錨泊設(shè)施布置時(shí)，應(yīng)使艏或艉迎著環(huán)境力方向，盡量減小環(huán)境對(duì)油船的影響。

圖3 “浮筒+樁錨”方案示例

3.3 系泊力計(jì)算

若要進(jìn)行錨鏈線和樁錨的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)計(jì)算油船所需的系泊力。穿梭油船的主尺度參數(shù)和海況條件已經(jīng)給出，為確保油船在特殊氣象條件下的安全性，將風(fēng)、浪、流對(duì)船體的作用力按相同方向計(jì)算，先將環(huán)境力相加，然后將合力作用于船體。計(jì)算分析時(shí)采用的坐標(biāo)系為：船尾所受環(huán)境力方向?yàn)?°，右舷的環(huán)境力方向?yàn)?0°，坐標(biāo)系如圖4所示[14]。分別在0°、45°、90°、135°、180°等5個(gè)方向上進(jìn)行系泊力計(jì)算[15]。結(jié)果見表2和表3。

圖4 坐標(biāo)系方向示例

角度/(°)艏纜最大系泊力/t水平力上拔力合力艉纜最大系泊力/t水平力上拔力合力00.44-0.220.4924.20-1.8924.284558.76-7.8959.2896.10-15.4697.3390108.50-30.88112.81109.44-27.63112.87135100.07-15.43101.2562.68-8.0663.2018026.39-2.3326.490.32-0.170.37

從表2可知，在預(yù)張力為2 t的條件下，當(dāng)環(huán)境載荷為90°時(shí)，艉纜承受最大的系泊力為112.87 t，與經(jīng)驗(yàn)一致。

表3 錨纜所受最大系泊力(預(yù)張力為5 t)

由表3可知，在預(yù)張力為5 t的條件下，當(dāng)環(huán)境載荷為90°時(shí)，艏纜承受最大的系泊力為133.89 t，該值大于預(yù)張力為2 t時(shí)的錨纜系泊力，因此建議預(yù)張力為2 t。

4 結(jié) 論

針對(duì)南海北部灣海域油田為邊際油田的特點(diǎn)，采用自升式采油平臺(tái)并利用穿梭油船進(jìn)行原油外輸。通過對(duì)5 000 t穿梭油船外輸方案的比較和對(duì)系泊方式的研究以及對(duì)系泊力的計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1) 通過比較漂浮軟管、搭建靠船平臺(tái)以及輸油臂等采油平臺(tái)原油外輸方案，漂浮軟管外輸模式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益好，適用于南海北部灣海域邊際油田的穿梭油船輸送。

(2) 在進(jìn)行系泊方案布置時(shí)，“浮筒+樁錨”的系泊方案既能適應(yīng)南海海域環(huán)境載荷的要求，又能適應(yīng)邊際油田施工安裝作業(yè)簡(jiǎn)單的要求。

(3) 南海海域穿梭油船錨泊系統(tǒng)布置應(yīng)使船首或船尾迎著環(huán)境力方向，盡量減小環(huán)境對(duì)油船的影響；進(jìn)行錨鏈線和樁錨設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置預(yù)張力為2 t時(shí)計(jì)算油船所需的系泊力最小。