李 杰，徐亞玲，王君如，畢華奇，梁憲超

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著采油水域的不斷加深，半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)逐漸脫穎而出，其集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油[1]為一體，是一種快速、有效、經(jīng)濟(jì)的開(kāi)發(fā)海上油氣資源不可替代的開(kāi)發(fā)裝置。壓排載系統(tǒng)是半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)的重要組成部分，其主要功能是調(diào)整整個(gè)平臺(tái)的重心、縱傾、橫傾和吃水[2]，以保持平臺(tái)較好的穩(wěn)定性和操作性，并且可以適應(yīng)不同環(huán)境和工況條件。因此壓載系統(tǒng)的集成技術(shù)與其他集成技術(shù)同樣重要。

P W Penney 和R M Riiser[3]通過(guò)手機(jī)大量平臺(tái)的設(shè)計(jì)資料，給出設(shè)計(jì)流程，將常見(jiàn)的半潛式平臺(tái)分為浮體、立柱、撐桿和甲板四部分，建立了各部分尺寸與其重量的回歸公式，可用于平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)。

張茴棟[4]針對(duì)大型起重船壓載艙的特點(diǎn)，提出了數(shù)值分析法的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化原則，運(yùn)用數(shù)值分析法對(duì)其壓載艙進(jìn)行具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

岳吉祥等[5]在基于作業(yè)流程層次分解布局法，提出了布局理論、算法和布局流程。研究了以作業(yè)流程為基礎(chǔ)，按材料輸送系統(tǒng)輸送模式劃分子空間，子空間以模塊為布局基本單位，對(duì)不同空間采用相應(yīng)的優(yōu)化算法，并對(duì)立柱和下浮體的存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行規(guī)劃，然后根據(jù)重心對(duì)平臺(tái)的布局進(jìn)行調(diào)整，以提高穩(wěn)定性，完成布局的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

本文介紹了某半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)壓排載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和基本設(shè)計(jì)原理，以及調(diào)載方式的應(yīng)用，并以大合攏工況為例，介紹該工況下的調(diào)載方案及操作流程，為后續(xù)海上拖航及回接工況調(diào)載方案的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 壓排載系統(tǒng)

本文介紹的半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)分為上部模塊和船體兩大部分，船體承載著上部模塊，船體總尺寸為L(zhǎng)91.5 m×B91.5 m×H59 m，浮筒為L(zhǎng)49.5 m×B21 m×H9 m，立柱為L(zhǎng)21 m×B21 m×H59 m，生存工況吃水為35～40 m，生存工況立柱最小干舷為22 m，下甲板標(biāo)高為60.5 m。壓排載系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備及管路均位于船體。

1.1 壓載艙設(shè)置

船體的艙室組成主要包括28 個(gè)壓載艙、2 個(gè)淡水艙、2 個(gè)柴油艙、4 個(gè)凝析油艙、2 個(gè)污油艙、2 個(gè)MEG艙。其中28個(gè)壓載艙主要用于裝載海水，壓載艙數(shù)量之多，可以大大減小每個(gè)艙室的自由液面，且每個(gè)艙室并未設(shè)置海底門，避免了壓載艙與海水直接接觸，大大提高了其安全性。

船體壓載艙由16 個(gè)浮筒艙、8 個(gè)節(jié)點(diǎn)艙和4 個(gè)柱艙組成，每個(gè)旁通上分別有4 個(gè)浮筒艙，分別為E1～E4，N1～N4，S1～S4，W1～W4，8 個(gè)節(jié)點(diǎn)艙分為位于船體的4 個(gè)拐角處，分別為NW1、NW9、NE1、NE9、SW1、SW9、SE1、SE9，4 個(gè)柱艙分別位于船體的4 個(gè)立柱中，分別為NW3、NE3、SW3、SE3。由于各艙室的位置不同，艙室的高度、容積等參數(shù)也略有不同的，各艙室的參數(shù)如表1 所示。船體的調(diào)載即通過(guò)調(diào)節(jié)壓載艙的水位進(jìn)而調(diào)節(jié)船體的吃水并保持整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定。

表1 船體壓載艙參數(shù)

1.2 壓排載管路設(shè)置

該半潛式平臺(tái)的壓排載系統(tǒng)為雙壓排載環(huán)網(wǎng)，即一路是壓載管路，一路為排載管路，且每路管線既可作為壓載管路又可作為排載管路，28 個(gè)壓載艙用于裝載海水，壓載管路連接上部模塊海水系統(tǒng)，海水經(jīng)壓載管路灌入壓載艙內(nèi)。為滿足不同的施工條件，當(dāng)平臺(tái)需要進(jìn)行調(diào)載時(shí)，壓載艙中的海水將通過(guò)排載管路排出船體，或通過(guò)倒艙的方式將船體調(diào)平[4]，船體的調(diào)載作業(yè)主要由排載系統(tǒng)完成。壓載艙室布置及壓排載管路如圖1所示。

圖1 壓載艙室布置和壓排載管路

2 壓排載系統(tǒng)調(diào)載方法

2.1 調(diào)載方式確定

根據(jù)《船舶壓載水管理計(jì)劃編制指南》中的壓載水及安全評(píng)估[6]等相關(guān)規(guī)定，在進(jìn)行壓排載系統(tǒng)調(diào)載前，需結(jié)合具體的施工工況編制對(duì)應(yīng)的調(diào)載方案。目前，常用的排載方式有排載水泵排載方式、壓縮空氣排載方式和重力自流排載方式[7-8]。3 種排載方式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。如表所示，3 種排載方式具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，由于該半潛式平臺(tái)壓載艙較多，且為保證半潛式平臺(tái)的穩(wěn)性，該半潛平臺(tái)采用挑撥性能較好、技術(shù)比較成熟的排載水泵的方式進(jìn)行排載。

表2 船舶常用排載方式性能對(duì)比表

2.2 壓排載動(dòng)力系統(tǒng)

壓載水來(lái)自上部模塊海水系統(tǒng)，在東北立柱懸外安裝有海水提升泵，海水提升泵的海水提升流量為1 100 m3/h立柱，海水經(jīng)海水提升泵到達(dá)上部模塊海水系統(tǒng)，經(jīng)反沖洗濾器系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理后經(jīng)壓載管線進(jìn)入船體的壓載艙，此過(guò)程為下潛過(guò)程。

上浮過(guò)程即排載過(guò)程，排載工作由4 臺(tái)排載水泵完成，4臺(tái)排載泵分別位于船體4個(gè)立柱的最底層，其最大排量為700 m3/h/立柱，最大操作壓力為800 kPa。4 臺(tái)排載水泵采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，船體每個(gè)立柱B層的公用設(shè)備間均設(shè)有液壓驅(qū)動(dòng)站，每個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)站包括4個(gè)主馬達(dá)和3個(gè)輔助馬達(dá)，為排載水泵提供動(dòng)力，液壓動(dòng)力操作站位于船體的C 層應(yīng)急開(kāi)關(guān)間，通過(guò)操作HPU 控制盤或壓載控制系統(tǒng)（BCS）操作站驅(qū)動(dòng)排載水泵。對(duì)于該半潛式平臺(tái)，最重要的就是要始終保持平臺(tái)處于平穩(wěn)狀態(tài)，因此需要始終保持排載水泵的排水能力處于合理范圍[8]。

排載水泵的理論揚(yáng)程：

式中：r為葉輪半徑；ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度；Q為泵的體積流量；b為葉片寬度；β為葉片裝置角。

排載水泵的管路損失：

式中：λ為管道沿程阻力系數(shù)；d為管內(nèi)徑；l為管長(zhǎng)；∑ξ為管路上各局部阻力系數(shù)的總和。

排載水泵的揚(yáng)程為：

式中：Δz為靜揚(yáng)程；Δp為出入口壓力差。

排載水泵的機(jī)械效率：

式中：N為軸功率。

該半潛式平臺(tái)的排載水泵的性能參數(shù)如圖2所示。

圖2 排載水泵的性能參數(shù)

2.3 排水量計(jì)算法

圖3 所示為平臺(tái)某一壓載艙φ角度后橫剖面處的入水和出水楔形。

圖3 某壓載艙入水和出水楔形

首先討論入水楔形，把入水楔形L0OLΦ分成無(wú)窮多的小楔形[9]。在φ處取一夾角為dφ的小三角形，設(shè)底邊的距離為a，則小三角形面積為：

在平臺(tái)方向取dx一段，則小三角形的體積為dAdx，沿整個(gè)平臺(tái)L積分便得到楔形的體積：

于是在橫傾角φ范圍內(nèi)的入水楔形的體積為：

同理，可求得出水楔形體積：

因此，入水與出水楔形的體積差為：

3 大合攏工況調(diào)載方案

3.1 前置條件

為保證船體進(jìn)塢后與上部模塊保持相對(duì)合理的距離，船體靠泊碼頭后需加注壓載水7 637.9 t，達(dá)到基本正浮吃水7.2 m。根據(jù)排水量計(jì)算法，通過(guò)裝載計(jì)算機(jī)計(jì)算出各壓載艙需加注的水量和各艙室液位高度如表3所示。

表3 艙室加注水量和液位高度

壓載時(shí)，開(kāi)啟對(duì)應(yīng)管線和壓載艙的遙控蝶閥，啟動(dòng)海水提升泵，將海水從海里抽吸至壓載艙，觀察液位測(cè)深系統(tǒng)，當(dāng)壓載艙液位達(dá)到指定位置時(shí)，海水提升泵停用，關(guān)閉管線上的遙控蝶閥，壓載操作完成。具體的壓載操作如圖4所示。

圖4 壓載操作流程

3.2 船體與上部模塊合攏

在大合攏過(guò)程中，上部模塊釋放壓力到船體，合攏過(guò)程中船體需要向外排出壓載水用以調(diào)節(jié)4 個(gè)立柱受到的內(nèi)應(yīng)力，直至上部模塊與船體合攏到位，上部模塊總重為15 000 t，上部模塊向船體轉(zhuǎn)移重量的同時(shí)進(jìn)行排載作業(yè)。當(dāng)?shù)鯔C(jī)卸載上部模塊重量3 500 t 時(shí)，開(kāi)始準(zhǔn)備排水。各壓載艙需排出的水量和各艙室液位高度如表4所示。

表4 艙室排水量和液位高度

排載時(shí)，檢查相關(guān)的遙控蝶閥，避免誤操作造成船體傾斜，啟動(dòng)排載水泵，通過(guò)排載泵抽吸相應(yīng)壓載艙內(nèi)的海水，通過(guò)液位測(cè)深系統(tǒng)觀察相應(yīng)壓載艙液位直到降至目標(biāo)高度，停用排載泵并關(guān)閉相應(yīng)的遙控蝶閥，排載操作完成。具體的排載操作如圖5所示。

圖5 排載操作流程

4 結(jié)束語(yǔ)

壓排載系統(tǒng)是半潛式生產(chǎn)平臺(tái)非常關(guān)鍵的系統(tǒng)，對(duì)于維持整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定起著不可替代的作用，對(duì)于平臺(tái)上其他設(shè)備的安裝和操作有著直接的影響[10]。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的壓載與排載需要壓排載動(dòng)力系統(tǒng)、壓排載管路系統(tǒng)、壓載控制系統(tǒng)、液位測(cè)深系統(tǒng)以及操作人員等相互配合完成。本文對(duì)艙室及管路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)調(diào)載方式及穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)分析，在該半潛式平臺(tái)的實(shí)際建造和調(diào)試的過(guò)程中，可以驗(yàn)證以排載水泵為動(dòng)力源的壓排載技術(shù)方案是成功的，本文的設(shè)計(jì)方案完全滿足半潛式平臺(tái)的各種作業(yè)需求。