大型FPSO干拖和湿拖方案对比

于常宝，朱为全，申 辉，杨洪所

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452； 2.北京高泰深海技术有限公司，北京 102209)

0 引 言

浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)是海洋油气领域开发的主流生产模式，目前全球FPSO的数量占各类浮式平台总量的70%以上。FPSO的建造或改装地点通常远离其实际作业地点，并且一般FPSO自身不具有航行能力，这就需要对FPSO进行远距离运输。目前FPSO的海上运输方式通常有湿拖和干拖两种。湿拖是指FPSO依靠自身浮力漂浮在水中，通过拖船牵引到达目的地，这是传统的海上运输方式。20世纪60年代早期，为了追求更安全、更快速的运输方式，随着半潜驳船的发明，逐渐出现与湿拖相对应的干拖方式[1]。干拖是指将FPSO装在运输船上，与海水没有直接接触的运输方式。严格来讲，将FPSO从码头拖上运输船需要湿拖来完成，因此完整的运输工程需要湿拖与干拖相互配合才能实现。下文中的湿拖和干拖均指远距离运输过程中FPSO的主要拖航方式。

1 拖航分析

1.1 流程图

通常来说，海洋浮式结构物的拖航分析可以主要从3个方面进行考虑，即被拖物的强度、稳性以及拖航设备和程序。典型的拖航分析流程图[2]如图1所示。

图1 拖航分析典型流程图

1.2 设计准则

在拖航分析中，设计准则主要为DNV GL-ST-N001第11章海上航行部分。根据FPSO拖航航线(见图 2)确定不同分析工况对应的设计环境条件。拖航总里程约12 000 n mile。图 2中横坐标表示经度，纵坐标表示纬度，数字表示航海区编号。

图2 FPSO拖航航线

在稳性分析中需考虑完整稳性(100 kn风速)和破舱稳性(50 kn风速)[3]，其中完整稳性要求如表 1所示。

另外根据IMO Weather规范[4]，还需对FPSO在横风条件下的完整稳性进行校核。破舱稳性要求在有效水密舱壁的破损范围内，实际的水密范围应不小于最小要求水密范围。

在湿拖分析中拖船系柱拖力的计算环境条件如表 2所示。

表1 完整稳性要求

表2 拖船系柱拖力环境条件

2 实例研究

以某大型FPSO为例，分别对其干拖和湿拖方案的技术可行性进行对比。

2.1 FPSO主尺度

FPSO主尺度如表 3所示，其满载排水量可达350 000 t。

表3 FPSO主尺度

2.2 干拖分析

若采用干拖方案，需将整个FPSO放置于运输船上，FPSO相对于运输船只是一件货物，在干拖分析时FPSO和运输船作为一个整体来考虑，主要考虑对象就是运输船的能力，包括船体的总纵强度、货物的绑扎强度和稳性等因素。

由表3可知：该FPSO垂线间长达288 m，一般的运输船长度无法满足要求，因此运输船的选择范围非常小。考虑采用重型半潜运输船Boka Vanguard号和新光华号，两者具体参数如表4所示。

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表4 重型半潜运输船参数

由表4可知：能够满足运输要求的只有Boka Vanguard号，该船虽然船长小于FPSO垂线间长，但是其独特的开放式艏部和艉部设计可使FPSO依然放置于其甲板上，超过船长的部分可悬空于甲板外，而如果选用新光华号，那么FPSO超出其船尾甲板的长度将达80 m。因此FPSO干拖采用Boka Vanguard号重型半潜运输船。

2.2.1 总纵强度分析

在总纵强度分析中，Boka Vanguard号的装载状态定为吃水11.0 m，无纵倾，排水量为176 000 t，干拖布置如图3所示。

图4为该船剪力和弯矩的实际值与许用值的对比，结果表明该船的总纵强度完全满足设计要求。

图3 FPSO干拖布置图

图4 干拖总纵强度分析

另外，货物并不是直接放置于运输船甲板上，而是通过支架(通常是墩木)支撑的。墩木承受的支撑载荷与货物尺寸和重量的增加成正比例关系。对于小型货物，运输船和货物均采用刚体计算就可以满足要求，然而对于FPSO这种大型货物，其较大的纵向弯曲能力不仅会影响支架的载荷分布，而且会对运输船的纵向弯曲能力产生较大的影响[5]，因此还需对运输船及货物的挠度、强度和支架载荷进行总体深入分析，这部分工作是后期拖航方案确定后详细设计的重点。

2.2.2 绑扎分析

根据规范要求，选定FPSO干拖运输极端绑扎设计载荷如表5所示。

表5 干拖货物绑扎固定设计载荷 t

绑扎件采用标准能力设计构件，标准绑扎件形式如图5所示，横向绑扎件设计能力为180 t，纵向绑扎件设计能力为160 t。根据表 5可计算出单侧横向绑扎件和单侧纵向绑扎件数量，最终设计绑扎件数量为单侧横向95个，单侧纵向12个。

2.2.3 稳性分析

干拖稳性分析针对运输船和FPSO的整体。Boka Vanguard号的完整稳性结果(见表 6)显示其完整稳性满足规范要求。同时，也进行所有舱的单舱破损稳性分析，结果显示均满足规范要求。

2.3 湿拖分析

湿拖分析主要考虑FPSO本身的能力，包括船体的总纵强度和稳性等，另外还需根据环境条件选择合适的拖船和附属设备等。

图5 标准绑扎件形式图

表6 干拖完整稳性结果

针对FPSO湿拖方案，假定采用2条远洋拖船进行运输(见图6)。根据规范建议，被拖物应有适当的吃水和艉部纵倾，因此初步确定艏艉吃水差为FPSO垂线间长的1%，即2.88 m。为确定合适的拖航装载工况，分别对4种吃水工况进行分析，包括吃水7.9 m、9.0 m、10.0 m和11.0 m。这4种吃水工况的设计主要考虑尽可能减小拖航阻力，并满足规范校核要求。

图6 湿拖示例

2.3.1 总纵强度分析

图7为FPSO船体剪力和弯矩的实际值与许用值的对比，实线为计算所得实际值，结果表明FPSO在上述4种工况下的总纵强度均满足设计要求。

图7 湿拖总纵强度分析

2.3.2 稳性分析

湿拖的稳性分析针对FPSO本身。计算结果表明在4种工况下FPSO的完整稳性和破舱稳性结果均满足规范要求。图8是FPSO在平均吃水为7.9 m工况下的完整稳性曲线。

图8 平均吃水7.9 m工况下湿拖完整稳性曲线

2.2.3 拖船选择

参考规范，分别对拖船的系柱拖力和FPSO的拖航阻力进行分析，FPSO平均吃水为7.9 m工况下的结果如图9所示。

图9 平均吃水7.9 m工况下拖航阻力和系柱拖力

2.4 合理性检验

为了对2种FPSO运输方案的技术结果进行检验，选取目前国际上已经成功实施的FPSO拖航实例[6]，与上述计算结果进行对比验证。其中：例1和例2为干拖实例，均为Boka Vanguard号运输；例3和例4为湿拖实例。

由表7可知：FPSO干拖速度明显优于湿拖。对于湿拖，不同的船型也会影响拖航的速度，表7中3号FPSO是方舱型(box-shaped)，4号FPSO是船型(ship-shaped)，3号的拖航阻力远大于4号。而所研究的FPSO也是方舱型，其拖航速度预计在5 kn左右。在同样的拖航距离上，湿拖所用的拖航天数可能为干拖拖航天数的1倍。此外，天气、海流和航线选择也会影响港口之间的平均拖航速度。

表7 FPSO拖航实例

3 结 语

湿拖方案是海洋浮式结构物拖航的常规方法，基本上所有浮式结构物都能采用。大型浮式结构物与海水直接接触，拖航阻力较大，拖航速度也较慢。而且，湿拖涉及多艘拖船和拖缆等其他设备，再加上远距离湿拖对天气的要求也高，因此风险较大。

干拖方案不论在安全性还是在拖航速度上都明显优于湿拖方案，但是干拖方案的限制条件在于运输船的选择，这就涉及运输船的档期及FPSO能否按预定计划完成运输的问题。

从技术可行性角度对某大型FPSO拖航的两种方案(干拖和湿拖)的关键考量点进行对比，包括强度分析、稳性分析和设备分析等，结果表明这两种方案在技术上都是可行的，并且国际上也都有类似的FPSO拖航实例。后期最终拖航方案的确定还需考虑其他因素，比如项目工期、拖航费用、保险费用、风险分析等。