深远海多功能原油转驳船创新设计

吴承恩，蔡 灵

（南通中远海运船务工程有限公司，江苏南通 226001）

0 引言

规模化的离岸深水原油开采离不开以（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）为主的海上集约化生产、储存、转驳与输送设备。其中，原油转驳外输系统作为关键装备，是制约我国石油公司进军深海的主要技术瓶颈之一。目前，全球范围内有超过200艘的FPSO在各个油田工作，FPSO的工作海域不断扩大，广泛应用于中国渤海和南海、北海、东南亚、非洲西部等海域，已成为海上原油生产装备的主力军。深海油田原油外输成本高、效率低、对原油价格影响显著。与常规油船相比，穿梭油轮数量少，载重量小，单位造价高。如何在大规模、远距离深海油气资源开发中充分发挥常规油船数量多、造价低、载重大、运输成本低的优势，在不经改造的前提下将现有原油船用于深海油田的原油运输作业，成为最新研究方向[1]。为适应深海原油开采及运输行业降低整体转运成本的市场需求，发掘新的利润空间，各大石油开采公司着力提高30万吨级常规油轮运输能力以降低穿梭油轮在远距离运输情况下的高昂成本。本文提出一种全新原油外输作业应用模式“FPSO+原油转驳船（Cargo Transfer Vessel，CTV）+常规油轮”[2]，即FPSO处理的原油通过CTV过驳到常规油轮上（见图1）。该设计突破了部分边际油田必须配置穿梭油船的瓶颈，提高了常规油船的作业范围和作业条件，CTV的投入与使用降低了原油的整体外输成本[3]。

图1 “FPSO+CTV+常规油轮”原油输送模式

1 经济性优势

下面从经济性方面对比“FPSO+CTV+常规油轮”应用模式和传统的“FPSO+穿梭油轮”模式。在远距离运输时，CTV转运每桶油大概可节约1美元的运输成本，对于一艘 30万吨级的超大型油轮（Very Large Crude Carrier，VLCC）而言，单次可节约运输成本约200万美元。CTV配合不同载重吨位油轮使用时节约成本情况见表1。

表1 经济效益表

2 同类型比较

利用VLCC级常规油轮从FPSO卸载原油还有2种其他解决方案：1）借助CALM装置和拖轮辅助。但由于CALM的安装费巨大，经济性差，不具有通用性，拖轮辅助的艉输方式目前只在我国海域使用，环境适用性受限。2）Hiload托举方式，即借助工程船HiLoad下潜移动至VLCC下方后将其托举并拖航至FPSO外围的安全区，进而完成原油的转运。然而，Hiload托举方式存在水线面短、排水量低等缺陷，恶劣海况下VLCC的稳性无法保证。原油转运作业方案对比情况见图 2，综合考虑操作的简便性、工作的可靠性、海域的适应性、转运的经济性等因素，CTV是目前针对深海油田远距离海上原油转运应用场景下的最优解决方案。

图2 油转运作业方案对比

3 主要技术突破

3.1 原油外输全新模式

针对深海原油运输成本高问题，引入了“FPSO+CTV+常规油轮”的原油外输全新模式，改进了现有的FPSO原油外输过程，研制了一种新概念CTV，突破了常规油轮不加改造就能从事深海油田原油运输作业的技术瓶颈，降低了原油输送成本。

1）应用“FPSO+CTV+常规油轮”低成本原油外输模式

对于深海远距离运输，穿梭油轮高昂的造价和运输成本一直是海上石油运输公司营运过程中的痛点，虽做出了一些尝试，但无论是借助于系泊装置CALM 还是Hiload托举常规油轮方式转驳原油都存在明显不足，无法成为一种理想的解决方案。本项目综合考虑经济性、适用性、可靠性等多方面因素，提出“FPSO+CTV+常规油轮”的远距离海上原油转驳方案。根据目前在巴西海域作业的 CTV的实际使用状况，该方案具有良好的适应性及作业可靠性，有效降低了原油的转运成本，达到了船东的设计期望。在深海远距离原油运输领域，CTV模式有望逐步取代穿梭油轮的模式，推动该领域运输模式的变革。

2）提出CTV船型减摇尾鳍优化设计方法，提高CTV转运作业的安全性

低航速/零航速船舶的减摇及其稳定性研究一直以来都是船舶与海洋工程界的技术难题。当前，国内外大都采用减摇水舱或零航速减摇鳍来解决低航速/零航速船舶的横摇问题。但是，对于CTV而言，除了显著的横摇外，垂荡及纵摇运动亦甚为剧烈，对 CTV自身稳定性特别是动态效应下的原油接收与转驳外输油管和牵引绳缆的张力及疲劳寿命产生极为不利的影响。因此，本项目在船型设计时，基于船体耐波性对纵向及横向减摇阻尼装置的布置进行了优化。

常规的减摇装置通常从抵御波浪力或改变船舶动力学固有特性参数的切入点出发，减缓船舶运动。本项目在设计阶段充分考虑了 CTV的船型尺度及总体方案，在此基础上规划纵向及横向减摇阻尼装置的布置。本船主尺度偏小，舱室内的空间基本都被各类设备占据，如果采用减摇鳍方案，不仅设备布置较为困难，还会增加建造成本。在综合考虑设备布置和经济性等多方面的因素后，本项目采用箱形舭龙骨结构以达到提高稳性的目的。经过模型试验以及船舶实际使用状况的验证，该种形式的减摇装置减摇效果明显，大大提高了船舶的稳性，为船上的作业人员营造了良好的作业环境，也为后续同类型船舶的船型的高耐波性设计提供了参考。

3.2 高效灵活的原油转驳设备与系泊系统

本船建立了高效灵活的原油转驳设备与系泊系统，原油装载、外输处理量达到8 000 m3/h @1 MPa，大缆系泊绞车静态维持力为3 500 kN，满足30万吨级常规油轮原油转驳与安全系泊的需求。

1）提出一种高效灵活的原油转驳系统，显著提高了转运效率和环境适应性

作为 CTV上最主要的功能系统，转驳系统的性能直接关系到本项目的整体经济性。设计人员充分考虑了装载口对接的便利性及原油转驳的快速性等指标，合理布置系统中各系统的位置，调整各单元之间的关系，使整个系统处于良好的工作状态。

（1）双侧装载系统设计

常规的卸油船（如穿梭油轮）通常采用单侧装载系统设计，即装载站布置在舷侧的一边，工作时需要调整船体的姿态使装载站一侧面向FPSO完成接头的对接及原油的装载。但是此种装载方式对于卸油船的姿态控制要求很高，在风浪流稍大的情况下就会造成对接的困难，适应性较差。本船采用了双侧装载系统设计（见图3），可根据作业海域的实际情况就近选择装载站与FPSO的输油管对接，最大程度上降低了在恶劣海况条件下的操作难度、提高作业安全性，为后续同类型工程船的装载系统设计提供了一种思路。

图3 双侧装载系统示意图

（2）原油装载速度提升

原油的转运速度是评价 CTV工作性能的关键指标。传统模式下，卸油船仅承担被动受油的角色，装卸速度主要取决于FPSO的原油外输速度，原油的转运效率低，输油管的连接时间长，发生意外事故的概率更大。本项目在 CTV的装卸系统中装入了一套货油增压泵系统，大幅降低了CTV与FPSO之间的管程损失。

2）设计一种集成新型快速释放机构的大缆系泊装置，保障了作业安全

作为 CTV的主要辅助系统，大缆系泊装置需要为常规油轮提供牵引力，与 CTV形成风向标效应，时刻处于安全距离区域，并在发生紧急情况时实现快速解脱，以保护其他关键的输油设备及规避船舶碰撞情况的发生。本项目的大缆系泊装置在设计时，集成一种新型的五连杆快速释放机构，通过结构上的集成设计实现了3 500 kN的静态维持能力。

（1）五连杆快速释放机构

本项目使用了一种具有自锁能力的五连杆式的释放机构来实现系泊绳缆在紧急情况下的快速释放。该种释放机构内藏于绞车滚筒，结构紧凑。系泊绳缆的一端通过缆头固定在紧急释放机构的卡爪内，液压油缸伸长驱动卡爪闭合卡紧缆头完成系泊大缆与绞车的固定，并从机构上形成自锁，系泊大缆上传递的系泊力可以经释放机构、绞车传递到甲板上，保证常规油船与 CTV之间的安全系泊。当工作时发生紧急状况时，液压油缸收缩驱动卡爪张开，缆头脱离卡爪实现系泊绳缆与绞车的快速分离，保证原油输送设备的安全。

（2）先进设计及测试技术在五连杆释放机构上的应用

五连杆快速释放机构与传统的释放机构存在很大差异，其具体使用效果是否能够达到设计预期需要进行验证。为此，设计人员在设计时借助先进的设计和仿真手段建立数字化样机进行数字化模拟，随后借助甲板机械试验平台进行模拟实船作业工况下产品解脱特性的可靠性验证，以确保产品的性能指标。五连杆紧急释放机构在实际的作业环境下功能可靠，操作简便，完全达到了设计预期。

3.3 三浮体柔性链接系统

本文提出“FPSO+CTV+常规油轮”三浮体柔性链接系统水动力性能预报和水池试验方法，全面分析了首艘动力定位原油输送转驳船海上输送新模式的可行性，保证了“FPSO+CTV+常规油轮”模式下海上作业的安全性。

1）提出三浮体系统水动力性能预报方法与水池试验技术

多浮体水动力干扰研究一直是国际海洋工程界的热点和难点之一，由于其本身物理现象的复杂性以及现有数值模拟方法的局限性，该问题一直没有得到很好的解决。本文针对三浮体水动力干扰及运动预报问题，重点归纳并梳理了两浮体水动力干扰及运动预报方法，推导出柔性链接的三浮体水动力干扰及运动预报方法，开展“FPSO+CTV+常规油轮”三浮体系统海上作业性能预报的研究，分析不同海况条件下三浮体系统海上作业的极限能力，为CTV设计和海上作业评估提供了强有力的技术支撑。通过此种理论推演、数学建模以及水池模型试验验证的研究思路，参研人员成功将现有的两浮体水动力干扰及运动分析方法推导到了柔性链接的三浮体水动力干扰及运动分析的应用场景，不仅解决了本项研究中的关键技术问题，也为解决海洋工程向离岸深水发展中遇到的共性技术问题提供了研究基础。

2）提出了一种推进及定位系统可靠性设计方法

在选择 CTV的主机及螺旋桨时，需要充分考虑作业海域的风浪流条件以及工作时的负载状况，并进行严谨的模型试验，最终实现船-机-桨的良好配合。此外，该船配备了可靠的电控系统，可监测所属海域的风浪流状况以及系泊系统所受系泊力的大小，及时调整主推进器和侧推的推力大小及方向，维持一个相对稳定的浮态。在设计主推进器及侧推时，预留足够的冗余量，当某组定位系统发生逻辑损坏时，船体依然能够实现动力定位，从而最大程度上规避了船只碰撞情况的发生。这种设计思路在以往的卸油船（如穿梭油轮）上是未纳入考虑的。

3.4 应急释放阀和快速应急关断阀

本文设计和研制了转驳油管应急释放阀和快速应急关断阀，突破了切断时间不大于30 s的技术瓶颈，打破了国外技术垄断，提高了原油转驳作业的安全性。

1）新型应急释放阀

常规的应力致断式螺栓的应急释放关断阀结构采用的是被动保护机制，即螺栓的能够承载的拉应力是一定的，当承受外部拉应力达到一定程度时就会被动破坏以保护输油管及其他设备。区别于常规的应力致断式螺栓的应急释放关断阀结构，本船采用的是一种配合电液控制系统的紧急释放关断阀结构（见图5），具有紧急情况下反应速度快，可重复使用的特点。两端头之间锁紧结构采用凸轮卡紧机构，对接处设置有密封胶圈，在保证对接处良好密性的同时，也可以实现在紧急情况下的快速释放。而在软管接头内部，设置有弹簧驱动的关断阀结构，工作状态下弹簧压缩，关断阀打开，原油可在管道内传输。当发生紧急情况时，弹簧能够驱动关断阀迅速关闭，规避原油大量泄漏情况的发生。

图4 三浮体柔性链接模型图

图5 应急释放阀三维模型

2）新型快速应急关断阀

快速应急关断阀（见图 4）是艉输系统中必不可少的重要阀件，当艉输系统出现火灾，货油管压力过高，外输作业突然异常等情况时，快速应急关断阀可以自动和手动应急关断，及时切断输油通路，以避免或减少原油泄漏。快速应急关断阀采用球阀阀体，双液压缸执行机构。关断时间控制是其重要参数，如果关断时间过短，可能导致输油管路产生水锤冲击，造成管路超压，而产生不良后果。本项目通过对快速应急关断阀实际工况分析，进行管路流体动态仿真，得出流体动态响应特性，从而得到在不同的快速应急关断阀关断时间下，流体压力随时间的变化，突破了切断时间不大于30 s的技术瓶颈，掌握了快速应急关断阀研制的关键技术。

图4 快速应急关断阀

4 结论

国际首创的“FPSO+CTV+常规油轮”深海原油转驳外输应用模式，突破了深远海油田的 FPSO原油外输的高成本、低效率的瓶颈，提高了我国在深远海原油转驳技术方面的国际竞争力，推动了我国成为世界海洋工程装备研制强国。成功完成了国际首艘深远海原油驳船的设计与建造，突破了应急释放阀、应急关断阀、系泊绞车等关键技术，形成了国产化能力，提升了我国深远海油田关键配套设备国产化水平，填补了国内空白。