“深海一号”半潜式生产储油平台长距离湿拖方案论证

蔡元浪,张法富,杨小龙

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

陵水17-2气田位于陵水海域,距我国海南岛三亚东南150 km其水深为1 220～1 560 m,是中国海域首次采用典型超深水开发模式开发的自营超深水气田,采用水下生产系统回接全球首座立柱储油的半潜平台“深海一号”能源站的开发方案[1]。“深海一号”能源站拖航是我国首次进行超大型浮式半潜的长距离拖航作业,航行距离1 609 n mile,跨越渤海、黄海、东海及南海4个海域,沿途环境条件多变。平台上部模块采用超大跨距的桁架式结构,下部船体结构形式为4立柱加环形浮箱,船体为主尺度91.5 m×91.5 m×59 m的超大型结构,平台具有拖航阻力大,重心高等特点,对拖航工作带来挑战。针对“深海一号”能源站的特点和长距离拖航的需求,通过对实施难度、获取资源能力、工期、经济性等因素进行综合对比,选取湿拖方案,并对平台湿拖路线、湿拖吃水、拖航阻力、拖船配置、运动性能等关键参数进行论证分析,通过水池模型试验进行验证,为平台湿拖的实施提供技术保障。

1 平台主尺度参数

“深海一号”能源站总体结构形式见图1,平台上部组块采用桁架式结构,船体采用板壳式结构提供浮力。船体采用4立柱、4浮箱的结构形式。船体长、宽均为91.5 m;立柱采用方形截面,水平截面长、宽均为21 m,高度59 m;浮箱同样采用方形截面,横截面宽21 m,高9 m[2]。设计作业海域为中国南海1 500 m级水深海域气田,作业吃水37 m,空船总重53 007 t,总排水量10.5万t,平台主尺度参数见表1。

表1 平台主尺度参数

图1 平台总体结构形式及尺寸

2 平台拖航方案选取

半潜式生产平台拖航运输有“干拖”和“湿拖”两种方式,一般在基本设计阶段综合考虑实施难度、拖船等资源获取能力、工期、经济性、风险并结合拖航季水文气象条件、拖航距离等因素确定拖航方案,后期针对确定的拖航方案,对平台结构进行适应性设计[3]。

1)干拖拖航。半潜平台作为货物装载在运输自航船上运输到目的地,运输船可快捷地完成平台的异地搬迁。

2)湿拖拖航。半潜平台自浮于水面,通过配置拖轮提供动力,实现平台的拖航运输。

两种方案对比见表2。

表2 平台运输方案对比

通过对两种方案进行对比,干拖方案比湿拖方案操作界面复杂、资源唯一、工期及经济性没有显著的优势,本项目拖航工期安排在2021年1月中旬和2月上旬的非台风季,且拖船资源得到落实,综合风险、工期、费用等多个因素的综合考虑,最终选择湿拖方案。

3 湿拖方案分析论证

3.1 拖航路线

拖航路线规划是进行拖航方案设计的前提条件,需综合考虑航路的水深、海浪、海流、风、航程、通航密度、燃油补给等因素,以及航线上可调动应急资源便利性等风险管控因素。

将“深海一号”自烟台拖航至陵水气田现场,可选择的拖航路线有台湾东部航线(东线)和台湾海峡航线(西线),见图2。

图2 “深海一号”拖航路线

针对两条航线,对比分析最小水深、海况条件、航速、航程、工期等,见表3。

表3 东部、西部航线各要素对比

通过上述东线和西线的综合对比可以看出,除了航道水深稍浅和通航密度大,选取台湾西部航线,航速保证、风险管控等相比东线更有利。西线航道浅滩的最小水深虽稍浅,但采取减小湿拖吃水在温和海况下过浅滩可规避触底风险。拖航期间配备了1艘护航拖船,该护航拖船在拖航拖船(组)前方1～2 n mile处航行,进行沿路的警戒、驱赶航路上的无关船只并提前通知拖航拖船(组)避让等工作,降低通航密度风险;且护航拖船可在拖航拖船发生故障时替换拖航拖船执行拖航任务,以及在拖航拖船(组)遭遇恶劣海况的时候协助拖航拖船(组)控制半潜式平台的船位。综合对比评估后确定采用台湾西部航线为主路线,净工期约17 d。

3.2 拖航季和环境条件

中国沿海拖航路线是台风活动主要航线之一,一般从3月份开始出现台风,但3月份出现台风的概率极低,每年5—9月份是台风影响这条航线的集中期。“深海一号”能源站拖航速度慢,避台能力差,需要重点规避和防范台风影响。结合项目工期进度要求,拖航工期安排在1月中旬至2月上旬的非台风季。

根据测算出的拖航净工期17 d,选取拖航路径上的设计海况的重现期,综合中国船级社[4]和项目海事保险方规定的规范[5]要求,采用拖航路径上5个典型位置(见图3)的10年重现期非台风海况进行工程方案设计,见表4。

表4 典型位置环境参数

图3 拖航路径典型位置

3.3 拖航吃水

半潜式平台拖航吃水的确定是综合考虑平台在不同吃水下的拖航稳性、航路水深、水线面附近设施抗波浪抨击能力、拖航阻力、拖航运动幅值、结构强度等因素后,而优选出的最合理的数值。

项目综合以上因素重点进行表4中5个典型位置环境的12 m和15 m吃水下平台运动、航道水深需求、平台稳性、静水阻力进行对比分析,见表5。

表5 不同吃水平台特性参数

由表5可见,两者在稳性、运动等方面影响不大,但由于在役期平台功能的需求,在浮箱顶部布置了较多的设备设施,在12 m吃水时浮箱频繁出入水线面,显著增加了设备设施的安全隐患,采用15 m的吃水,对应的排水量为65 379 t。

在拖航过程中,半潜式平台的吃水可以根据需求进行调整,在通过水深较小的航段存在触底风险时可以减小吃水,选择环境条件比较好的海况下跨越;在遭遇恶劣海况时可以增加吃水来规避浮箱顶部的设备设施被恶劣海况拍击受损,这些情况在进行方案设计的时候都需要进行相应计算分析和必要的结构保护,并做好调载方案。

3.4 拖航阻力及拖船配置

拖船配置需要考虑航向稳定性、拖航阻力、拖带效率等因素,根据中国船级社规范要求[4],被拖物需要在风速20 m/s、有义波高5 m,流速为0.5 m/s的环境条件下确保拖带航向稳定。平台在此环境条件下自持的拖航阻力见表6。

表6 平台自持湿拖阻力 kN

按照船级社要求被拖物在静水中的拖航速度不小于4 kn,对缺母型船的半潜平台拖航阻力评估,往往需要通过风洞试验和水池拖曳试验对设计计算结果进行验证和校准[6]。通过风洞试验和拖曳水池试验,得到平台在静水中的拖航阻力见表7。试验结果与数值计算结果匹配性较好,且都未发现湿拖存在偏荡现象。

表7 静水中拖航阻力

通过计算,静水中拖航阻力比平台自持湿拖阻力要大,且一般认为拖曳试验结果较准确,风洞试验结果为验证校核使用。拖船的选取需考虑拖船的拖带效率等因素,以满足拖船组的总有效系柱拖力不小于表7中的被拖物的拖航阻力。“深海一号”拖航阻力大,需要采用功率的拖船,拖船的拖带效率按照船级社和海事保险要求[4-5],见图4。

图4 拖船的拖带效率与有义波高的关系(适用于拖船总长>45 m)

依据拖航阻力需求,对比拖力满足要求的双拖和3拖方案,见图5。在拖航季10年重现期波浪环境条件下,双拖有效拖力达4 340 kN,3拖有效拖力达6 020 kN。

图5 “深海一号”能源站双拖、3拖拖航配置方案

为保障高通航密度下的超大惯性结构物的航行安全和规避2艘船方案拖船需持续保持满负荷运行机械风险,“深海一号”能源站采用了3船4点拖航方式,且增加1条巡航和备用拖船。

3.5 湿拖运动性能分析

为验证湿拖工况数值计算的准确性和实际拖航过程中的运动性能,针对湿拖工况开展水池模型试验,数值计算模型与水池试验模型,见图6。

图6 平台数值计算模型与水池试验模型

根据数值计算结果,选取9组典型工况进行验证,见表8。

表8 湿拖水池试验工况表

根据湿拖水池模型试验得到的数据,对3个主要自由度运动进行分析,与运用软件进行数值模拟得到的结算结果进行对比,见表9。二者时历对比见图7(篇幅关系,仅截取e00bi02工况)。

表9 数值计算与水池模型试验结果对比

图7 横摇数值计算与水池模型试验时历对比(e00bi02工况)

通过对比分析可以看出,数值计算跟水池模型试验结果无明显偏差,不同工况下垂荡、横摇、纵摇3个自由度软件计算数值与模型试验结果接近,数值计算可信度满足工程应用需求。

4 工程实践

2021-01-19 T18：00“深海一号”能源站从烟台外锚地挂缆正式湿拖启航。2021-02-05 T18：00“深海一号”能源站抵达设计位置。连续航行1 609 n mile,历时17 d(408 h),跨越渤海、黄海、东海、南海4大海域,克服冬季季风、渔场穿越、台湾海峡等重重挑战,将全球首座10万t级半潜式生产储油平台从风雪交加的北方送达温暖宜人的南海,创造了国内超大型结构物拖航的历史记录。

拖航过程中的拖航阻力和平台运动与设计方案完全相符,充分证明了本文方案的可靠性。在2021-01-29进入台湾海峡北口前,气象台预报平台穿越台湾海峡18 m水深浅水段有义波高将达3.0 m,根据预计算分析结果排载至14 m吃水,乘潮安全通过18 m浅滩。跨越浅滩后平台压载恢复至15 m吃水。

5 结论

1)对于“深海一号”能源站量级的大型半潜式平台的远距离拖航运输,湿拖方案完全可行。工程实施过程中需重点关注平台吃水、拖航阻力、实施季节等关键因素。

2)相较于干拖方案,湿拖方案具有界面少、操作步骤相对简单、拖轮资源选择多等优点。在非台风季,对在国内建造的南海大型浮式平台采用湿拖技术将是未来的发展趋势。

3)由于湿拖方案航速低,如在台风季使用,平台的避台方案有待于进一步论证。