蔡靈，李榮，吳承恩

(1.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

FPSO是海洋油氣生成開(kāi)采系統(tǒng)的重要組成部分，通常和水下采油裝置、穿梭油船組成一套完整的生產(chǎn)采油系統(tǒng)[1]。穿梭油船與常規(guī)油船相比，其單位造價(jià)高、數(shù)量少，載重量小，運(yùn)輸成本高。如何在大規(guī)模、遠(yuǎn)距離深海油氣資源開(kāi)發(fā)中，充分發(fā)揮常規(guī)油船數(shù)量多、造價(jià)低、載重大、運(yùn)輸成本低的優(yōu)勢(shì)，將現(xiàn)有常規(guī)油船不加改造就能從事深海油田的原油運(yùn)輸作業(yè)，已成為國(guó)際原油輸送裝備技術(shù)客觀需求和潛在的發(fā)展方向[2]。在這樣的市場(chǎng)背景下，產(chǎn)生了一款全新概念的離岸深水FPSO原油轉(zhuǎn)駁船，主要由配置DP(dynamic positioning system)裝置的浮式載體CTV(cargo transfer vessel)及由CTV搭載的原油轉(zhuǎn)駁輸送裝置組成[3]。原油轉(zhuǎn)駁船CTV依靠自身大功率推進(jìn)器與動(dòng)力定位裝置牽引缺乏定位能力的普通油船(VLCC)避碰FPSO并游弋在一定范圍內(nèi)，從而通過(guò)CTV大口徑輸油軟管將FPSO原油過(guò)駁輸送至VLCC等常規(guī)油船上。同時(shí)，配置大型裝卸裝置，將FPSO原油轉(zhuǎn)駁至VLCC上，實(shí)現(xiàn)離岸深水FPSO的原油外輸，即“FPSO+CTV+VLCC”[4]，見(jiàn)圖1。這種全新深海原油駁運(yùn)模式，以CTV(見(jiàn)圖2)為核心，通過(guò)一進(jìn)一出2條輸油軟管和輸送泵形成輸送系統(tǒng)：1條受油軟管連接FPSO，1條輸油軟管連接VLCC，CTV通過(guò)動(dòng)力定位保持和FPSO之間的相對(duì)位置，油船通過(guò)系泊裝置與CTV連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟隨[5]。全新概念深水動(dòng)力定位原油轉(zhuǎn)駁船的設(shè)計(jì)也解決了部分邊際油田必須配置穿梭油船的瓶頸，提高了VLCC級(jí)別的常規(guī)油船的作業(yè)范圍和作業(yè)條件，CTV的投入與使用降低了原油的整體外輸成本。

圖1 “FPSO+CTV+常規(guī)油船”原油輸送模式

圖2 CTV概念模型

CTV是一種新型海洋工程船，沒(méi)有現(xiàn)存的資料可供參考，如何合理地確定其主要要素，需要考慮多個(gè)方面，如作業(yè)區(qū)域、作業(yè)任務(wù)，以及自身的浮性、穩(wěn)性、操縱性及布置。這些要素對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性能、設(shè)計(jì)質(zhì)量起著決定性的作用。通過(guò)結(jié)合CTV用途、船級(jí)社的規(guī)范、總布置等，探討CTV主尺度的設(shè)計(jì)，為CTV主尺度的選取提供參考。

1 CTV主尺度設(shè)計(jì)的一般步驟

國(guó)外在新型原油輸送裝置設(shè)計(jì)及建造技術(shù)也處于起步階段，第一艘新型原油輸送裝置“HiLoad DP No.1”號(hào)已成功在挪威Haugesund的Aibel船廠建造，該船安裝了Remora公司發(fā)明的HiLoad固定系統(tǒng)。作為一種替代穿梭油船的新技術(shù)HiLoad也有自身的缺陷，如操作水線面、排水量低，對(duì)重量重心敏感性差等，由于上述缺陷，HiLoad技術(shù)沒(méi)有推出市場(chǎng)，這為新型原油轉(zhuǎn)駁船(CTV)實(shí)施提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。新型原油轉(zhuǎn)駁船為了避免“HiLoad DP No.1”設(shè)計(jì)缺陷，在CTV主要尺度前，需要選擇船舶主要要素，應(yīng)充分考慮以下幾個(gè)方面：①滿足承受重量需要的浮力；②滿足艙容及甲板面積；③滿足新船各項(xiàng)技術(shù)性能；④船東對(duì)新船的有關(guān)使用要求；⑤經(jīng)濟(jì)性。由于各主要要素對(duì)空船重量、穩(wěn)性、操縱性、布置等技術(shù)性能的影響各不相同，試圖一次確定主要要素以滿足要求是不可能的，要通過(guò)反復(fù)迭代、逐步近似來(lái)完成，具體CTV主尺度優(yōu)化流程見(jiàn)圖3。

圖3 CTV主尺度優(yōu)化流程

2 CTV設(shè)計(jì)任務(wù)書

根據(jù)國(guó)家重大科技專項(xiàng)(工信部聯(lián)裝[2016]26號(hào))要求，該CTV設(shè)計(jì)要求及應(yīng)滿足的相關(guān)規(guī)范，見(jiàn)表1。

表1 CTV設(shè)計(jì)任務(wù)總體要求

3 主要要素論證

3.1 CTV設(shè)計(jì)任務(wù)分析

3.1.1 推進(jìn)系統(tǒng)

為了保證FPSO原油的轉(zhuǎn)駁與外輸?shù)陌踩谠O(shè)計(jì)CTV推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，不僅要考慮其在復(fù)雜、惡劣的海況下自航和獨(dú)立定位的能力，還要考慮其牽引300 000 DWT油船時(shí)與FPSO的相對(duì)定位。因此，在確定CTV推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，須滿足自航(航速≥14 kn)、獨(dú)立定位(航向穩(wěn)定，航速為0 kn)及拖曳(航速≥2 kn)3種模式的要求。

3.1.2 側(cè)裝載系統(tǒng)

側(cè)裝載系統(tǒng)的主要作用是從FPSO接收原油并傳送到CTV船的貨油主管路中，通過(guò)增壓泵加壓后送到卸載系統(tǒng)。CTV轉(zhuǎn)駁船上的接收口須定位于船舯位置，考慮營(yíng)運(yùn)中接收的方便，左右舷各設(shè)置一接收口，互為備用。接收口配置1臺(tái)懸掛式萬(wàn)向接頭，可以在前后左右方向旋轉(zhuǎn)，調(diào)整不同的角度，與FPSO伸出的軟管接頭相連接；同時(shí)在左舷安裝一套備用裝載站，以滿足在應(yīng)急狀況下，F(xiàn)PSO輸油管道特殊接口的連接要求。

為便于FPSO的軟管的導(dǎo)入，在CTV轉(zhuǎn)駁船的中心線附近配置1臺(tái)軟管提升絞車及垂向?qū)Ю|滾輪、水平導(dǎo)纜滾輪、軟管提升絞車的配合牽引，牽引軟管先導(dǎo)繩，把FPSO伸出軟管接頭提升到萬(wàn)向接頭位置，通過(guò)萬(wàn)向接頭上的快速連接裝置，實(shí)現(xiàn)與軟管的快速有效連接。

3.1.3 卸載系統(tǒng)

1)軟管輥筒。CTV轉(zhuǎn)駁船主要用于FPSO原油卸載，為滿足卸載要求，在主甲板上須設(shè)卸油軟管輥筒(簡(jiǎn)稱軟管滾輪，見(jiàn)圖2)，輥筒見(jiàn)圖4，尺寸為l×b×h=17 150 mm×15 650 mm×17 800 mm，重量約為240 t。為保證CTV轉(zhuǎn)駁船的穩(wěn)性及營(yíng)運(yùn)時(shí)軟管的操作，輥筒軸線距主甲板高度應(yīng)在5 m左右。因此，輥筒安裝處的主甲板須開(kāi)設(shè)凹槽。

圖4 卸油輥筒

輥筒上設(shè)有裝載軟管，用來(lái)把石油從CTV傳輸?shù)接痛希傞L(zhǎng)420 m，重約137 t。

2)軟管滑坡。用來(lái)放置和引導(dǎo)裝載軟管的釋放和回收，每800 mm間距布置1根卷軸以減小摩擦阻力。配置液壓驅(qū)動(dòng)排管器，以配合輥筒排布回收軟管?；鲁叽鐬閘×b×h=9 948 mm×13 415 mm×7 800 mm，重量48 t，見(jiàn)圖5。

圖5 軟管滑坡

為保證卸油軟管在裝卸過(guò)程中的安全，滑坡須安裝在CTV主甲板的艉部，且尾封板開(kāi)設(shè)凹槽，以布置軟管滑坡。

3.1.4 其他

CTV轉(zhuǎn)駁船有3種工作模式，滿負(fù)荷工作狀態(tài)約占25%，其他時(shí)間都工作在低負(fù)荷下。為了滿足氮、硫化物的排放要求，配電系統(tǒng)采用直流電力配電系統(tǒng)，其主機(jī)能根據(jù)不同的負(fù)荷運(yùn)行在不同的轉(zhuǎn)速下，減少了燃油消耗。

為保證裝卸油作業(yè)的安全性，駕駛?cè)藛T應(yīng)能全方位觀察到CTV、油船的位置，在布置時(shí)，駕駛室高度、駕駛?cè)藛T視線盲區(qū)必須滿足要求。

3.2 母型船資料

根據(jù)對(duì)CTV轉(zhuǎn)駁船設(shè)計(jì)任務(wù)書及具體作業(yè)的分析，選用5 960 kW(8 000 hp)深水三用工作船作為母型船，見(jiàn)圖6，主要參數(shù)見(jiàn)表2[6]。

表2 8 000 hp深水三用工作船主要要素

圖6 8 000 hp深水三用工作船外觀

如果將CTV卸油系統(tǒng)當(dāng)作甲板載貨，則兩者之間有許多相似之處。

1)航行于無(wú)限航區(qū)，具有良好的適航性能和耐波性能，能在惡劣海況條件下安全運(yùn)行。

2)裝載量大，運(yùn)輸能力強(qiáng)。

3)航速快，均為中高速船。

4)系柱拉力大，滿足對(duì)儲(chǔ)油船及提油船進(jìn)行拖帶要求。

相比于母型船，CTV有以下不同之處。

1)為保證裝卸作業(yè)的安全性，CTV轉(zhuǎn)駁船定位能力要求較高，除了滿足自身定位，還要保證拖帶30萬(wàn)t油船時(shí)的定位。

2)設(shè)有大型舷梯，以方便船員在CTV與油船之間通行。舷梯能適應(yīng)最低點(diǎn)離水線7 m(與蘇伊士碼頭高度相適應(yīng))，最高點(diǎn)距離水線22 m(與油船主甲板高度相適應(yīng))。舷梯需要具有可伸縮性，能滿足油船與CTV之間距離(15 m)及最低、最高點(diǎn)要求，伸縮范圍18.5～28.5 m，舷梯俯仰極限角度：+32°～-30°(根據(jù)蘇伊士碼頭、油船、CTV之間的高度關(guān)系模擬)。

3.3 排水量初步估算

利用載重量系數(shù)法估算CTV排水量Δ。通過(guò)調(diào)研分析，以任務(wù)書中要求為準(zhǔn)，載重量DW=3 400 t。

(1)

母型船DW0=2 150 t，Δ0=4 920 t，ηdw=0.437

空船重量LW0=2 770 t

考慮CTV舾裝設(shè)備較多，取ηdw=0.425

則：Δ=8 000 t，LW=4 600 t

3.4 主尺度初步確定

3.4.1 船長(zhǎng)Lpp、型寬B，吃水T的初步選取

Lpp=Lpp0(Δ/Δ0)1/3

(2)

B=B0(Δ/Δ0)1/3

(3)

T=T0(Δ/Δ0)1/3

(4)

式中：母型船Lpp0=64.8 m；Δ=8 000 t；Δ0=4 920 t；Lpp0=64.8 m,B0=16.0 m,T0=6.0 m。

計(jì)算得：

Lpp=76.2 m，B=18.8 m，T=7.0 m，Cb=0.774

以上船長(zhǎng)Lpp、型寬B只是初步確定，還需結(jié)合CTV轉(zhuǎn)駁船的定位能力、裝載系統(tǒng)、卸載系統(tǒng)布置等要求，還需對(duì)船長(zhǎng)Lpp、型寬B作進(jìn)一步校核。

3.4.2 型深的選取

選取型深時(shí)應(yīng)考慮艙容與總布置，甲板上浪與抗沉性、穩(wěn)性、強(qiáng)度等。本船由于裝設(shè)大型輥筒，型深不能按照常規(guī)選取，須結(jié)合輥筒安裝要求來(lái)確定。

3.4.3 主尺度調(diào)整

在上述初步確定的基礎(chǔ)上，對(duì)CTV轉(zhuǎn)駁船進(jìn)行詳細(xì)布置，考慮到裝載系統(tǒng)布置、動(dòng)力定位系統(tǒng)布置及浮態(tài)的要求，在吃水T不變的情況下，將船長(zhǎng)Lpp增加5 m,干舷增加3 m，以便布置裝載系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)。

4 主尺度確定

對(duì)初步確定的主尺度，采用GeniE和Maxsurf等軟件進(jìn)行建模校核計(jì)算，包括對(duì)浮性、穩(wěn)性、阻力、快速性、船體強(qiáng)度，以及操縱性仔細(xì)分析，通過(guò)反復(fù)調(diào)整主要要素，最終確定CTV主要要素(見(jiàn)表3)，具體布置見(jiàn)圖7。

表3 CTV轉(zhuǎn)駁船主要要素

圖7 CTV轉(zhuǎn)駁船總布置

5 結(jié)論

利用參考母型船的方法得出CTV主尺度雖然過(guò)程不復(fù)雜，但是需要計(jì)算軟件對(duì)穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞等方面多次校核調(diào)整，船型的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性要滿足國(guó)際海事組織IMO Resolution MSC.335(90)關(guān)于海洋服務(wù)船的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性要求。計(jì)算得出的干舷要校驗(yàn)保證充裕，滿足ICLL1966載重線公約的干舷最低要求。此外，CTV主尺度設(shè)計(jì)還要要滿足船型功能配置等要求。全新概念深水動(dòng)力定位原油轉(zhuǎn)駁船的主尺度設(shè)計(jì)，助推了我國(guó)石油公司突破深海油田原油外輸達(dá)到低成本、高效率的技術(shù)瓶頸，對(duì)于提高我國(guó)深遠(yuǎn)海油田原油外輸?shù)哪芰?、海洋資源開(kāi)發(fā)綜合競(jìng)爭(zhēng)力、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)等具有重要意義。