蔡元浪,張法富,楊小龍

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

陵水17-2氣田位于陵水海域,距我國海南島三亞東南150 km其水深為1 220～1 560 m,是中國海域首次采用典型超深水開發(fā)模式開發(fā)的自營超深水氣田,采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接全球首座立柱儲油的半潛平臺“深海一號”能源站的開發(fā)方案[1]?！吧詈Ｒ惶枴蹦茉凑就虾绞俏覈状芜M(jìn)行超大型浮式半潛的長距離拖航作業(yè),航行距離1 609 n mile,跨越渤海、黃海、東海及南海4個(gè)海域,沿途環(huán)境條件多變。平臺上部模塊采用超大跨距的桁架式結(jié)構(gòu),下部船體結(jié)構(gòu)形式為4立柱加環(huán)形浮箱,船體為主尺度91.5 m×91.5 m×59 m的超大型結(jié)構(gòu),平臺具有拖航阻力大,重心高等特點(diǎn),對拖航工作帶來挑戰(zhàn)。針對“深海一號”能源站的特點(diǎn)和長距離拖航的需求,通過對實(shí)施難度、獲取資源能力、工期、經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行綜合對比,選取濕拖方案,并對平臺濕拖路線、濕拖吃水、拖航阻力、拖船配置、運(yùn)動性能等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行論證分析,通過水池模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,為平臺濕拖的實(shí)施提供技術(shù)保障。

1 平臺主尺度參數(shù)

“深海一號”能源站總體結(jié)構(gòu)形式見圖1,平臺上部組塊采用桁架式結(jié)構(gòu),船體采用板殼式結(jié)構(gòu)提供浮力。船體采用4立柱、4浮箱的結(jié)構(gòu)形式。船體長、寬均為91.5 m;立柱采用方形截面,水平截面長、寬均為21 m,高度59 m;浮箱同樣采用方形截面,橫截面寬21 m,高9 m[2]。設(shè)計(jì)作業(yè)海域?yàn)橹袊虾? 500 m級水深海域氣田,作業(yè)吃水37 m,空船總重53 007 t,總排水量10.5萬t,平臺主尺度參數(shù)見表1。

表1 平臺主尺度參數(shù)

圖1 平臺總體結(jié)構(gòu)形式及尺寸

2 平臺拖航方案選取

半潛式生產(chǎn)平臺拖航運(yùn)輸有“干拖”和“濕拖”兩種方式,一般在基本設(shè)計(jì)階段綜合考慮實(shí)施難度、拖船等資源獲取能力、工期、經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)險(xiǎn)并結(jié)合拖航季水文氣象條件、拖航距離等因素確定拖航方案,后期針對確定的拖航方案,對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)[3]。

1)干拖拖航。半潛平臺作為貨物裝載在運(yùn)輸自航船上運(yùn)輸?shù)侥康牡?運(yùn)輸船可快捷地完成平臺的異地搬遷。

2)濕拖拖航。半潛平臺自浮于水面,通過配置拖輪提供動力,實(shí)現(xiàn)平臺的拖航運(yùn)輸。

兩種方案對比見表2。

表2 平臺運(yùn)輸方案對比

通過對兩種方案進(jìn)行對比,干拖方案比濕拖方案操作界面復(fù)雜、資源唯一、工期及經(jīng)濟(jì)性沒有顯著的優(yōu)勢,本項(xiàng)目拖航工期安排在2021年1月中旬和2月上旬的非臺風(fēng)季,且拖船資源得到落實(shí),綜合風(fēng)險(xiǎn)、工期、費(fèi)用等多個(gè)因素的綜合考慮,最終選擇濕拖方案。

3 濕拖方案分析論證

3.1 拖航路線

拖航路線規(guī)劃是進(jìn)行拖航方案設(shè)計(jì)的前提條件,需綜合考慮航路的水深、海浪、海流、風(fēng)、航程、通航密度、燃油補(bǔ)給等因素,以及航線上可調(diào)動應(yīng)急資源便利性等風(fēng)險(xiǎn)管控因素。

將“深海一號”自煙臺拖航至陵水氣田現(xiàn)場,可選擇的拖航路線有臺灣東部航線(東線)和臺灣海峽航線(西線),見圖2。

圖2 “深海一號”拖航路線

針對兩條航線,對比分析最小水深、海況條件、航速、航程、工期等,見表3。

表3 東部、西部航線各要素對比

通過上述東線和西線的綜合對比可以看出,除了航道水深稍淺和通航密度大,選取臺灣西部航線,航速保證、風(fēng)險(xiǎn)管控等相比東線更有利。西線航道淺灘的最小水深雖稍淺,但采取減小濕拖吃水在溫和海況下過淺灘可規(guī)避觸底風(fēng)險(xiǎn)。拖航期間配備了1艘護(hù)航拖船,該護(hù)航拖船在拖航拖船(組)前方1～2 n mile處航行,進(jìn)行沿路的警戒、驅(qū)趕航路上的無關(guān)船只并提前通知拖航拖船(組)避讓等工作,降低通航密度風(fēng)險(xiǎn);且護(hù)航拖船可在拖航拖船發(fā)生故障時(shí)替換拖航拖船執(zhí)行拖航任務(wù),以及在拖航拖船(組)遭遇惡劣海況的時(shí)候協(xié)助拖航拖船(組)控制半潛式平臺的船位。綜合對比評估后確定采用臺灣西部航線為主路線,凈工期約17 d。

3.2 拖航季和環(huán)境條件

中國沿海拖航路線是臺風(fēng)活動主要航線之一,一般從3月份開始出現(xiàn)臺風(fēng),但3月份出現(xiàn)臺風(fēng)的概率極低,每年5—9月份是臺風(fēng)影響這條航線的集中期?！吧詈Ｒ惶枴蹦茉凑就虾剿俣嚷?避臺能力差,需要重點(diǎn)規(guī)避和防范臺風(fēng)影響。結(jié)合項(xiàng)目工期進(jìn)度要求,拖航工期安排在1月中旬至2月上旬的非臺風(fēng)季。

根據(jù)測算出的拖航凈工期17 d,選取拖航路徑上的設(shè)計(jì)海況的重現(xiàn)期,綜合中國船級社[4]和項(xiàng)目海事保險(xiǎn)方規(guī)定的規(guī)范[5]要求,采用拖航路徑上5個(gè)典型位置(見圖3)的10年重現(xiàn)期非臺風(fēng)海況進(jìn)行工程方案設(shè)計(jì),見表4。

表4 典型位置環(huán)境參數(shù)

圖3 拖航路徑典型位置

3.3 拖航吃水

半潛式平臺拖航吃水的確定是綜合考慮平臺在不同吃水下的拖航穩(wěn)性、航路水深、水線面附近設(shè)施抗波浪抨擊能力、拖航阻力、拖航運(yùn)動幅值、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素后,而優(yōu)選出的最合理的數(shù)值。

項(xiàng)目綜合以上因素重點(diǎn)進(jìn)行表4中5個(gè)典型位置環(huán)境的12 m和15 m吃水下平臺運(yùn)動、航道水深需求、平臺穩(wěn)性、靜水阻力進(jìn)行對比分析,見表5。

表5 不同吃水平臺特性參數(shù)

由表5可見,兩者在穩(wěn)性、運(yùn)動等方面影響不大,但由于在役期平臺功能的需求,在浮箱頂部布置了較多的設(shè)備設(shè)施,在12 m吃水時(shí)浮箱頻繁出入水線面,顯著增加了設(shè)備設(shè)施的安全隱患,采用15 m的吃水,對應(yīng)的排水量為65 379 t。

在拖航過程中,半潛式平臺的吃水可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整,在通過水深較小的航段存在觸底風(fēng)險(xiǎn)時(shí)可以減小吃水,選擇環(huán)境條件比較好的海況下跨越;在遭遇惡劣海況時(shí)可以增加吃水來規(guī)避浮箱頂部的設(shè)備設(shè)施被惡劣海況拍擊受損,這些情況在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的時(shí)候都需要進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算分析和必要的結(jié)構(gòu)保護(hù),并做好調(diào)載方案。

3.4 拖航阻力及拖船配置

拖船配置需要考慮航向穩(wěn)定性、拖航阻力、拖帶效率等因素,根據(jù)中國船級社規(guī)范要求[4],被拖物需要在風(fēng)速20 m/s、有義波高5 m,流速為0.5 m/s的環(huán)境條件下確保拖帶航向穩(wěn)定。平臺在此環(huán)境條件下自持的拖航阻力見表6。

表6 平臺自持濕拖阻力 kN

按照船級社要求被拖物在靜水中的拖航速度不小于4 kn,對缺母型船的半潛平臺拖航阻力評估,往往需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)和水池拖曳試驗(yàn)對設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)[6]。通過風(fēng)洞試驗(yàn)和拖曳水池試驗(yàn),得到平臺在靜水中的拖航阻力見表7。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果匹配性較好,且都未發(fā)現(xiàn)濕拖存在偏蕩現(xiàn)象。

表7 靜水中拖航阻力

通過計(jì)算,靜水中拖航阻力比平臺自持濕拖阻力要大,且一般認(rèn)為拖曳試驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確,風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為驗(yàn)證校核使用。拖船的選取需考慮拖船的拖帶效率等因素,以滿足拖船組的總有效系柱拖力不小于表7中的被拖物的拖航阻力。“深海一號”拖航阻力大,需要采用功率的拖船,拖船的拖帶效率按照船級社和海事保險(xiǎn)要求[4-5],見圖4。

圖4 拖船的拖帶效率與有義波高的關(guān)系(適用于拖船總長>45 m)

依據(jù)拖航阻力需求,對比拖力滿足要求的雙拖和3拖方案,見圖5。在拖航季10年重現(xiàn)期波浪環(huán)境條件下,雙拖有效拖力達(dá)4 340 kN,3拖有效拖力達(dá)6 020 kN。

圖5 “深海一號”能源站雙拖、3拖拖航配置方案

為保障高通航密度下的超大慣性結(jié)構(gòu)物的航行安全和規(guī)避2艘船方案拖船需持續(xù)保持滿負(fù)荷運(yùn)行機(jī)械風(fēng)險(xiǎn),“深海一號”能源站采用了3船4點(diǎn)拖航方式,且增加1條巡航和備用拖船。

3.5 濕拖運(yùn)動性能分析

為驗(yàn)證濕拖工況數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和實(shí)際拖航過程中的運(yùn)動性能,針對濕拖工況開展水池模型試驗(yàn),數(shù)值計(jì)算模型與水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?見圖6。

圖6 平臺數(shù)值計(jì)算模型與水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,選取9組典型工況進(jìn)行驗(yàn)證,見表8。

表8 濕拖水池試驗(yàn)工況表

根據(jù)濕拖水池模型試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),對3個(gè)主要自由度運(yùn)動進(jìn)行分析,與運(yùn)用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬得到的結(jié)算結(jié)果進(jìn)行對比,見表9。二者時(shí)歷對比見圖7(篇幅關(guān)系,僅截取e00bi02工況)。

表9 數(shù)值計(jì)算與水池模型試驗(yàn)結(jié)果對比

圖7 橫搖數(shù)值計(jì)算與水池模型試驗(yàn)時(shí)歷對比(e00bi02工況)

通過對比分析可以看出,數(shù)值計(jì)算跟水池模型試驗(yàn)結(jié)果無明顯偏差,不同工況下垂蕩、橫搖、縱搖3個(gè)自由度軟件計(jì)算數(shù)值與模型試驗(yàn)結(jié)果接近,數(shù)值計(jì)算可信度滿足工程應(yīng)用需求。

4 工程實(shí)踐

2021-01-19 T18：00“深海一號”能源站從煙臺外錨地掛纜正式濕拖啟航。2021-02-05 T18：00“深海一號”能源站抵達(dá)設(shè)計(jì)位置。連續(xù)航行1 609 n mile,歷時(shí)17 d(408 h),跨越渤海、黃海、東海、南海4大海域,克服冬季季風(fēng)、漁場穿越、臺灣海峽等重重挑戰(zhàn),將全球首座10萬t級半潛式生產(chǎn)儲油平臺從風(fēng)雪交加的北方送達(dá)溫暖宜人的南海,創(chuàng)造了國內(nèi)超大型結(jié)構(gòu)物拖航的歷史記錄。

拖航過程中的拖航阻力和平臺運(yùn)動與設(shè)計(jì)方案完全相符,充分證明了本文方案的可靠性。在2021-01-29進(jìn)入臺灣海峽北口前,氣象臺預(yù)報(bào)平臺穿越臺灣海峽18 m水深淺水段有義波高將達(dá)3.0 m,根據(jù)預(yù)計(jì)算分析結(jié)果排載至14 m吃水,乘潮安全通過18 m淺灘。跨越淺灘后平臺壓載恢復(fù)至15 m吃水。

5 結(jié)論

1)對于“深海一號”能源站量級的大型半潛式平臺的遠(yuǎn)距離拖航運(yùn)輸,濕拖方案完全可行。工程實(shí)施過程中需重點(diǎn)關(guān)注平臺吃水、拖航阻力、實(shí)施季節(jié)等關(guān)鍵因素。

2)相較于干拖方案,濕拖方案具有界面少、操作步驟相對簡單、拖輪資源選擇多等優(yōu)點(diǎn)。在非臺風(fēng)季,對在國內(nèi)建造的南海大型浮式平臺采用濕拖技術(shù)將是未來的發(fā)展趨勢。

3)由于濕拖方案航速低,如在臺風(fēng)季使用,平臺的避臺方案有待于進(jìn)一步論證。