陵水17-2氣田“深海一號(hào)”能源站立柱儲(chǔ)油關(guān)鍵技術(shù)*

李 達(dá) 易 叢 白雪平 蘇云龍 靜玉曉 胡忠前

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

陵水17-2氣田位于我國(guó)海南島三亞東南150 km的陵水海域，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)[1]，其水深在1 220～1 560 m，是在中國(guó)海域首次采用典型深水開發(fā)模式進(jìn)行開發(fā)的自營(yíng)深水氣田，其適應(yīng)南海油氣開發(fā)特點(diǎn)、帶凝析油儲(chǔ)存和外輸功能的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)——“深海一號(hào)”能源站是其中的關(guān)鍵設(shè)施。

我國(guó)具有豐富的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)設(shè)計(jì)和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)[2]，但均為大水線面的單點(diǎn)系泊船型FPSO。世界上也有單柱式平臺(tái)(Spar)儲(chǔ)油的先例，部署在挪威北海海域，但其采用了等質(zhì)量和等重心高度置換的技術(shù)，且其直徑為50 m，對(duì)平臺(tái)性能和結(jié)構(gòu)布置影響較小。業(yè)內(nèi)也有在半潛式生產(chǎn)平臺(tái)上儲(chǔ)存死油的先例，但儲(chǔ)存量不大，且都儲(chǔ)存在浮箱內(nèi)，死油與壓載水也基本上可以做到等質(zhì)量和等重心高度置換。已投產(chǎn)的半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)中較有代表性的為墨西哥灣Na Kika平臺(tái)，其儲(chǔ)存的死油約為6 400 t，儲(chǔ)存在平臺(tái)浮箱內(nèi)。半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)具有小水線面、艙室布置緊湊、浮體采用多點(diǎn)系泊定位等特點(diǎn)[3]，在該類設(shè)施的立柱中儲(chǔ)存大量的凝析油，屬國(guó)際首次，無先例可循。由于半潛式生產(chǎn)立柱儲(chǔ)油平臺(tái)在作業(yè)過程中重心高度急劇變化，對(duì)平臺(tái)的總體布置、在位性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全儲(chǔ)卸油等方面均帶來了很大的技術(shù)挑戰(zhàn)[4-5]。

本文基于半潛式生產(chǎn)平臺(tái)立柱儲(chǔ)油問題，介紹了立柱儲(chǔ)油總體布置方案，對(duì)立柱儲(chǔ)油對(duì)平臺(tái)在位性能的影響進(jìn)行了評(píng)估及驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，對(duì)立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和凝析油裝卸及安全保障措施進(jìn)行了詳細(xì)論述，為“深海一號(hào)”能源站的成功建成及安全服役提供了技術(shù)支持。

1 凝析油儲(chǔ)存方案及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

根據(jù)“深海一號(hào)”能源站(圖1)船型開發(fā)參數(shù)，其浮箱尺寸為49.5 m×21.0 m×9.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，立柱尺寸為21.0 m×21.0 m×59.0 m(長(zhǎng)×寬×高)。凝析油艙布置對(duì)海上作業(yè)安全和經(jīng)濟(jì)性影響很大。該平臺(tái)凝析油艙艙容要求為2×104m3，如果將凝析油儲(chǔ)存在浮箱內(nèi)，扣除規(guī)范要求的隔離艙尺寸1.5 m后，艙室高度僅6 m，最大設(shè)計(jì)艙容約為2×104m3，其面臨的主要問題有：①進(jìn)艙和外輸管線布置、惰氣和透氣管線布置、量艙系統(tǒng)等距離立柱頂較遠(yuǎn)，凝析油輸送管線須完整穿過平臺(tái)立柱，其輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨安全風(fēng)險(xiǎn)；②凝析油外輸泵的壓力將遠(yuǎn)大于常規(guī)的1.5 MPa，相比以往外輸泵供貨參數(shù)均顯著提升，無相關(guān)供貨業(yè)績(jī)；③凝析油艙外隔離艙的檢查和檢修異常困難，給海上作業(yè)帶來不便；④壓載水艙須設(shè)置在立柱，由于破艙要求，壓載艙須上下布置，不利于排載系統(tǒng)設(shè)計(jì)和排載作業(yè)；⑤壓載工況時(shí)立柱將裝載5×104m3壓載水，將導(dǎo)致平臺(tái)操作重心大幅提高，平臺(tái)穩(wěn)性不足，將導(dǎo)致主尺度顯著增加，進(jìn)而導(dǎo)致投資大幅度上漲；⑥頻繁的浮箱裝卸作業(yè)，將使浮箱與立柱間的載荷分布更加惡化，為在位關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的可靠性帶來新的挑戰(zhàn)。

圖1 “深海一號(hào)”能源站Fig.1 “Deep Sea No.1” energy station

可見，將凝析油儲(chǔ)存在“深海一號(hào)”能源站的浮箱中存在諸多不利。因此，不得不考慮將2×104m3的凝析油艙布置在平臺(tái)的立柱內(nèi)，并通過定位油輪的方式將凝析油進(jìn)行外輸。這成為業(yè)內(nèi)從未遇到的技術(shù)難題。

首先，“深海一號(hào)”能源站可以適應(yīng)動(dòng)力定位外輸方式的穿梭油輪資源有限，合理的艙容選擇和凝析油艙布置是首要突破的技術(shù)難題。在立柱中裝載大量凝析油，為常規(guī)僅在浮箱中儲(chǔ)存壓載水的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)帶來新的技術(shù)難題，即立柱裝載的重心遠(yuǎn)高于浮箱，導(dǎo)致半潛式生產(chǎn)平臺(tái)作業(yè)重心大幅升高。在平臺(tái)合龍方案已經(jīng)限制了平臺(tái)跨距的前提下，如何確保平臺(tái)的穩(wěn)性滿足在役要求，所設(shè)計(jì)的主尺度和裝載工況對(duì)平臺(tái)在位運(yùn)動(dòng)性能特別是低頻運(yùn)動(dòng)性能帶來了極大的不確定性，工業(yè)界尚未有相關(guān)的研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。其次，也對(duì)上部模塊的氣隙安全、立管的強(qiáng)度和疲勞壽命都起到至關(guān)重要的影響。此外，提高立柱結(jié)構(gòu)的可靠性是降低凝析油泄漏及外輸作業(yè)過程中發(fā)生碰撞等風(fēng)險(xiǎn)不可缺少的一環(huán)，須對(duì)結(jié)構(gòu)布置、強(qiáng)度及疲勞壽命進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)及評(píng)估。且凝析油具有低閃點(diǎn)、易揮發(fā)等特性，而半潛式生產(chǎn)平臺(tái)無法承受單根立柱失效帶來的風(fēng)險(xiǎn)，如何保證凝析油與潛在危險(xiǎn)源隔離，避免凝析油泄漏發(fā)生火災(zāi)或者爆炸等危及作業(yè)人員及環(huán)境安全，成為立柱儲(chǔ)油安全設(shè)計(jì)必須解決的問題。

2 立柱儲(chǔ)油布置方案

2.1 凝析油儲(chǔ)存艙容計(jì)算

“深海一號(hào)”能源站為多點(diǎn)系泊的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，采用常規(guī)穿梭油輪進(jìn)行凝析油外輸作業(yè)，由于不具備風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，其外輸作業(yè)需要進(jìn)行復(fù)雜的限位操作。通常限位操作出現(xiàn)在海上短期安裝中，而長(zhǎng)期采用常規(guī)穿梭油輪進(jìn)行限位外輸作業(yè)將可能導(dǎo)致不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。參照國(guó)外多點(diǎn)系泊FPSO的經(jīng)驗(yàn)，“深海一號(hào)”能源站推薦采用動(dòng)力定位(簡(jiǎn)稱DP)油輪進(jìn)行凝析油的外輸作業(yè)，但在國(guó)內(nèi)原油運(yùn)輸市場(chǎng)上并沒有DP油輪，新建DP油輪成為必然的選擇。

陵水17-2氣田的進(jìn)艙凝析油最高產(chǎn)量為1 254 m3/d，比重為735 kg/m3。除按常規(guī)需要的儲(chǔ)油艙規(guī)劃，還要進(jìn)行DP油輪噸位規(guī)劃，以確保海上凝析油生產(chǎn)和DP油輪外輸作業(yè)相匹配。但國(guó)內(nèi)無相關(guān)DP油輪資源，因此方案設(shè)計(jì)上優(yōu)先考慮采用1艘DP油輪滿足日常作業(yè)要求。針對(duì)DP油輪5年特檢及塢修期間的外輸要求，盡可能采用縮短塢修時(shí)間或提前在平臺(tái)上適配常規(guī)油輪外輸?shù)谋匾O(shè)備來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的平衡。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，除5年特檢及進(jìn)塢大修，由于維修工作量大可能導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間DP油輪不可用外，DP油輪常規(guī)的水下檢驗(yàn)或簡(jiǎn)單維修及故障排除可以在15 d內(nèi)完成，這個(gè)時(shí)間周期稱為除大修外的可能最大外輸間隔期，涵蓋了DP油輪從到達(dá)氣田開始外輸至下一次到達(dá)油田開始外輸?shù)臅r(shí)間。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際，確定儲(chǔ)油艙容計(jì)算式為：

V=vt+r

(1)

式(1)中：V為儲(chǔ)油艙容，m3；v為凝析油產(chǎn)量，m3/d，本項(xiàng)目為1 254 m3/d；t為除大修外的可能最大外輸間隔期，d，取15 d；r=惰氣覆蓋容積+艙底死油容積，m3，本項(xiàng)目外輸泵為潛沒泵，艙底無縱骨，惰氣覆蓋容積取vt的5%，m3，艙底死油體積取vt的1%，m3。

根據(jù)式(1)，“深海一號(hào)”能源站需要的凝析油艙容不得小于19 938 m3，凝析油的實(shí)際裝載需求(vt+艙底死油容積)為18 998 m3。因此，最終設(shè)計(jì)凝析油裝載量為2×104m3(1.47×104t)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，南海地區(qū)影響外輸作業(yè)的連續(xù)惡劣天數(shù)為3 d，從而可以得到DP油輪的最長(zhǎng)外輸作業(yè)周期為12 d。進(jìn)而計(jì)算出DP穿梭油輪的凝析油艙容不得小于15 048 m3。綜合考慮DP油輪燃油、淡水、掃線污油水儲(chǔ)存等艙容需求，確定穿梭油輪噸位要求為1.5萬噸級(jí)。

氣田投產(chǎn)6年后，由于氣田壓力衰減后的增壓需求，半潛式平臺(tái)上部組塊需要增加壓縮機(jī)組，導(dǎo)致上部組塊的操作重量將進(jìn)一步增加。為了更加經(jīng)濟(jì)地開展項(xiàng)目設(shè)計(jì)，需根據(jù)凝析油日進(jìn)艙量的變化，優(yōu)化后期的裝載需求，投產(chǎn)6年后，凝析油進(jìn)艙量將下降為1 164 m3/d，凝析油的實(shí)際裝載需求為17 634 m3。考慮到后期平臺(tái)上部模塊操作重量存在大幅提升的可能，為了保障平臺(tái)的作業(yè)穩(wěn)性，因此，在投產(chǎn)6年后，凝析油艙容將從投產(chǎn)初期的2×104m3調(diào)整為1.8×104m3。

2.2 凝析油艙布置方案

根據(jù)“深海一號(hào)”能源站總體布置及性能的需求，在平臺(tái)的每個(gè)立柱中設(shè)置人員通道、管線通道、壓載艙、凝析油艙、乙二醇儲(chǔ)存艙、污油水艙、錨鏈艙、機(jī)械處所和液壓間等設(shè)備艙室；借鑒FPSO雙殼的設(shè)計(jì)理念，為了避免動(dòng)力定位油輪外輸過程中與立柱發(fā)生碰撞，凝析油艙與船體外板采用空艙或者壓載艙進(jìn)行隔離，提高凝析油儲(chǔ)存的安全性(圖2),隔離艙尺寸為1.8 m，以提高檢修人員進(jìn)出便利性[6]。

圖2 “深海一號(hào)”能源站艙室布置Fig.2 Tank arrangement of “Deep Sea No.1” energy station

3 立柱儲(chǔ)油對(duì)平臺(tái)在位性能影響的評(píng)估

3.1 穩(wěn)性評(píng)估

立柱儲(chǔ)油艙中儲(chǔ)油量隨著生產(chǎn)過程變化，各工況下平臺(tái)吃水為35～40 m，其中臺(tái)風(fēng)工況下吃水37 m，平臺(tái)排水量為10.5×104t。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)采用計(jì)算許用重心高度的方法來校核穩(wěn)性，即計(jì)算各吃水條件下平臺(tái)的許用重心高度。許用重心高度的求解綜合考慮了穩(wěn)性高、恢復(fù)力臂與風(fēng)傾力臂圍成的面積比及大傾角穩(wěn)性等衡準(zhǔn)，并將各工況下全船重心高度與許用重心高度比較，當(dāng)其小于許用重心高度時(shí)，即認(rèn)為穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

計(jì)算得到“深海一號(hào)”能源站各工況下的許用重心高度值(表1)，以及其吃水與凝析油裝載的包絡(luò)線(圖3)。可以看出，作業(yè)工況和自存工況下的最大許用重心高度在30.42～32.03 m，平臺(tái)吃水在35～40 m變化時(shí)，穩(wěn)性的控制準(zhǔn)則并不是穩(wěn)性高(GM值)[7]。

表1 “深海一號(hào)”能源站主要工況許用重心高度Table 1 Allowable VCG in main loading conditions of “Deep Sea No.1” energy station

圖3 “深海一號(hào)”能源站裝載包絡(luò)線Fig.3 Loading envelope of “Deep Sea No.1” energy station

對(duì)檢修、壓載、拖航等60余種工況進(jìn)行了裝載及穩(wěn)性計(jì)算?？梢钥闯觯饕b載工況重心均小于許用重心高度，風(fēng)暴工況下GM值在4.60～8.54 m，穩(wěn)性滿足要求;含預(yù)留風(fēng)暴工況最大裝載情況下，重心高余量?jī)H為0.77 m，對(duì)應(yīng)立柱與浮箱連接節(jié)點(diǎn)處最外側(cè)壓載艙(NE1/NW1/SW1/SE1)破艙工況，此時(shí)需要的最小GM值為3.83 m(表 2)?？赏ㄟ^細(xì)化該壓載艙分艙來達(dá)到增加允許重心高的目的，而是否需要細(xì)分應(yīng)結(jié)合運(yùn)動(dòng)性能來評(píng)估。

表2 “深海一號(hào)”能源站主要工況的穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果(生存工況)Table 2 Stability results of main conditons for “Deep Sea No.1” energy station(existence condition) m

3.2 在位運(yùn)動(dòng)性能評(píng)估

對(duì)平臺(tái)各工況進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)性能計(jì)算。取極端工況為100年一遇,生存工況為1 000年一遇，按照37 m吃水滿載裝載進(jìn)行計(jì)算；作業(yè)工況取1年一遇海況，按照35、40 m吃水滿載裝載進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到生存工況下，不同裝載工況下平臺(tái)重心高度(表3)?？梢钥闯觯S著凝析油的增加，平臺(tái)重心高度從26.42 m增加到了30.70 m。

表3 “深海一號(hào)”能源站不同裝載量下的重心高度(生存工況)Table 3 VCG with different oil loading of “Deep Sea No.1”energy station(living conditions)

隨著重心高度變化，平臺(tái)的橫搖和縱搖的固有周期發(fā)生變化。重心越高，GM值越小，橫搖、縱搖固有周期越大。37 m吃水滿載工況下，平臺(tái)垂蕩固有周期為22.5 s，縱搖固有周期達(dá)到43.8 s。由于縱搖固有周期接近垂蕩周期的2倍，37 m吃水滿載時(shí)(GM值小)二階縱搖比較顯著。針對(duì)不同GM值，采用時(shí)域分析方法進(jìn)行了敏感性分析，可以看出，GM值對(duì)垂蕩的影響并不大，但隨著GM值降低，傾角增加較為明顯(表4)。

表4 “深海一號(hào)”能源站不同GM值的運(yùn)動(dòng)敏感性分析結(jié)果Table 4 Motion sensitivity analysis results for different GM values of “Deep Sea No.1” energy station

根據(jù)不同GM值，0°浪向角的縱搖時(shí)域歷程的頻率譜圖(圖4)，可以看出，當(dāng)縱搖固有周期接近垂蕩周期2倍時(shí)，低頻和波頻響應(yīng)都較GM大時(shí)的工況更大，表明對(duì)帶儲(chǔ)油功能的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)來說，GM值不僅是判斷穩(wěn)性的準(zhǔn)則之一，也將影響其運(yùn)動(dòng)性能。從尺度規(guī)劃和控制運(yùn)動(dòng)角度，GM值應(yīng)適當(dāng)增加，而不僅僅是規(guī)范要求的0.15 m，以確?？v搖周期盡可能遠(yuǎn)離2倍垂蕩周期。在臺(tái)風(fēng)來前，平臺(tái)宜開展卸油作業(yè)，清空油艙，以降低臺(tái)風(fēng)期的運(yùn)動(dòng)幅值，確保立管安全[8]。

圖4 “深海一號(hào)”能源站縱搖響應(yīng)譜(浪向角0°)Fig.4 Pitch response spectrum of “Deep Sea No.1”energy station(wave direction 0°)

100年一遇海況下，平臺(tái)最大垂蕩幅值4.9 m，最大橫搖/縱搖幅值9.2°(考慮周期敏感性分析后，最大橫搖/縱搖幅值增加到9.9°)；1年一遇海況下，平臺(tái)最大垂蕩幅值1.6 m，最大橫搖/縱搖幅值2.8°(表5)。 由于“深海一號(hào)”能源站尺度規(guī)劃考慮嚴(yán)格，避開了馬修不穩(wěn)定問題[9]，滿載工況下，平臺(tái)橫搖/縱搖固有周期避開了垂蕩固有周期的2倍(45 s)，因此該平臺(tái)呈現(xiàn)了較好的運(yùn)動(dòng)特性[10]。

表5 不同工況下“深海一號(hào)”能源站運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果Table 5 Analysis results of motion response of “Deep Sea No.1” energy station under different conditions

由于半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性，需要開展模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值分析模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行校正，以確保數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。將100年一遇工況下，平臺(tái)數(shù)值模型和水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目v蕩響應(yīng)結(jié)果(圖5a、b)進(jìn)行了對(duì)比，二者分析數(shù)據(jù)吻合較好，充分說明上述分析結(jié)果是可靠的。

圖5 100年一遇海況下“深海一號(hào)”能源站縱蕩運(yùn)動(dòng)結(jié)果(浪向角180°)Fig.5 Surge motions results of “Deep Sea No.1” energy station under 100 years return period sea condition(wave derection 180°)

4 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及碰撞分析

4.1 立柱結(jié)構(gòu)方案比選

基于平臺(tái)總體方案優(yōu)化，最終確定立柱截面主尺度為21 m×21 m。對(duì)立柱的截面布置提出了2種方案：“十字形”和“回字形”分艙(圖6)?；诔叨纫?guī)劃，得到不同立柱截面布置方案下船體主結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸，并估計(jì)了船體結(jié)構(gòu)的用鋼量。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，立柱采用帶儲(chǔ)油功能的“十字形”分艙方案(船體用鋼量24 020 t)相比“回字形”分艙方案(船體用鋼量26 881 t)，船體用鋼量節(jié)省了11%，且由于“十字形”分艙四周為隔離空艙，更利于操作和維修。因此，平臺(tái)立柱選擇帶儲(chǔ)油功能的“十字形”分艙方案。

圖6 “深海一號(hào)”能源站立柱分艙方案Fig.6 Column tank arrangement of “Deep Sea No.1” energy station

4.2 凝析油隔離艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)半潛式生產(chǎn)平臺(tái)立柱也有采用“十字形”截面布置的工程案例，但采用的是單殼體立柱，僅在外部殼體設(shè)置強(qiáng)水平梁作為主結(jié)構(gòu)支撐，無內(nèi)部殼體。而對(duì)于需要在立柱內(nèi)部設(shè)置凝析油艙的新型立柱結(jié)構(gòu)，需要在凝析油艙周圍設(shè)置隔離艙，提供隔離保護(hù)。因此，在“深海一號(hào)”能源站中采用了雙殼體立柱結(jié)構(gòu)型式，由外部殼體和內(nèi)部殼體構(gòu)筑凝析油隔離艙[11]。如果按照常規(guī)設(shè)計(jì)，在內(nèi)外雙殼體上分別設(shè)置強(qiáng)水平梁，不僅空間布置緊張，還會(huì)增大強(qiáng)水平梁的設(shè)計(jì)難度。因此，采用了水平板直接連接在外部殼體和內(nèi)部殼體上的新型設(shè)計(jì)(圖7)。對(duì)外部殼體而言，水平板作為強(qiáng)水平梁的腹板，內(nèi)部殼體作為面板；對(duì)內(nèi)部殼體而言，同樣以水平板作為強(qiáng)水平梁的腹板，外部殼體作為面板。既解決了布置空間緊張的問題，也節(jié)省了面板鋼材，降低了整體鋼材量。

圖7 “深海一號(hào)”能源站新型立柱框架結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure frame of new-type column of “Deep Sea No.1” energy station

4.3 凝析油艙壁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)半潛式生產(chǎn)平臺(tái)立柱尺度較大時(shí)，常采用強(qiáng)橫梁作為支撐。對(duì)于立柱儲(chǔ)油設(shè)計(jì)的凝析油艙，因其跨距較大，也需進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。立柱內(nèi)部殼體的“十字形”支撐考慮了2種設(shè)計(jì)方案：傳統(tǒng)的強(qiáng)橫梁支撐和開孔艙壁支撐(圖8)。經(jīng)有限元分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)后者的應(yīng)力集中水平更低，疲勞壽命更長(zhǎng)(表6)。表明立柱內(nèi)部殼體采用開孔艙壁支撐設(shè)計(jì)能更好地保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，降低局部應(yīng)力集中，提高立柱結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

圖8 “深海一號(hào)”能源站立柱內(nèi)部殼體開孔艙壁支撐結(jié)構(gòu)Fig.8 Supporting structure of bulkhead with holes in inner shell of column in “Deep Sea No.1” energy station

表6 “深海一號(hào)”能源站立柱內(nèi)部殼體不同支撐類型有限元分析結(jié)果Table 6 Structure finite element results of different support types of inner shell of column in “Deep Sea No.1” energy station

4.4 凝析油艙碰撞分析

為了保證凝析油艙具有足夠的安全性，針對(duì)穿梭油輪與平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的情況進(jìn)行了非線性有限元分析，通過顯式動(dòng)態(tài)分析，按最大等效塑性應(yīng)變0.15考慮單元破壞條件。對(duì)平臺(tái)立柱的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，分別考慮穿梭油輪碰撞點(diǎn)在支撐艙壁之間和在中間艙壁處2種情況(圖9)?；诹⒅Y(jié)構(gòu)的外部殼體發(fā)生破壞和內(nèi)部殼體發(fā)生破壞2種情況，計(jì)算極端條件下的碰撞能量，反推能夠抵御的穿梭油輪的最大等效速度。

圖9 穿梭油輪與“深海一號(hào)”能源站立柱結(jié)構(gòu)碰撞分析模型Fig.9 Collision analysis model of shuttle tanker and column of “Deep Sea No.1” energy station

計(jì)算中穿梭油輪模型按剛性考慮，油輪本身變形的能量損失按30%考慮。經(jīng)計(jì)算分析，得到不同碰撞點(diǎn)下立柱結(jié)構(gòu)所能抵御的碰撞能量(表7)。

表7 “深海一號(hào)”能源站立柱結(jié)構(gòu)能夠抵抗的碰撞能量Table 7 Collision energy which the column of “Deep Sea No.1” energy station can resist

根據(jù)非線性有限元分析結(jié)果，可得到穿梭油輪裝載狀態(tài)下的最大等效速度，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)分析，得到穿梭油輪的加速度、速度、距離的曲線(圖10)。

圖10 DP穿梭油輪運(yùn)動(dòng)曲線Fig.10 Motion curves of DP oil tanker

根據(jù)最大等效速度反推，可得到油輪距離平臺(tái)的最大安全距離約110 m。由此可確定外輸作業(yè)時(shí)，穿梭油輪與平臺(tái)的作業(yè)間距保持在110 m可保證平臺(tái)具有較高的安全性。立柱結(jié)構(gòu)本身能夠抵御較低航速下穿梭油輪的碰撞能量。以上分析計(jì)算出于保守考慮，均未考慮立柱外殼體表面其他緩沖裝置。實(shí)際設(shè)計(jì)中，外部殼體會(huì)布置橡膠護(hù)舷、防撞框架等緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高立柱所能抵御的碰撞能量。

5 凝析油儲(chǔ)卸安全控制措施

“深海一號(hào)”能源站設(shè)有4個(gè)凝析油艙，分別位于4個(gè)立柱中，凝析油進(jìn)艙儲(chǔ)存和外輸共設(shè)3套管匯：進(jìn)艙管匯、外輸管匯和倒艙管匯(圖11)。為了提高裝卸油流程的靈活性和艙室的安全性，進(jìn)艙管匯和外輸管匯至各凝析油艙的連接管線上均設(shè)有渦輪流量計(jì)，同時(shí)分別設(shè)支路跨接至倒艙管匯。正常生產(chǎn)時(shí)，來自上部組塊的穩(wěn)定凝析油經(jīng)進(jìn)艙管匯分配后進(jìn)入艙室；外輸工況下，各艙室內(nèi)的凝析油經(jīng)外輸泵增壓后，通過外輸管匯輸至外輸計(jì)量撬和外輸滾筒。

圖11 陵水17-2氣田凝析油進(jìn)艙儲(chǔ)存和外輸流程Fig.11 Oil storage and offloading process of LS17-2 gas field

凝析油生產(chǎn)和儲(chǔ)卸操作中采取的安全控制措施包括：

1) 源頭控制。目前針對(duì)海上儲(chǔ)存凝析油的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)并沒有明文規(guī)定，為了盡可能降低凝析油的揮發(fā)損耗，同時(shí)降低火災(zāi)爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，等同采用原油的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上確保凝析油自身的安全性。

2) 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。凝析油艙室內(nèi)設(shè)有壓力、溫度、液位等監(jiān)測(cè)設(shè)施，必要時(shí)觸發(fā)生產(chǎn)關(guān)停，同時(shí)上部組塊流程中設(shè)有溫度監(jiān)測(cè)(設(shè)定點(diǎn)35 ℃，報(bào)警值40 ℃)，將下艙凝析油溫度控制在合理區(qū)間內(nèi)，避免高溫下艙造成大量出氣現(xiàn)象。

3) 惰氣隔絕。為凝析油艙設(shè)有惰氣吹掃/驅(qū)氣總管、惰氣供氣/放空總管，在外輸工況下，足量的惰氣通過供氣總管進(jìn)入凝析油艙，避免出現(xiàn)真空及外部空氣進(jìn)入；在日常生產(chǎn)中，隨著凝析油的不斷進(jìn)入，艙室內(nèi)惰氣通過放空總管排出。

4) 超壓保護(hù)。在惰氣放空總管上設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)2套放空閥，一旦上部組塊流程出現(xiàn)氣竄工況，放空閥將快速打開，以保證艙室內(nèi)壓力低于設(shè)計(jì)值。

5) 應(yīng)急操作。當(dāng)出現(xiàn)異常工況時(shí)，通過閥門切換，可實(shí)現(xiàn)凝析油倒艙流程，同時(shí)完成進(jìn)出艙油量的實(shí)時(shí)、累積計(jì)量，用于壓排載的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，若某個(gè)艙室無法正常外輸，將采取對(duì)角艙室外輸策略，降低調(diào)載難度。

同時(shí)，針對(duì)深水半潛式平臺(tái)船體儲(chǔ)油可能存在的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，從設(shè)計(jì)完整性角度對(duì)儲(chǔ)油安全進(jìn)行了系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)分析和安全措施研究，包括危險(xiǎn)源識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)和可操作性分析、外輸火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析。導(dǎo)致船體凝析油艙泄漏的主要原因包括落物、腐蝕、疲勞、超壓/負(fù)壓、溢流和船舶碰撞等因素，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求設(shè)置了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防與控制措施(表8)，將船體儲(chǔ)油風(fēng)險(xiǎn)控制在合理可行范圍內(nèi)。

表8 “深海一號(hào)”能源站船體凝析油艙泄漏風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別Table 8 Risk and corresponding procedure for oil spill of “Deep Sea No.1” energy station

6 結(jié)論及建議

1) 詳細(xì)論證了陵水17-2氣田半潛式生產(chǎn)平臺(tái)立柱儲(chǔ)油技術(shù)。根據(jù)中國(guó)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有動(dòng)力定位油輪資源相對(duì)缺乏等問題，采用動(dòng)力定位外輸技術(shù)，結(jié)合油輪噸位規(guī)劃，估算了平臺(tái)凝析油儲(chǔ)存艙容，并通過采用保溫瓶?jī)?nèi)膽式儲(chǔ)油艙設(shè)計(jì)技術(shù)，使凝析油與外界隔離，解決了半潛式平臺(tái)立柱儲(chǔ)油功能設(shè)計(jì)、凝析油安全隔離以及油艙檢修維護(hù)等難題。

2) 通過合理的艙室布置及低頻運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)技術(shù)，科學(xué)評(píng)估了重心急劇變化對(duì)平臺(tái)在位的不利影響，解決了立柱儲(chǔ)油技術(shù)中最復(fù)雜的總體性能難題。通過“十字形”分艙、開孔艙壁支撐等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少了平臺(tái)的用鋼量，提高了立柱結(jié)構(gòu)的疲勞壽命且形成雙層保護(hù)艙壁，使平臺(tái)具備了應(yīng)對(duì)海上潛在事故的能力。通過工藝流程優(yōu)化和安全保障措施制定，為儲(chǔ)油建立了一道安全屏障。

3) 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)頻繁裝卸凝析油作業(yè)，建議作業(yè)時(shí)嚴(yán)格監(jiān)控平臺(tái)吃水，外輸時(shí)盡可能保持1個(gè)或2個(gè)對(duì)角同時(shí)外輸，以便于平臺(tái)維持平浮狀態(tài)；同時(shí)，還要保證每個(gè)立柱及其附近的艙室作為一個(gè)獨(dú)立區(qū)域來實(shí)現(xiàn)壓排載，作業(yè)過程中避免管線聯(lián)通1個(gè)以上的艙室，降低自由液面的潛在不利影響，保證作業(yè)安全性。

4) 本研究通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證保障了平臺(tái)的作業(yè)安全性，但仍存在波浪對(duì)浮體的激勵(lì)和阻尼作用機(jī)理不夠清晰的難題，后續(xù)需要加大理論研究，重點(diǎn)解決波流耦合、激勵(lì)阻尼相互作用機(jī)理等難題，為類似平臺(tái)的進(jìn)一步研究及優(yōu)化提供參考。