大型FPSO浮托裝船總體設(shè)計(jì)研究

趙強(qiáng)

摘 要：大型FPSO干拖運(yùn)輸相對(duì)于濕拖運(yùn)輸，具有拖航速度快，航行穩(wěn)定的特點(diǎn)，且能保護(hù)FPSO船體免受波浪拍擊。浮托裝船是大型FPSO干拖運(yùn)輸過程中的關(guān)鍵一步，對(duì)其總體設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析，對(duì)大型FPSO浮托裝船工程設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大型FPSO 浮托裝船 總體設(shè)計(jì) 半潛船

1.引言

FPSO（Floating Production Storage and Offloading）即浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪，一般不具備航行動(dòng)力，需依靠運(yùn)輸船或拖輪拖至指定海域，運(yùn)輸船一般為半潛船。

大型FPSO浮托裝船用于大型FPSO 干拖運(yùn)輸，即將FPSO像貨物一樣裝載到一艘運(yùn)輸船上，使其在運(yùn)輸過程完全脫離水面。相比于常規(guī)的濕拖運(yùn)輸，干拖運(yùn)輸具有拖航速度快，航行安全穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且能保護(hù)FPSO船體免受波浪拍擊。但由于FPSO體型巨大，對(duì)實(shí)施干拖運(yùn)輸?shù)陌霛摯筝^高，故干拖運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用要明顯高于濕拖運(yùn)輸。

在大型FPSO干拖運(yùn)輸過程中，F(xiàn)PSO的浮托裝船是非常關(guān)鍵的一步，同時(shí)也是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)，圖1為巴西FPSO P67浮裝到半潛船“先鋒號(hào)”上的作業(yè)現(xiàn)場。

大型FPSO浮托裝船總體設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面工作：

（1）半潛船選型

（2）海域與環(huán)境條件評(píng)估

（3）FPSO浮托裝船方案設(shè)計(jì)

（4）數(shù)值模擬與計(jì)算分析

（5）附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.半潛船選型

半潛船選型主要考慮兩點(diǎn)，一是半潛船的性能，能否滿足FPSO干拖運(yùn)輸要求，二是半潛船的船期能否滿足項(xiàng)目的施工窗口。

FPSO在集成上部模塊后，船體排水量會(huì)遠(yuǎn)大于空船重量，選擇半潛船時(shí)要先充分評(píng)估FPSO的干拖重量，并且要考慮一定的富余量，用于增加壓載水和其他附屬設(shè)施。

半潛船的尺寸要滿足FPSO裝船要求。一是FPSO濕拖至半潛船上方的路徑上無障礙物，且FPSO與半潛船浮箱或其他結(jié)構(gòu)要留有一定間隙。二是FPSO的船底要盡量全部落在半潛船的主甲板上，半潛船主甲板上還要有一定空間對(duì)FPSO進(jìn)行裝船固定，F(xiàn)PSO總長可略大于半潛船船長。三是半潛船的下潛深度要滿足裝船要求，半潛船下潛后主甲板要與FPSO船底留有足夠的間隙。

3.海域與環(huán)境條件評(píng)估

FPSO浮托裝船作業(yè)一般選擇在FPSO集成碼頭附近的開闊水域，水深要大于半潛船下潛后的最大吃水。

項(xiàng)目組可通過FPSO浮托裝船初步分析和以往經(jīng)驗(yàn)，確定浮托裝船作業(yè)對(duì)浪高、風(fēng)速、流速等海況的要求。一般來說，大型FPSO浮托裝船對(duì)海況要求很高，項(xiàng)目組需細(xì)化施工步驟，準(zhǔn)確評(píng)估作業(yè)時(shí)長，然后根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，擇機(jī)進(jìn)行浮托裝船作業(yè)。

4.FPSO浮托裝船方案設(shè)計(jì)

FPSO浮托裝船是一個(gè)精確就位的過程，其主要包含以下幾步：

（1）半潛船上布置枕木、導(dǎo)向裝置、防撞墊等必要結(jié)構(gòu)物或設(shè)施

（2）半潛船拋錨就位

（3）半潛船壓載下沉到指定吃水

（4）拖輪將FPSO拖到半潛船上方指定位置，

（5）半潛船排載上升到指定吃水，F(xiàn)PSO完全脫離水面

（6）FPSO裝船固定

FPSO浮托裝船初步方案確定后，要校核FPSO與半潛船的結(jié)構(gòu)干涉。一是在FPSO浮托裝船的進(jìn)船路徑上，半潛船上沒有障礙物，且FPSO左右舷與半潛船要留有一定的安全距離，二是FPSO船底下方一般會(huì)有扶手、海底門等結(jié)構(gòu)，半潛船上枕木布置一定要避開這些結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PSO船底下方超出枕木高度的突出物要提前拆掉。因而，對(duì)FPSO和半潛船的現(xiàn)場調(diào)查是非常必要的，確認(rèn)兩船現(xiàn)況是否與完工圖紙一致，后期是否因改造等原因而有新的突出結(jié)構(gòu)。

FPSO和半潛船的定位和運(yùn)動(dòng)控制是浮托裝船的關(guān)鍵。半潛船主要通過拋錨的方式控制其運(yùn)動(dòng)。FPSO一般會(huì)配一個(gè)主拖輪和若干個(gè)定位拖輪，同時(shí)半潛船上也會(huì)布置若干絞車，并通過鎖具連接到FPSO，幫助FPSO調(diào)整方向和最終定位。

這樣，F(xiàn)PSO浮托裝船相應(yīng)的圖紙是必不可少的，包括拖輪布置圖、鎖具及設(shè)備布置圖、浮托裝船步驟圖、枕木布置圖、裝船固定圖、系泊布置圖等。

5.數(shù)值模擬與計(jì)算分析

FPSO浮托裝船數(shù)值模擬需要先建立半潛船與FPSO水動(dòng)力模型和結(jié)構(gòu)模型，然后根據(jù)不同的設(shè)計(jì)工況，輸入相應(yīng)環(huán)境參數(shù)，調(diào)整分析模型，分析項(xiàng)目主要包括：

其一，調(diào)載分析，半潛船下潛和上浮的每一步都要進(jìn)行調(diào)載分析，確定每個(gè)艙壓載水的增減量，半潛船調(diào)載泵的能力同樣需要校核，因?yàn)檎{(diào)載速度直接關(guān)乎整個(gè)浮托作業(yè)能否在規(guī)定的天氣窗口按時(shí)完成。

其二，穩(wěn)性分析，半潛船和FPSO在浮托裝船期間均需進(jìn)行完整穩(wěn)性分析和破艙穩(wěn)性分析，半潛船調(diào)載的每一步都需要穩(wěn)性分析。

其三，運(yùn)動(dòng)分析，半潛船和FPSO在浮托裝船期間，受風(fēng)浪流的影響，會(huì)產(chǎn)生六個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)，其中船體橫搖對(duì)浮托作業(yè)影響最大。通過船體運(yùn)動(dòng)分析，可以得到船體的運(yùn)動(dòng)加速度，從而校核兩船之間的導(dǎo)向裝置和防撞墊是否能抵御兩船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

其四，船體強(qiáng)度分析，船體強(qiáng)度校核分總縱強(qiáng)度校核和局部強(qiáng)度校核。FPSO浮托裝船期間，要校核半潛船每一步調(diào)載過程的總縱強(qiáng)度，F(xiàn)PSO船體與導(dǎo)向裝置接觸位置的局部強(qiáng)度， FPSO船體受拖輪側(cè)推位置的局部強(qiáng)度，F(xiàn)PSO船底與枕木接觸位置的局部強(qiáng)度。FPSO浮裝后，要校核半潛船和FPSO的總縱強(qiáng)度， FPSO船體裝船固定位置的局部強(qiáng)度。

其五，系泊分析，根據(jù)系泊系統(tǒng)布置圖，建立系泊系統(tǒng)模型，校核系泊纜繩張力、錨機(jī)作業(yè)能力、拖輪系柱拉力。

6.附屬構(gòu)件設(shè)計(jì)

FPSO浮托裝船需要用到一些附屬構(gòu)件，本文主要介紹下面三種構(gòu)件，導(dǎo)向裝置、定位裝置和裝船固定結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)向裝置一般提前布置在半潛船上，F(xiàn)PSO浮裝作業(yè)時(shí)，可沿著導(dǎo)向裝置拖拉到半潛船上方。大型FPSO浮托裝船的導(dǎo)向裝置一般是數(shù)個(gè)均勻布置在半潛船左舷或右舷，F(xiàn)PSO一側(cè)通過拖輪的推力使FPSO另一側(cè)頂?shù)綄?dǎo)向裝置上。

定位裝置一般布置在半潛船的浮箱上，事先在FPSO船體指定位置通過刷漆的方法，做上標(biāo)記，半潛船浮箱的定位儀器可以根據(jù)標(biāo)記監(jiān)測FPSO是否拖至最終位置。

裝船固定結(jié)構(gòu)主要目的是避免FPSO與半潛船直接產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，主要分接觸型和焊接型兩種，接觸型主要限制一個(gè)方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，焊接型可限制多個(gè)方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。若FPSO兩端探出半潛船，則只能在FPSO兩側(cè)焊接裝船固定結(jié)構(gòu)來限制FPSO縱向運(yùn)動(dòng)。

7.結(jié)束語

本文所述的由半潛船選型、海域與環(huán)境條件評(píng)估、FPSO浮托裝船方案設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬與計(jì)算分析、附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組成的FPSO浮托裝船的設(shè)計(jì)方法已在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展和海洋的進(jìn)一步開發(fā)，浮托裝船的方法會(huì)不斷完善和提高，并廣泛應(yīng)用到各類浮式海上結(jié)構(gòu)。

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