船齡對舊油輪改造FPSO工程影響研究

朱進全，董海杰，余 捷，謝小波，王 丹

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300452)

0 引 言

浮式生產儲卸油裝置（FPSO）在全球主要海洋石油作業海域均有布置，主要海域有東南亞、西非、巴西、澳大利亞以及英國北海等[1-2]。據Offshore Magazine統計，截至2017年12月，全球在役FPSO為178艘，其中舊油輪改造FPSO或FSO為126艘，占比為70.8%，因而全球FPSO以舊油輪改造為主[3]。采用舊油輪改造FPSO或FSO主要集中在巴西、東南亞、非洲，其中東南亞油輪改造FSO有30艘，巴西油輪改造FPSO數量最多，達44艘，上述地區共同點是FPSO服役海域的環境條件相對溫和。

國外有大量的舊油輪改造FPSO的市場需求，但我國缺少主導油輪改造FPSO相關設計經驗。在油輪改造FPSO或FSO工程中，選取合適的船殼排在首位，選取船殼常要評估二手油輪船殼狀態，而船齡是評估船殼狀態的最直觀和最重要依據。關于船齡方面的研究，秦琦等[4]總結了世界商船隊的船齡結構分布，陳晶等[5]開展了船齡與船舶缺陷統計分析，得到甲板腐蝕、艙壁腐蝕、輔機故障等船舶缺陷數目較多。國內學者還沒有涉及不同船齡船舶之間比較分析，而船齡是影響選船的最重要因素之一，因此有必要研究船齡對舊油輪改造FPSO工程影響。

1 不同船齡的油輪數量和船價分析

根據克拉克松統計[4]，截至2017年9月，全球油輪的平均船齡為10.2年。其中，船齡為5-9年油輪數量占比和載重噸占比最高，分別為32.37%和33.89%；其次是船齡為10-14年油輪，數量占比和載重噸占比分別為27.90%和24.77%。隨著不同船齡區間變化，油輪的數量占比和載重噸占比具有正相關性，如表1所示。

表1 全球原油運輸油輪船齡分布Tab.1 Age distribution of global crude oil tankers

圖1闡述了在1991-2022年期間全球VLCC型、蘇伊士型、阿芙拉型和巴拿馬型等4支船隊每年建造總噸位變化情況，如圖1所示。可知，從1999年至今，4支船隊大部分年份建造的船舶總噸位維持在一個較高水平，即船齡小于20年船舶數量比較大，尤其是船齡為10年（即2008年）左右油輪數量達到峰值，從而為選取舊油輪提供充足的備選船只。

二手船交易時船體基本性能及其主要設備狀況決定了船舶改造后的經濟性、可靠性和適用性，這是改造后船舶具有良好經濟效益的基礎。船齡大小直接關系到船體剩余壽命的長短，同時決定了該船舶再投入使用后的維護費、保險費、燃料費和正常營運時間等。

表2 二手船的船價隨船齡變化規律Tab.2 The variation of the ship price with the age of the second-hand ship

由表2可知，船價隨船齡變化規律是船齡越長，船價越低[6]。隨著船齡變大，船舶的維修保養費用逐年增加，當超過船舶的經濟使用壽命時，船舶將被報廢處理。在舊油輪改造FPSO工程項目中，首先考慮的是確保船體有足夠的剩余疲勞壽命，其次是船價因素。若油輪改造后FPSO服役期較長，由于船齡為10年左右二手船交易價格僅為50%的原船價格且船體剩余使用壽命較長，故推薦選擇船齡為10年左右油輪進行改裝FPSO，以使其具有高性價比。

圖1 全球4種船型油輪各年建造總噸數圖Fig.1 Total tonnage per year of construction of four types of tankers in the world

2 不同船齡油輪規范要求的差異性

2.1 不同船齡油輪基本信息比較

以舊油輪改裝FPSO為項目背景，以船齡為5年和15年的載重噸均為30萬噸級VLCC型油輪為研究對象，改造FPSO設計服役期為12年，對比分析船齡對油輪改造FPSO工程的相關影響。船齡5年和15年VLCC的基本信息，如表3所示。

表3 船齡5年和15年VLCC基本信息Tab.3 The basic information of VLCC for 5 and 15 years of age

由表3可知，15年船齡的油輪市場交易價格僅為5年船齡的油輪的一半，2艘船的船殼均為雙殼。5年船齡的VLCC滿足船舶結構共同規范（CSR）要求，船齡15年的VLCC不滿足CSR規范。5年船齡的油輪按照北大西洋海況航行條件，依據CSR規范設計建造，最小設計壽命達25年；而15年船齡的油輪按照全球海域航行條件，最小設計壽命為20年。2艘船的油艙都有涂層，但15年船齡的VLCC不滿足壓載艙的涂層新標準。

2.2 船舶結構共同規范的影響

2006年4月，船舶結構共同規范（CSR）開始生效，所有國際船級社協會（IACS）成員都必須遵守CSR規范。對比之前各國船級社規范，CSR規范在船舶技術方面有更高的質量要求。

由圖2可知，CSR規范對艙室各部分增加了鋼材腐蝕余量，如“甲板 4.0”表示相比舊規范要求，甲板厚度增加4 mm腐蝕余量[7,8]。一般根據CSR規范設計建造的船舶相比舊規范設計增加約4%的鋼材總重量。此外CSR規范還有附加的腐蝕要求、涂層規格要求等。

對比各國船級社的結構規范要求，CSR規范要求更高，因而依據CSR規范建造的船舶結構強度具有更高的可靠性。雖然船齡15年的油輪（建造時間在2002～2003年）并不滿足CSR規范，但不代表船齡15年的油輪一定不適合用于FPSO的改造。若船齡15年的油輪服役航線海況比較溫和，運營維護的比較好，船體經少量修補后，整體的結構性能和剩余疲勞壽命也會滿足FPSO的設計壽命要求，而且相對船齡5年的油輪具有顯著的價格優勢。

圖2 CSR規范對艙室的要求示意圖Fig.2 Schematic diagram of CSR specification requirements for cargo compartments

2.3 不同船齡油輪涂層規格差別

2006年12月8日，關于防護涂層性能標準（PSPC）的SOLAS第II-1/3-2條修正案在海上安全委員會（MSC）第82屆會議上獲得通過。涂層應用應遵循以下新規定：1）涂層系統認證：符合性聲明和型式認證；2）涂層檢查：為確保符合標準，應由認證和合格的涂層檢查人員執行；3）驗證：審查涂層技術文件，檢查技術數據表和涂層系統認可，代表性艙室的涂層標識，涂層檢查員資格和報告。其中，涂層技術文件應包括涂層系統的規格，船廠和船東的涂層工作記錄，涂層選擇的詳細標準，作業規范，檢查，維護和修理等。

為確保15年有效涂層壽命，PSPC標準基于詳細的規范和要求，要求油輪開始服役后，其涂層系統均保持在“良好”狀態。但油輪涂層的實際壽命易受很多因素影響，常與涂層設計壽命存在差異。

船齡5年和15年的VLCC的貨艙頂部和底部是相同的涂層規格（見表3），但一般涂層設計壽命約15年，因此船齡15年的油輪貨艙的涂層可能接近失效。舊油輪改造FPSO時，要根據工程項目需求和相關標準，對涂層進行針對性的修復和更換。

3 船齡對油輪疲勞壽命影響

在油輪船體狀態評估階段，如果不能發現橫向結構過度點蝕，嚴重腐蝕，疲勞造成的裂縫等隱患，可能導致如下嚴重后果：FPSO儲油能力的降低，非計劃停產修理，結構破損，原油泄漏，進而有導致污染和爆炸的風險。工程經驗表明，疲勞損傷造成的腐蝕和缺陷是油輪船體結構強度的主要威脅，而船齡是產生疲勞損傷的主要因素之一，因此有必要研究船齡對油輪船體剩余疲勞壽命影響。

3.1 疲勞評估方法理論

各國船級社建立的疲勞評估軟件多數是基于S-N曲線和Miner線性累計損傷理論，用于評估船體結構的疲勞壽命，如BV船級社的MARS軟件。通常構件疲勞損壞程度用疲勞累積損傷度D來表示，其常用計算公式為[9-11]：

式中：D為構件疲勞累積損傷度；m和A為S-N曲線中由疲勞試驗得到的參數；fs(S)為設計應力范圍內分布的概率密度函數；S為設計應力范圍，N /mm2；NL為結構在其設計壽命內的應力循環總次數。

當結構發生破壞時，疲勞損傷度D達到臨界值1。根據BV NI 593規范，油輪在整個服役期的疲勞損傷度需滿足以下關系：

式中：SFtow為 拖航安全系數；SFsite為改造FPSO服役期安全系數；SFL/U為 貨物裝卸安全系數；Doil為油輪改造前運營期的疲勞損傷度；Dtow為拖航時期的疲勞損傷度；Dsite為改造FPSO服役期的疲勞損傷度；DL/U為貨物裝卸造成的疲勞損傷度；γR為包含不確定因素的部分安全系數，取值1.02。

一般在簡化疲勞計算分析中，拖航工況和貨物裝卸工況對船體造成的疲勞損傷影響可忽略不計，SFsite取值為2，則式（2）簡化后為：

根據油輪的服役時間Tpass調整后的疲勞損傷度Dpass計算公式為：

式中：Dpass為油輪某一階段服役期的疲勞損傷度；Tpass為油輪某一階段服役時間，即油輪改造之前運營期為Tpass-1，改造FPSO服役期為Tpass-2，年；L為結構的設計壽命（BV規范中L取值20），年。

由結構疲勞損傷度D可推導出結構疲勞壽命Tf公式為[12]：

式中：Tf為結構的疲勞壽命，年。

將式（4）和式（5）代入式（3），可得：

3.2 基于BV-MARS軟件疲勞壽命評估

本文中油輪改造后FPSO服役期Tpass-2為12年，由式（6）可得改造FPSO的構件所需最小疲勞壽命Tm為24.48年，取整為25年。由于改造FPSO服役海域的環境條件相比全球航行條件較好，因而本文依據DNV-RP-C205規范中全球航行海域波浪散布圖，取超越概率水平10-5進行波浪載荷統計計算。

采用BV船級社的MARS軟件，計算工況分為船體迎浪狀態：“a” -波峰或波谷，“b”-波峰與波谷中間；波浪方向：“c” -尾斜浪，“d”-橫浪。以上每種工況都分中拱與中垂。5年船齡和15年船齡油輪由于腐蝕的影響，板厚和縱骨尺寸相比建造完工時都有一定的腐蝕消耗，因而根據船舶的最新測厚評估報告，在MARS軟件中輸入油輪實際狀態的相應數據進行疲勞評估。評估表3中船齡為5年和15年VLCC型油輪的縱向連接構件的疲勞強度，并生成油輪相關構件的疲勞壽命。

VLCC型油輪有第1（左、中、右）、第2（左、中、右）……第5（左、中、右）等15個貨油艙，工程經驗表明，油輪的中間液貨艙，即第3（左、中、右）油艙的船體梁受到應力最大，疲勞損傷度D也最大。又由于船舶左右油艙具有對稱性，因此，本文選取油輪第3（右）油艙作為疲勞壽命分析對象，如圖3和圖4所示。

圖3 船齡5年油輪疲勞壽命分析Fig.3 Fatigue life analysis of the 5-year-old tanker

圖4 船齡15年油輪疲勞壽命分析Fig.4 Fatigue life analysis of the 15-year-old tanker

船齡5年的油輪是依據SCR規范設計，在北大西洋海況航行條件下設計壽命要至少達到25年。由于油輪全球航行，多數航線海況相對北大西洋海況要溫和，因而油輪實際使用壽命小于5年。為了滿足FPSO連續生產10年不塢修的需要，船齡5年油輪有必要根據FPSO的作業海域條件和系泊形式重新進行疲勞校核。

由圖3可知，對船齡5年的油輪第3（右）油艙進行二維疲勞壽命分析，顯示出橫艙壁上的各個縱向加強筋的疲勞壽命，其中有98%縱向加強筋的疲勞壽命大于40年，2%縱向加強筋的疲勞壽命中最小為31年，因而不需要對油輪進行結構加強，也滿足改造FPSO的構件所需最小25年疲勞壽命要求。

對于船齡15年的油輪，其按照全球海域航行的條件設計壽命為20年，其理論剩余最小使用壽命僅為5年。即使改造后的FPSO布置在相對溫和海域，一般也要對油輪的相關結構進行加強，才能滿足改造FPSO的構件所需最小25年疲勞壽命要求。

由圖4可知，對船齡15年的油輪第3（右）油艙進行二維疲勞壽命分析，顯示出了橫艙壁上的各個縱向加強筋的疲勞壽命。其中淺色箭頭表示指向的加強筋的疲勞壽命已接近耗盡，占比約17%，即使FPSO工作海域海況比較溫和，其加強筋的剩余疲勞壽命也無法滿足構件所需最小25年疲勞壽命要求，應對這些構件進行翻新和加強。深色箭頭是指油輪改造FPSO后布置海域海況相對惡劣時，需要對這些構件進行加強，占比約21%。因此，船齡15年的油輪第3（右）油艙共計約38%縱向加強筋需要根據FPSO工作海域海況條件進行相應加強或更換。

4 結 語

通過分析全球原油運輸油輪船齡分布、每年建造噸位情況和船價隨船齡變化規律，結合改造FPSO較長設計壽命需求，推薦選擇船齡為10年左右油輪進行改裝。

為了滿足改造FPSO在相對溫和海域服役12年要求，采用BV-MARS軟件對船齡5年和15年油輪中受疲勞損傷度最大的油艙進行疲勞壽命評估，結果表明：船齡5年油輪油艙不需要進行結構加強，可滿足設計需求；而船齡15年油輪油艙必須加強或更換結構才能滿足設計需求。此研究成果可為油輪改造工程人員選取合適的舊油輪提供參考。