“企鵝”號大型圓筒型FPSO出塢及靠泊作業分析

徐信江 孔祥偉

摘要：FPSO具有噸位大、形狀多樣和無動力等特征，其出塢和靠泊作業是行業難點?！捌簌Z”為圓筒型大型FPSO，具有各項同性，不具有航向穩定性，易出現渦激振動，產生周期性振蕩的橫向力等現象給操縱帶來巨大挑戰。本文從引航員實操視角給出 “企鵝”由中海油船塢出塢及靠泊全過程的作業方法及相關輔助手段，制定了一套完整的作業流程和體系，總結了作業過程中的成功經驗，分析了不足之處。

關鍵詞：圓筒型FPSO;風流載荷;操縱控制;拖船

0 引 言

隨著陸地油氣資源過度開發不斷枯竭，人類把油氣資源開發的目光瞄準海洋，深海蘊含著全球40%的油氣儲量。海上油氣加工廠（FPSO）是海洋油氣開發的有效途徑之一，FPSO是集生產、儲油、卸油為一體的海上浮式生產儲卸油裝置?！捌簌Z”號（見圖1）是國內自主設計與建造的最大的圓筒型FPSO，其儲油能力達400 000桶?！捌簌Z”的出塢、靠泊、傾斜試驗及后續浮裝工作均需多方協同制定嚴格的操作規程。本文以2021年2月10日FPSO“企鵝”（見圖2）自青島海西灣中海油海工碼頭出塢靠泊作業為典型實例?！捌簌Z”技術參數：最大直徑（不含碰墊）：87.5 m，船體直徑：70 m，出塢吃水（含底部鋅塊0.5 m ）7.7 m，排水量>30 000 t，船體周圍有防腐蝕的鋅塊，拖船只可拖不能頂。

“企鵝”是典型的圓筒型FPSO，且中間細，兩端粗，類似“啞鈴”，且上下不完全對稱，通過查閱資料和實操總結，圓筒型FPSO其操縱特點如下：

（1） 由于其圓筒型結構，在水面上及水面下均擁有對稱性，具有各項同性，不具有航向穩定性，對于風浪流的方向不敏感;

（2） 相同裝載情況下，水線面積更大，具有更強的抗傾覆能力，抗載荷能力強，同天氣條件下，海上作業狀態更加穩定;

（3）出塢時對塢門處流體具有阻塞效應，流速增加，出塢過程中出現易變阻力現象，受力不均勻情況下，更容易旋轉，而且由于其圓形結構，判斷偏轉及運動方向時難度更大;

（4） 相比船型結構，其運動更具有不確定性，受力時更易于偏蕩，且易伴隨旋轉，自我恢復能力差;

（5）大型圓柱航行中易出現渦激振動現象，產生周期性振蕩的橫向力，對切向力反應敏感，且拖船等輔助操作時由于其弧形表面影響，對施力方向判斷參考性較差，相比其他類型操作誤差加大。

由于圓筒型FPSO的自身特征對本次出塢靠泊作業帶來較大難度，國內目前在該類型FPSO出塢靠泊作業缺乏相關案例，青島引航員在考慮風流載荷與多艘拖船共同作用下順利完成了“企鵝”號出塢及靠泊作業。過程中所采用的操作思路、技巧及注意事項等本文所研究成果供同行參考。

1 作業環境及圓筒型穩性計算分析

1.1 船塢及操縱水域特點

中海油船塢，如圖3所示，長420 m，寬110 m，深13.9 m，走向為288.5°，兩側有防撞條，但對“企鵝”防護作用很小，且口門處有3個廢棄沉箱，難以清理，其大小為49×43 m，且完全裸露，無任何防護，為操作中較大的一個風險點。塢門外可用水域直徑150 m，趁潮可用水域最大250 m，流速較小，塢內浪涌影響可以忽略，受風影響較大，操作窗口期應主要考慮天氣因素。礙航浮筒均已移除，航道僅剩一個浮筒，與碼頭間距最近處約270 m，靠泊碼頭為中海油碼頭（圖3a右上角停船處），靠泊后距船塢方向碼頭角約80 m，對內側拖船操作有一定影響。

1.2 圓筒型 FPSO 的穩性分析

常規 FPSO 的外形類似于船形，或者直接由大型油輪改造加裝而成，而類似于“企鵝”的FPSO，其最大的特點是其主體為圓筒形狀，這種特殊的外形直接決定了該 FPSO 作業時穩性特點。在實際操作中，FPSO 本身具有的穩性是應該考慮和分析的因素之一，通常情況下，評價平臺穩性需要通過靜態穩性曲線來判斷（如圖 4所示，GM 初穩性高度;橫軸為橫傾角;縱軸為扶正力臂;B為靜穩性曲線）。

理論上講，初穩性高 GM 的計算公式為 ：

GM=KB+BM-KG? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中： KB 為浮心高度，BM 為初穩心半徑，KG為重心高度。

BM = I T / Δ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：IT 為水線面對中心軸的橫向慣性矩，Δ為水線以下的排水體積

假設標準圓筒浮體直徑為 D，圓形水線面的橫向慣性矩為

F圓 =（ πD4 ） /64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

由以上公式可知，圓筒型 FPSO 可以通過增大其水線面面積來提高穩性性能，而且近似規則的圓筒型 FPSO本身具有更大的初穩性高度 GM。在實際情況下，BG值基本確定，BR的值由排水體積的形狀而決定，當傾斜的角度在可控范圍內越大，BR 的值隨之變大，GZ 的值也隨之變大，則平臺穩性越好。通過計算及查閱資料可知，在相同的條件下，圓筒型 FPSO 要比船型 FPSO的穩性更優秀。

2 操縱模擬器試驗

2.1 作業前對企鵝的基本認識

（1）移動過程中最重要的是控制船體的旋轉;

（2）船體上層建筑的不均勻分布，風載荷不對稱，易造成其旋轉;

（3）在用拖船抑制旋轉的過程中，往往會發生船體橫移;

（4）由于船體運動慣性，克服旋轉和橫移需要較長的過程。

鑒于以上認識，在移動船體的過程中，應該允許其有一定的旋轉和橫移，但應嚴格控制其旋轉和橫移幅度。

2.2 模擬器實操

由于其船型的特殊性和障礙物（廢棄沉箱）的存在，為測試作業風險性和可控性，對該流程利用模擬器進行了模擬試驗，結果如下：

通過仿真模擬試驗，風力 4 級條件下，由于 FPSO“企鵝”受風面積大，船塢尺度有限，拖船放纜拖位狀態下在塢內操縱受限，船位控制困難，出塢風險較高;

塢內移動過程中，由于“企鵝”圓筒型結構，在拖船及纜繩作用下，在受力不均時，FPSO“企鵝”易產生明顯偏轉，可能導致其旋轉角速率過大（如圖 5 所示）， 需要不停地調整塢邊纜繩的受力和前后拖船拖力方向和大小，才能維持“企鵝” 的穩定姿態，及時的動態判斷和姿態調整是重點和難點。

為了保證拖帶出塢安全，拖帶需限制作業條件及保障措施。通過模擬器實操試驗得出結論如下：

（1）拖帶作業過程中應嚴格控制風力等級，風力不超過 3 級進行出塢作業， 當風力超過限制條件時應禁止作業;

（2）作業期間此季節內該工程水域多以 NW 風和 N 風為主，在吹開風的作用下，“企鵝”向南岸漂移明顯，為保障安全，北側需至少保留 3 根塢邊纜繩;

（3）在“企鵝”的南北兩側底部外緣（87.5 m最寬處）處加裝一定數量的防撞碰墊;

（4）舾裝碼頭邊纜機上纜繩長度至少 220 m（有效出纜長度約為150 m）。

3 圓筒型FPSO出塢與靠泊作業

3.1 出塢作業

經多次交涉和探討，圓筒型FPSO出塢前狀態如圖6所示。

北側留三根纜繩，分別通過絞盤C5、C6、C7控制，其用途有兩個：①出塢前固定船位;②出塢過程中作為“安全繩”，隨船體移動隨時調整，協助拖船共同控制“企鵝”，抑制偏轉及防止向南橫移過大而觸碰南岸壁或廢棄沉箱。1號和2號拖船帶“Y”型纜，提供縱向力，3號拖船輔助控制船體旋轉。

根據計算，13：00，潮高滿足通過塢門檻富余水深的要求，當時風力3級，風向東稍偏北，所有人員就位，開始出塢作業。C5、C6和C7纜繩緩慢放松，1號和2號拖船向南岸偏轉10°以最慢車拖帶（經查證1號和2號拖船最慢車拖力分別約為32 t和22 t），“企鵝”與北岸壁離開5～10 m距離后，拖船回正，1號拖船拖力保持略大于2號（兩拖船同時施力，可有效抑制偏轉），緩慢向塢門方向移動，3號拖船和北岸側纜繩共同作用控制其旋轉。移動初始階段，C5和C7纜繩起主控作用，當“企鵝”向外移動大約一個直徑距離時，C5纜繩過長，角度也接近平行碼頭，失去作用時將其解掉，由 C6接替C5，和C7共同來協助控制姿態（受碼頭設施限制，纜繩可受力約10～15 t，可控范圍內主要依靠拖船）。

出塢的整個過程中，移動速度不超過0.8 kn， 1號和2號拖船既調整拉力大小控制縱移速度，同時兼顧調整拖纜角度控制偏轉，當“企鵝”中心與碼頭角平齊時，將C6、C7纜繩全部解掉。13：30，到達如圖7位置，帶好4號拖船，至此出塢成功，進入下一步操作。

3.2 靠泊作業

（1）船塢離清后，換4號拖船主拖，1號、2號及3號拖船控制偏轉及偏蕩，將其拖帶到舾裝碼頭外檔150 m處，解掉2號拖船，在其位置處加裝隔離駁（如圖8），加裝過程中必須保持“企鵝”狀態穩定（無明顯橫移及偏轉），隔離駁共需8根纜繩固定，二者必須保持長時間相對靜止，隔離駁由另一拖船傍拖擺好位置，由隔離駁上工人固定纜繩，耗時約40 min。

（2）由3號和4號拖船調整拖力方向至偏向碼頭側30°左右， 1號拖船協助控制移動速度和抑制偏轉，緩慢靠向中海油碼頭，距碼頭60～80 m處，由小型帶纜船依次帶好內側四根纜繩，通過岸側四臺纜車控制絞纜，協助拖船將“企鵝”緩緩絞靠碼頭（見圖9）。

3.3 作業小結

前期準備充分，出塢及靠泊完成比較順利，但仍需認真總結，細節處仍有待改進，本次實操作業小結如下：

（1）由于設備原因，岸側的纜繩沒有充分發揮作用，纜繩承載不夠，收放纜速度需進一步提高;

（2）拖船力量足夠控制圓筒型FPSO “企鵝”所受風流載荷，1號、2號拖船大部分時間只需最慢車或慢車，調整拖力方向來控制圓筒型FPSO所受的剪切力是重點;

（3）操作中重點控制圓筒型FPSO的橫移和偏轉，作業中沒有出現過大的橫移和過快的偏轉;

（4）系解纜繩的小型船操作嫻熟，比預期順利，整個過程比預定操作時間縮短了1 h左右?？坎磿r風偏吹向碼頭，彌補了纜車功率的不足（拖船靠近碼頭時操作空間所限無法提供向碼頭方向的動力）。

3.4 操作技巧及注意事項

（1）提前預定準確天氣預報

得益于天氣預報提供的精準信息，本次作業選定在2月10日，天氣條件為能見度兩海里以上，風力3級，風向東略偏北，海面平靜，所需潮高時間段均為白天，為該季節難得的作業窗口期。

（2）現場查看

制定引航方案前，需組織相關人員多次查看現場，查看的重點為被引船或平臺的形狀、構造、纜樁設置、導纜孔位置、安全負荷、作業及周邊水域狀況等。船舶或平臺的設計者或工程人員，不一定了解引航員的操縱方法和意圖，有些設置或裝備就可能不能滿足引航作業要求，令其整改，并落實到人。

（3）引航員站位選擇

有些船舶特別是近些年出現較多的海上作業平臺，上層建筑或設備較多，站在某一個點上，不能夠看到船舶或平臺的全貌，對船舶或平臺運動態勢的判斷勢必會受到影響，這種情況下，可以選擇多個點，走動觀察，或者配備多名引航員，分開站位，將觀測信息提供給主引航員，供主引參考采取決策。

（4）選擇適當的作業時機

近年來，無動力平臺的外形趨于多樣化，多數無動力平臺都不裝備助航儀器，這樣就對引航員的觀察和判斷提出很高的要求，隨著船舶或平臺大型、異形化，引航操縱的難度和風險陡增，所以，要根據作業難度選擇作業時機，包括潮汐、風力、能見度情況等要限制在合理的范圍之內。

（5） 拖船的合理配置

無動力船舶或平臺任一運動要素的改變都需要靠外力來完成，所以拖船的合理搭配就特別重要，要有足夠功率的拖船，并且要安排在合理的位置上，以發揮其最大功效。安排拖船的原則為：拖船必須可以提供任何方向、足夠有效的力量。很多情況下如船體結構特殊或是裝載情況等，拖船只能拖不能頂，這樣不僅增加了拖船的操縱難度，拖船的作用效果也大打折扣，引航員還要分配精力來照顧拖船。此類作業應選用船況好、駕駛員操作水平高的拖船，以確保作業安全。

（6）相關方的合作

引航就是一個多方相互合作的過程，對無動力船舶或平臺而言，更是如此。作業前召開船前會十分必要，在前期準備和溝通的基礎上，各方面對面敲定具體事項，關鍵細節必須要落實到人。作業中，與拖船之間的溝通，語言要簡練準確清晰，對于異形船舶或平臺，需提前約定船首、船尾、左右舷及指令形式，以保證對指令理解的統一性;與碼頭各方的聯絡通過現場總指揮來完成，總指揮需一直不離主引航員左右，并要求其與各作業點聯絡時刻保持暢通;其他引航員與主引航員之間的溝通最好選擇另外一個頻道進行，以保證工作頻道的清爽，也防止被其他相關方誤聽造成不必要的麻煩。

（7）“企鵝”形狀的制約

“企鵝”并非是一個規則的圓筒型，兩頭粗，中間細，下部完全沒入水中，這對指揮員的判斷有很大影響，而且底部圓盤有三個大的缺口，前期在靠近岸壁可能發生碰撞的位置預先固定了大型輪胎防撞，以備不時之需，但后期的操作還是應慎之又慎。出塢過程中，盡量讓“企鵝”沿塢中心外移，避免不必要的碰撞和摩擦。后期靠泊時隔離駁接觸碼頭，有利解決了弧形外舷靠泊的問題，只需緩慢平貼即可，與規則形狀FPSO操作無異。

4 總 結

大型FPSO的操作一直是技術難度很高的一類作業，其受限因素非常多，如氣象水文、港口條件、拖船操作以及包括引航員在內的多團隊的協作等等，往往開弓沒有回頭箭，其重點是前期大量的研討溝通以及操作細節的確定。其中，時間窗口的選擇是重中之重，但是受季節、船期以及項目要求等制約，很多時候都是選擇比較合適的窗口期，而不是犧牲大量時間去等待完美的窗口期，所以研討階段，要覆蓋各種可能的條件，還要有充足的應急預案，不僅限于突發天氣海況和機械故障的發生。隨著這類FPSO的建造，我們會有越來越多的機會參與到類似的特種船操作中來，操作經驗也會越來越多，希望每一個操作者都能認真總結，分享出來，給后期參與此類操作的同仁以參考，同時，認真的總結也是對自己的一次難得的提高機會。

參考文獻

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[4] 夏國澤. 船舶流體力學[M].武漢：華中科技大學出版社，2003.

作者簡介：

徐信江，本科，一級引航員，（E-mail）xuxinjiang1981@163.com，15505321146

孔祥偉，本科，高級引航員，15505321142