船龄对旧油轮改造FPSO工程影响研究

朱进全，董海杰，余 捷，谢小波，王 丹

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300452)

0 引 言

浮式生产储卸油装置（FPSO）在全球主要海洋石油作业海域均有布置，主要海域有东南亚、西非、巴西、澳大利亚以及英国北海等[1-2]。据Offshore Magazine统计，截至2017年12月，全球在役FPSO为178艘，其中旧油轮改造FPSO或FSO为126艘，占比为70.8%，因而全球FPSO以旧油轮改造为主[3]。采用旧油轮改造FPSO或FSO主要集中在巴西、东南亚、非洲，其中东南亚油轮改造FSO有30艘，巴西油轮改造FPSO数量最多，达44艘，上述地区共同点是FPSO服役海域的环境条件相对温和。

国外有大量的旧油轮改造FPSO的市场需求，但我国缺少主导油轮改造FPSO相关设计经验。在油轮改造FPSO或FSO工程中，选取合适的船壳排在首位，选取船壳常要评估二手油轮船壳状态，而船龄是评估船壳状态的最直观和最重要依据。关于船龄方面的研究，秦琦等[4]总结了世界商船队的船龄结构分布，陈晶等[5]开展了船龄与船舶缺陷统计分析，得到甲板腐蚀、舱壁腐蚀、辅机故障等船舶缺陷数目较多。国内学者还没有涉及不同船龄船舶之间比较分析，而船龄是影响选船的最重要因素之一，因此有必要研究船龄对旧油轮改造FPSO工程影响。

1 不同船龄的油轮数量和船价分析

根据克拉克松统计[4]，截至2017年9月，全球油轮的平均船龄为10.2年。其中，船龄为5-9年油轮数量占比和载重吨占比最高，分别为32.37%和33.89%；其次是船龄为10-14年油轮，数量占比和载重吨占比分别为27.90%和24.77%。随着不同船龄区间变化，油轮的数量占比和载重吨占比具有正相关性，如表1所示。

表1 全球原油运输油轮船龄分布Tab.1 Age distribution of global crude oil tankers

图1阐述了在1991-2022年期间全球VLCC型、苏伊士型、阿芙拉型和巴拿马型等4支船队每年建造总吨位变化情况，如图1所示。可知，从1999年至今，4支船队大部分年份建造的船舶总吨位维持在一个较高水平，即船龄小于20年船舶数量比较大，尤其是船龄为10年（即2008年）左右油轮数量达到峰值，从而为选取旧油轮提供充足的备选船只。

二手船交易时船体基本性能及其主要设备状况决定了船舶改造后的经济性、可靠性和适用性，这是改造后船舶具有良好经济效益的基础。船龄大小直接关系到船体剩余寿命的长短，同时决定了该船舶再投入使用后的维护费、保险费、燃料费和正常营运时间等。

表2 二手船的船价随船龄变化规律Tab.2 The variation of the ship price with the age of the second-hand ship

由表2可知，船价随船龄变化规律是船龄越长，船价越低[6]。随着船龄变大，船舶的维修保养费用逐年增加，当超过船舶的经济使用寿命时，船舶将被报废处理。在旧油轮改造FPSO工程项目中，首先考虑的是确保船体有足够的剩余疲劳寿命，其次是船价因素。若油轮改造后FPSO服役期较长，由于船龄为10年左右二手船交易价格仅为50%的原船价格且船体剩余使用寿命较长，故推荐选择船龄为10年左右油轮进行改装FPSO，以使其具有高性价比。

图1 全球4种船型油轮各年建造总吨数图Fig.1 Total tonnage per year of construction of four types of tankers in the world

2 不同船龄油轮规范要求的差异性

2.1 不同船龄油轮基本信息比较

以旧油轮改装FPSO为项目背景，以船龄为5年和15年的载重吨均为30万吨级VLCC型油轮为研究对象，改造FPSO设计服役期为12年，对比分析船龄对油轮改造FPSO工程的相关影响。船龄5年和15年VLCC的基本信息，如表3所示。

表3 船龄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年船龄的油轮市场交易价格仅为5年船龄的油轮的一半，2艘船的船壳均为双壳。5年船龄的VLCC满足船舶结构共同规范（CSR）要求，船龄15年的VLCC不满足CSR规范。5年船龄的油轮按照北大西洋海况航行条件，依据CSR规范设计建造，最小设计寿命达25年；而15年船龄的油轮按照全球海域航行条件，最小设计寿命为20年。2艘船的油舱都有涂层，但15年船龄的VLCC不满足压载舱的涂层新标准。

2.2 船舶结构共同规范的影响

2006年4月，船舶结构共同规范（CSR）开始生效，所有国际船级社协会（IACS）成员都必须遵守CSR规范。对比之前各国船级社规范，CSR规范在船舶技术方面有更高的质量要求。

由图2可知，CSR规范对舱室各部分增加了钢材腐蚀余量，如“甲板 4.0”表示相比旧规范要求，甲板厚度增加4 mm腐蚀余量[7,8]。一般根据CSR规范设计建造的船舶相比旧规范设计增加约4%的钢材总重量。此外CSR规范还有附加的腐蚀要求、涂层规格要求等。

对比各国船级社的结构规范要求，CSR规范要求更高，因而依据CSR规范建造的船舶结构强度具有更高的可靠性。虽然船龄15年的油轮（建造时间在2002～2003年）并不满足CSR规范，但不代表船龄15年的油轮一定不适合用于FPSO的改造。若船龄15年的油轮服役航线海况比较温和，运营维护的比较好，船体经少量修补后，整体的结构性能和剩余疲劳寿命也会满足FPSO的设计寿命要求，而且相对船龄5年的油轮具有显著的价格优势。

图2 CSR规范对舱室的要求示意图Fig.2 Schematic diagram of CSR specification requirements for cargo compartments

2.3 不同船龄油轮涂层规格差别

2006年12月8日，关于防护涂层性能标准（PSPC）的SOLAS第II-1/3-2条修正案在海上安全委员会（MSC）第82届会议上获得通过。涂层应用应遵循以下新规定：1）涂层系统认证：符合性声明和型式认证；2）涂层检查：为确保符合标准，应由认证和合格的涂层检查人员执行；3）验证：审查涂层技术文件，检查技术数据表和涂层系统认可，代表性舱室的涂层标识，涂层检查员资格和报告。其中，涂层技术文件应包括涂层系统的规格，船厂和船东的涂层工作记录，涂层选择的详细标准，作业规范，检查，维护和修理等。

为确保15年有效涂层寿命，PSPC标准基于详细的规范和要求，要求油轮开始服役后，其涂层系统均保持在“良好”状态。但油轮涂层的实际寿命易受很多因素影响，常与涂层设计寿命存在差异。

船龄5年和15年的VLCC的货舱顶部和底部是相同的涂层规格（见表3），但一般涂层设计寿命约15年，因此船龄15年的油轮货舱的涂层可能接近失效。旧油轮改造FPSO时，要根据工程项目需求和相关标准，对涂层进行针对性的修复和更换。

3 船龄对油轮疲劳寿命影响

在油轮船体状态评估阶段，如果不能发现横向结构过度点蚀，严重腐蚀，疲劳造成的裂缝等隐患，可能导致如下严重后果：FPSO储油能力的降低，非计划停产修理，结构破损，原油泄漏，进而有导致污染和爆炸的风险。工程经验表明，疲劳损伤造成的腐蚀和缺陷是油轮船体结构强度的主要威胁，而船龄是产生疲劳损伤的主要因素之一，因此有必要研究船龄对油轮船体剩余疲劳寿命影响。

3.1 疲劳评估方法理论

各国船级社建立的疲劳评估软件多数是基于S-N曲线和Miner线性累计损伤理论，用于评估船体结构的疲劳寿命，如BV船级社的MARS软件。通常构件疲劳损坏程度用疲劳累积损伤度D来表示，其常用计算公式为[9-11]：

式中：D为构件疲劳累积损伤度；m和A为S-N曲线中由疲劳试验得到的参数；fs(S)为设计应力范围内分布的概率密度函数；S为设计应力范围，N /mm2；NL为结构在其设计寿命内的应力循环总次数。

当结构发生破坏时，疲劳损伤度D达到临界值1。根据BV NI 593规范，油轮在整个服役期的疲劳损伤度需满足以下关系：

式中：SFtow为 拖航安全系数；SFsite为改造FPSO服役期安全系数；SFL/U为 货物装卸安全系数；Doil为油轮改造前运营期的疲劳损伤度；Dtow为拖航时期的疲劳损伤度；Dsite为改造FPSO服役期的疲劳损伤度；DL/U为货物装卸造成的疲劳损伤度；γR为包含不确定因素的部分安全系数，取值1.02。

一般在简化疲劳计算分析中，拖航工况和货物装卸工况对船体造成的疲劳损伤影响可忽略不计，SFsite取值为2，则式（2）简化后为：

根据油轮的服役时间Tpass调整后的疲劳损伤度Dpass计算公式为：

式中：Dpass为油轮某一阶段服役期的疲劳损伤度；Tpass为油轮某一阶段服役时间，即油轮改造之前运营期为Tpass-1，改造FPSO服役期为Tpass-2，年；L为结构的设计寿命（BV规范中L取值20），年。

由结构疲劳损伤度D可推导出结构疲劳寿命Tf公式为[12]：

式中：Tf为结构的疲劳寿命，年。

将式（4）和式（5）代入式（3），可得：

3.2 基于BV-MARS软件疲劳寿命评估

本文中油轮改造后FPSO服役期Tpass-2为12年，由式（6）可得改造FPSO的构件所需最小疲劳寿命Tm为24.48年，取整为25年。由于改造FPSO服役海域的环境条件相比全球航行条件较好，因而本文依据DNV-RP-C205规范中全球航行海域波浪散布图，取超越概率水平10-5进行波浪载荷统计计算。

采用BV船级社的MARS软件，计算工况分为船体迎浪状态：“a” -波峰或波谷，“b”-波峰与波谷中间；波浪方向：“c” -尾斜浪，“d”-横浪。以上每种工况都分中拱与中垂。5年船龄和15年船龄油轮由于腐蚀的影响，板厚和纵骨尺寸相比建造完工时都有一定的腐蚀消耗，因而根据船舶的最新测厚评估报告，在MARS软件中输入油轮实际状态的相应数据进行疲劳评估。评估表3中船龄为5年和15年VLCC型油轮的纵向连接构件的疲劳强度，并生成油轮相关构件的疲劳寿命。

VLCC型油轮有第1（左、中、右）、第2（左、中、右）……第5（左、中、右）等15个货油舱，工程经验表明，油轮的中间液货舱，即第3（左、中、右）油舱的船体梁受到应力最大，疲劳损伤度D也最大。又由于船舶左右油舱具有对称性，因此，本文选取油轮第3（右）油舱作为疲劳寿命分析对象，如图3和图4所示。

图3 船龄5年油轮疲劳寿命分析Fig.3 Fatigue life analysis of the 5-year-old tanker

图4 船龄15年油轮疲劳寿命分析Fig.4 Fatigue life analysis of the 15-year-old tanker

船龄5年的油轮是依据SCR规范设计，在北大西洋海况航行条件下设计寿命要至少达到25年。由于油轮全球航行，多数航线海况相对北大西洋海况要温和，因而油轮实际使用寿命小于5年。为了满足FPSO连续生产10年不坞修的需要，船龄5年油轮有必要根据FPSO的作业海域条件和系泊形式重新进行疲劳校核。

由图3可知，对船龄5年的油轮第3（右）油舱进行二维疲劳寿命分析，显示出横舱壁上的各个纵向加强筋的疲劳寿命，其中有98%纵向加强筋的疲劳寿命大于40年，2%纵向加强筋的疲劳寿命中最小为31年，因而不需要对油轮进行结构加强，也满足改造FPSO的构件所需最小25年疲劳寿命要求。

对于船龄15年的油轮，其按照全球海域航行的条件设计寿命为20年，其理论剩余最小使用寿命仅为5年。即使改造后的FPSO布置在相对温和海域，一般也要对油轮的相关结构进行加强，才能满足改造FPSO的构件所需最小25年疲劳寿命要求。

由图4可知，对船龄15年的油轮第3（右）油舱进行二维疲劳寿命分析，显示出了横舱壁上的各个纵向加强筋的疲劳寿命。其中浅色箭头表示指向的加强筋的疲劳寿命已接近耗尽，占比约17%，即使FPSO工作海域海况比较温和，其加强筋的剩余疲劳寿命也无法满足构件所需最小25年疲劳寿命要求，应对这些构件进行翻新和加强。深色箭头是指油轮改造FPSO后布置海域海况相对恶劣时，需要对这些构件进行加强，占比约21%。因此，船龄15年的油轮第3（右）油舱共计约38%纵向加强筋需要根据FPSO工作海域海况条件进行相应加强或更换。

4 结 语

通过分析全球原油运输油轮船龄分布、每年建造吨位情况和船价随船龄变化规律，结合改造FPSO较长设计寿命需求，推荐选择船龄为10年左右油轮进行改装。

为了满足改造FPSO在相对温和海域服役12年要求，采用BV-MARS软件对船龄5年和15年油轮中受疲劳损伤度最大的油舱进行疲劳寿命评估，结果表明：船龄5年油轮油舱不需要进行结构加强，可满足设计需求；而船龄15年油轮油舱必须加强或更换结构才能满足设计需求。此研究成果可为油轮改造工程人员选取合适的旧油轮提供参考。