“企鹅”号大型圆筒型FPSO出坞及靠泊作业分析

徐信江 孔祥伟

摘要：FPSO具有吨位大、形状多样和无动力等特征，其出坞和靠泊作业是行业难点。“企鹅”为圆筒型大型FPSO，具有各项同性，不具有航向稳定性，易出现涡激振动，产生周期性振荡的横向力等现象给操纵带来巨大挑战。本文从引航员实操视角给出 “企鹅”由中海油船坞出坞及靠泊全过程的作业方法及相关辅助手段，制定了一套完整的作业流程和体系，总结了作业过程中的成功经验，分析了不足之处。

关键词：圆筒型FPSO;风流载荷;操纵控制;拖船

0 引 言

随着陆地油气资源过度开发不断枯竭，人类把油气资源开发的目光瞄准海洋，深海蕴含着全球40%的油气储量。海上油气加工厂（FPSO）是海洋油气开发的有效途径之一，FPSO是集生产、储油、卸油为一体的海上浮式生产储卸油装置。“企鹅”号（见图1）是国内自主设计与建造的最大的圆筒型FPSO，其储油能力达400 000桶。“企鹅”的出坞、靠泊、倾斜试验及后续浮装工作均需多方协同制定严格的操作规程。本文以2021年2月10日FPSO“企鹅”（见图2）自青岛海西湾中海油海工码头出坞靠泊作业为典型实例。“企鹅”技术参数：最大直径（不含碰垫）：87.5 m，船体直径：70 m，出坞吃水（含底部锌块0.5 m ）7.7 m，排水量>30 000 t，船体周围有防腐蚀的锌块，拖船只可拖不能顶。

“企鹅”是典型的圆筒型FPSO，且中间细，两端粗，类似“哑铃”，且上下不完全对称，通过查阅资料和实操总结，圆筒型FPSO其操纵特点如下：

（1） 由于其圆筒型结构，在水面上及水面下均拥有对称性，具有各项同性，不具有航向稳定性，对于风浪流的方向不敏感;

（2） 相同装载情况下，水线面积更大，具有更强的抗倾覆能力，抗载荷能力强，同天气条件下，海上作业状态更加稳定;

（3）出坞时对坞门处流体具有阻塞效应，流速增加，出坞过程中出现易变阻力现象，受力不均匀情况下，更容易旋转，而且由于其圆形结构，判断偏转及运动方向时难度更大;

（4） 相比船型结构，其运动更具有不确定性，受力时更易于偏荡，且易伴随旋转，自我恢复能力差;

（5）大型圆柱航行中易出现涡激振动现象，产生周期性振荡的横向力，对切向力反应敏感，且拖船等辅助操作时由于其弧形表面影响，对施力方向判断参考性较差，相比其他类型操作误差加大。

由于圓筒型FPSO的自身特征对本次出坞靠泊作业带来较大难度，国内目前在该类型FPSO出坞靠泊作业缺乏相关案例，青岛引航员在考虑风流载荷与多艘拖船共同作用下顺利完成了“企鹅”号出坞及靠泊作业。过程中所采用的操作思路、技巧及注意事项等本文所研究成果供同行参考。

1 作业环境及圆筒型稳性计算分析

1.1 船坞及操纵水域特点

中海油船坞，如图3所示，长420 m，宽110 m，深13.9 m，走向为288.5°，两侧有防撞条，但对“企鹅”防护作用很小，且口门处有3个废弃沉箱，难以清理，其大小为49×43 m，且完全裸露，无任何防护，为操作中较大的一个风险点。坞门外可用水域直径150 m，趁潮可用水域最大250 m，流速较小，坞内浪涌影响可以忽略，受风影响较大，操作窗口期应主要考虑天气因素。碍航浮筒均已移除，航道仅剩一个浮筒，与码头间距最近处约270 m，靠泊码头为中海油码头（图3a右上角停船处），靠泊后距船坞方向码头角约80 m，对内侧拖船操作有一定影响。

1.2 圆筒型 FPSO 的稳性分析

常规 FPSO 的外形类似于船形，或者直接由大型油轮改造加装而成，而类似于“企鹅”的FPSO，其最大的特点是其主体为圆筒形状，这种特殊的外形直接决定了该 FPSO 作业时稳性特点。在实际操作中，FPSO 本身具有的稳性是应该考虑和分析的因素之一，通常情况下，评价平台稳性需要通过静态稳性曲线来判断（如图 4所示，GM 初稳性高度;横轴为横倾角;纵轴为扶正力臂;B为静稳性曲线）。

理论上讲，初稳性高 GM 的计算公式为 ：

GM=KB+BM-KG                                                            （1）

式中： KB 为浮心高度，BM 为初稳心半径，KG为重心高度。

BM = I T / Δ                                                                     （2）

式中：IT 为水线面对中心轴的横向惯性矩，Δ为水线以下的排水体积

假设标准圆筒浮体直径为 D，圆形水线面的横向惯性矩为

F圆 =（ πD4 ） /64                                                             （3）

由以上公式可知，圆筒型 FPSO 可以通过增大其水线面面积来提高稳性性能，而且近似规则的圆筒型 FPSO本身具有更大的初稳性高度 GM。在实际情况下，BG值基本确定，BR的值由排水体积的形状而决定，当倾斜的角度在可控范围内越大，BR 的值随之变大，GZ 的值也随之变大，则平台稳性越好。通过计算及查阅资料可知，在相同的条件下，圆筒型 FPSO 要比船型 FPSO的稳性更优秀。

2 操纵模拟器试验

2.1 作业前对企鹅的基本认识

（1）移动过程中最重要的是控制船体的旋转;

（2）船体上层建筑的不均匀分布，风载荷不对称，易造成其旋转;

（3）在用拖船抑制旋转的过程中，往往会发生船体横移;

（4）由于船体运动惯性，克服旋转和横移需要较长的过程。

鉴于以上认识，在移动船体的过程中，应该允许其有一定的旋转和横移，但应严格控制其旋转和横移幅度。

2.2 模拟器实操

由于其船型的特殊性和障碍物（废弃沉箱）的存在，为测试作业风险性和可控性，对该流程利用模拟器进行了模拟试验，结果如下：

通过仿真模拟试验，风力 4 级条件下，由于 FPSO“企鹅”受风面积大，船坞尺度有限，拖船放缆拖位状态下在坞内操纵受限，船位控制困难，出坞风险较高;

坞内移动过程中，由于“企鹅”圆筒型结构，在拖船及缆绳作用下，在受力不均时，FPSO“企鹅”易产生明显偏转，可能导致其旋转角速率过大（如图 5 所示）， 需要不停地调整坞边缆绳的受力和前后拖船拖力方向和大小，才能维持“企鹅” 的稳定姿态，及时的动态判断和姿态调整是重点和难点。

为了保证拖带出坞安全，拖带需限制作业条件及保障措施。通过模拟器实操试验得出结论如下：

（1）拖带作业过程中应严格控制风力等级，风力不超过 3 级进行出坞作业， 当风力超过限制条件时应禁止作业;

（2）作业期间此季节内该工程水域多以 NW 风和 N 风为主，在吹开风的作用下，“企鹅”向南岸漂移明显，为保障安全，北侧需至少保留 3 根坞边缆绳;

（3）在“企鹅”的南北两侧底部外缘（87.5 m最宽处）处加装一定数量的防撞碰垫;

（4）舾装码头边缆机上缆绳长度至少 220 m（有效出缆长度约为150 m）。

3 圆筒型FPSO出坞与靠泊作业

3.1 出坞作业

经多次交涉和探讨，圆筒型FPSO出坞前状态如图6所示。

北侧留三根缆绳，分别通过绞盘C5、C6、C7控制，其用途有两个：①出坞前固定船位;②出坞过程中作为“安全绳”，随船体移动随时调整，协助拖船共同控制“企鹅”，抑制偏转及防止向南横移过大而触碰南岸壁或废弃沉箱。1号和2号拖船带“Y”型缆，提供纵向力，3号拖船辅助控制船体旋转。

根据计算，13：00，潮高满足通过坞门槛富余水深的要求，当时风力3级，风向东稍偏北，所有人员就位，开始出坞作业。C5、C6和C7缆绳缓慢放松，1号和2号拖船向南岸偏转10°以最慢车拖带（经查证1号和2号拖船最慢车拖力分别约为32 t和22 t），“企鹅”与北岸壁离开5～10 m距离后，拖船回正，1号拖船拖力保持略大于2号（两拖船同时施力，可有效抑制偏转），缓慢向坞门方向移动，3号拖船和北岸侧缆绳共同作用控制其旋转。移动初始阶段，C5和C7缆绳起主控作用，当“企鹅”向外移动大约一个直径距离时，C5缆绳过长，角度也接近平行码头，失去作用时将其解掉，由 C6接替C5，和C7共同来协助控制姿态（受码头设施限制，缆绳可受力约10～15 t，可控范围内主要依靠拖船）。

出坞的整个过程中，移动速度不超过0.8 kn， 1号和2号拖船既调整拉力大小控制纵移速度，同时兼顾调整拖缆角度控制偏转，当“企鹅”中心与码头角平齐时，将C6、C7缆绳全部解掉。13：30，到达如图7位置，带好4号拖船，至此出坞成功，进入下一步操作。

3.2 靠泊作业

（1）船坞离清后，换4号拖船主拖，1号、2号及3号拖船控制偏转及偏荡，将其拖带到舾装码头外档150 m处，解掉2号拖船，在其位置处加装隔离驳（如图8），加装过程中必须保持“企鹅”状态稳定（无明显横移及偏转），隔离驳共需8根缆绳固定，二者必须保持长时间相对静止，隔离驳由另一拖船傍拖摆好位置，由隔离驳上工人固定缆绳，耗时约40 min。

（2）由3号和4号拖船调整拖力方向至偏向码头侧30°左右， 1号拖船协助控制移动速度和抑制偏转，缓慢靠向中海油码头，距码头60～80 m处，由小型带缆船依次带好内侧四根缆绳，通过岸侧四台缆车控制绞缆，协助拖船将“企鹅”缓缓绞靠码头（见图9）。

3.3 作业小结

前期准备充分，出坞及靠泊完成比较顺利，但仍需认真总结，细节处仍有待改进，本次实操作业小结如下：

（1）由于设备原因，岸侧的缆绳没有充分發挥作用，缆绳承载不够，收放缆速度需进一步提高;

（2）拖船力量足够控制圆筒型FPSO “企鹅”所受风流载荷，1号、2号拖船大部分时间只需最慢车或慢车，调整拖力方向来控制圆筒型FPSO所受的剪切力是重点;

（3）操作中重点控制圆筒型FPSO的横移和偏转，作业中没有出现过大的横移和过快的偏转;

（4）系解缆绳的小型船操作娴熟，比预期顺利，整个过程比预定操作时间缩短了1 h左右。靠泊时风偏吹向码头，弥补了缆车功率的不足（拖船靠近码头时操作空间所限无法提供向码头方向的动力）。

3.4 操作技巧及注意事项

（1）提前预定准确天气预报

得益于天气预报提供的精准信息，本次作业选定在2月10日，天气条件为能见度两海里以上，风力3级，风向东略偏北，海面平静，所需潮高时间段均为白天，为该季节难得的作业窗口期。

（2）现场查看

制定引航方案前，需組织相关人员多次查看现场，查看的重点为被引船或平台的形状、构造、缆桩设置、导缆孔位置、安全负荷、作业及周边水域状况等。船舶或平台的设计者或工程人员，不一定了解引航员的操纵方法和意图，有些设置或装备就可能不能满足引航作业要求，令其整改，并落实到人。

（3）引航员站位选择

有些船舶特别是近些年出现较多的海上作业平台，上层建筑或设备较多，站在某一个点上，不能够看到船舶或平台的全貌，对船舶或平台运动态势的判断势必会受到影响，这种情况下，可以选择多个点，走动观察，或者配备多名引航员，分开站位，将观测信息提供给主引航员，供主引参考采取决策。

（4）选择适当的作业时机

近年来，无动力平台的外形趋于多样化，多数无动力平台都不装备助航仪器，这样就对引航员的观察和判断提出很高的要求，随着船舶或平台大型、异形化，引航操纵的难度和风险陡增，所以，要根据作业难度选择作业时机，包括潮汐、风力、能见度情况等要限制在合理的范围之内。

（5） 拖船的合理配置

无动力船舶或平台任一运动要素的改变都需要靠外力来完成，所以拖船的合理搭配就特别重要，要有足够功率的拖船，并且要安排在合理的位置上，以发挥其最大功效。安排拖船的原则为：拖船必须可以提供任何方向、足够有效的力量。很多情况下如船体结构特殊或是装载情况等，拖船只能拖不能顶，这样不仅增加了拖船的操纵难度，拖船的作用效果也大打折扣，引航员还要分配精力来照顾拖船。此类作业应选用船况好、驾驶员操作水平高的拖船，以确保作业安全。

（6）相关方的合作

引航就是一个多方相互合作的过程，对无动力船舶或平台而言，更是如此。作业前召开船前会十分必要，在前期准备和沟通的基础上，各方面对面敲定具体事项，关键细节必须要落实到人。作业中，与拖船之间的沟通，语言要简练准确清晰，对于异形船舶或平台，需提前约定船首、船尾、左右舷及指令形式，以保证对指令理解的统一性;与码头各方的联络通过现场总指挥来完成，总指挥需一直不离主引航员左右，并要求其与各作业点联络时刻保持畅通;其他引航员与主引航员之间的沟通最好选择另外一个频道进行，以保证工作频道的清爽，也防止被其他相关方误听造成不必要的麻烦。

（7）“企鹅”形状的制约

“企鹅”并非是一个规则的圆筒型，两头粗，中间细，下部完全没入水中，这对指挥员的判断有很大影响，而且底部圆盘有三个大的缺口，前期在靠近岸壁可能发生碰撞的位置预先固定了大型轮胎防撞，以备不时之需，但后期的操作还是应慎之又慎。出坞过程中，尽量让“企鹅”沿坞中心外移，避免不必要的碰撞和摩擦。后期靠泊时隔离驳接触码头，有利解决了弧形外舷靠泊的问题，只需缓慢平贴即可，与规则形状FPSO操作无异。

4 总 结

大型FPSO的操作一直是技术难度很高的一类作业，其受限因素非常多，如气象水文、港口条件、拖船操作以及包括引航员在内的多团队的协作等等，往往开弓没有回头箭，其重点是前期大量的研讨沟通以及操作细节的确定。其中，时间窗口的选择是重中之重，但是受季节、船期以及项目要求等制约，很多时候都是选择比较合适的窗口期，而不是牺牲大量时间去等待完美的窗口期，所以研讨阶段，要覆盖各种可能的条件，还要有充足的应急预案，不仅限于突发天气海况和机械故障的发生。随着这类FPSO的建造，我们会有越来越多的机会参与到类似的特种船操作中来，操作经验也会越来越多，希望每一个操作者都能认真总结，分享出来，给后期参与此类操作的同仁以参考，同时，认真的总结也是对自己的一次难得的提高机会。

参考文献

[1] 吴家鸣. FPSO的特点与现状[J]. 船舶工程，2012.

[2] 童波. 圆筒形FPSO尺度规划和运动性能研究[J]. 海洋工程，2017.

[3] 李昌伟. 无动力船舶港内拖带关键技术研究[J]. 武汉理工大学，2010.

[4] 夏国泽. 船舶流体力学[M].武汉：华中科技大学出版社，2003.

作者简介：

徐信江，本科，一级引航员，（E-mail）xuxinjiang1981@163.com，15505321146

孔祥伟，本科，高级引航员，15505321142