船齡對(duì)舊油輪改造FPSO工程影響研究

朱進(jìn)全，董海杰，余 捷，謝小波，王 丹

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）在全球主要海洋石油作業(yè)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(guó)北海等[1-2]。據(jù)Offshore Magazine統(tǒng)計(jì)，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(shù)量最多，達(dá)44艘，上述地區(qū)共同點(diǎn)是FPSO服役海域的環(huán)境條件相對(duì)溫和。

國(guó)外有大量的舊油輪改造FPSO的市場(chǎng)需求，但我國(guó)缺少主導(dǎo)油輪改造FPSO相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。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(píng)估二手油輪船殼狀態(tài)，而船齡是評(píng)估船殼狀態(tài)的最直觀和最重要依據(jù)。關(guān)于船齡方面的研究，秦琦等[4]總結(jié)了世界商船隊(duì)的船齡結(jié)構(gòu)分布，陳晶等[5]開(kāi)展了船齡與船舶缺陷統(tǒng)計(jì)分析，得到甲板腐蝕、艙壁腐蝕、輔機(jī)故障等船舶缺陷數(shù)目較多。國(guó)內(nèi)學(xué)者還沒(méi)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(duì)舊油輪改造FPSO工程影響。

1 不同船齡的油輪數(shù)量和船價(jià)分析

根據(jù)克拉克松統(tǒng)計(jì)[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(shù)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(shù)量占比和載重噸占比分別為27.90%和24.77%。隨著不同船齡區(qū)間變化，油輪的數(shù)量占比和載重噸占比具有正相關(guān)性，如表1所示。

表1 全球原油運(yùn)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(duì)每年建造總噸位變化情況，如圖1所示?？芍瑥?999年至今，4支船隊(duì)大部分年份建造的船舶總噸位維持在一個(gè)較高水平，即船齡小于20年船舶數(shù)量比較大，尤其是船齡為10年（即2008年）左右油輪數(shù)量達(dá)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(shí)船體基本性能及其主要設(shè)備狀況決定了船舶改造后的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和適用性，這是改造后船舶具有良好經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)。船齡大小直接關(guān)系到船體剩余壽命的長(zhǎng)短，同時(shí)決定了該船舶再投入使用后的維護(hù)費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、燃料費(fèi)和正常營(yíng)運(yùn)時(shí)間等。

表2 二手船的船價(jià)隨船齡變化規(guī)律Tab.2 The variation of the ship price with the age of the second-hand ship

由表2可知，船價(jià)隨船齡變化規(guī)律是船齡越長(zhǎng)，船價(jià)越低[6]。隨著船齡變大，船舶的維修保養(yǎng)費(fèi)用逐年增加，當(dāng)超過(guò)船舶的經(jīng)濟(jì)使用壽命時(shí)，船舶將被報(bào)廢處理。在舊油輪改造FPSO工程項(xiàng)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(jià)因素。若油輪改造后FPSO服役期較長(zhǎng)，由于船齡為10年左右二手船交易價(jià)格僅為50%的原船價(jià)格且船體剩余使用壽命較長(zhǎng)，故推薦選擇船齡為10年左右油輪進(jìn)行改裝FPSO，以使其具有高性價(jià)比。

圖1 全球4種船型油輪各年建造總噸數(shù)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(guī)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(xiàng)目背景，以船齡為5年和15年的載重噸均為30萬(wàn)噸級(jí)VLCC型油輪為研究對(duì)象，改造FPSO設(shè)計(jì)服役期為12年，對(duì)比分析船齡對(duì)油輪改造FPSO工程的相關(guān)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(chǎng)交易價(jià)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(jié)構(gòu)共同規(guī)范（CSR）要求，船齡15年的VLCC不滿足CSR規(guī)范。5年船齡的油輪按照北大西洋海況航行條件，依據(jù)CSR規(guī)范設(shè)計(jì)建造，最小設(shè)計(jì)壽命達(dá)25年；而15年船齡的油輪按照全球海域航行條件，最小設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。

2.2 船舶結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的影響

2006年4月，船舶結(jié)構(gòu)共同規(guī)范（CSR）開(kāi)始生效，所有國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）成員都必須遵守CSR規(guī)范。對(duì)比之前各國(guó)船級(jí)社規(guī)范，CSR規(guī)范在船舶技術(shù)方面有更高的質(zhì)量要求。

由圖2可知，CSR規(guī)范對(duì)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(guī)范要求，甲板厚度增加4 mm腐蝕余量[7,8]。一般根據(jù)CSR規(guī)范設(shè)計(jì)建造的船舶相比舊規(guī)范設(shè)計(jì)增加約4%的鋼材總重量。此外CSR規(guī)范還有附加的腐蝕要求、涂層規(guī)格要求等。

對(duì)比各國(guó)船級(jí)社的結(jié)構(gòu)規(guī)范要求，CSR規(guī)范要求更高，因而依據(jù)CSR規(guī)范建造的船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有更高的可靠性。雖然船齡15年的油輪（建造時(shí)間在2002～2003年）并不滿足CSR規(guī)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(yùn)營(yíng)維護(hù)的比較好，船體經(jīng)少量修補(bǔ)后，整體的結(jié)構(gòu)性能和剩余疲勞壽命也會(huì)滿足FPSO的設(shè)計(jì)壽命要求，而且相對(duì)船齡5年的油輪具有顯著的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

圖2 CSR規(guī)范對(duì)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(guī)格差別

2006年12月8日，關(guān)于防護(hù)涂層性能標(biāo)準(zhǔn)（PSPC）的SOLAS第II-1/3-2條修正案在海上安全委員會(huì)（MSC）第82屆會(huì)議上獲得通過(guò)。涂層應(yīng)用應(yīng)遵循以下新規(guī)定：1）涂層系統(tǒng)認(rèn)證：符合性聲明和型式認(rèn)證；2）涂層檢查：為確保符合標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)由認(rèn)證和合格的涂層檢查人員執(zhí)行；3）驗(yàn)證：審查涂層技術(shù)文件，檢查技術(shù)數(shù)據(jù)表和涂層系統(tǒng)認(rèn)可，代表性艙室的涂層標(biāo)識(shí)，涂層檢查員資格和報(bào)告。其中，涂層技術(shù)文件應(yīng)包括涂層系統(tǒng)的規(guī)格，船廠和船東的涂層工作記錄，涂層選擇的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)規(guī)范，檢查，維護(hù)和修理等。

為確保15年有效涂層壽命，PSPC標(biāo)準(zhǔn)基于詳細(xì)的規(guī)范和要求，要求油輪開(kāi)始服役后，其涂層系統(tǒng)均保持在“良好”狀態(tài)。但油輪涂層的實(shí)際壽命易受很多因素影響，常與涂層設(shè)計(jì)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(guī)格（見(jiàn)表3），但一般涂層設(shè)計(jì)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(shí)，要根據(jù)工程項(xiàng)目需求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)涂層進(jìn)行針對(duì)性的修復(fù)和更換。

3 船齡對(duì)油輪疲勞壽命影響

在油輪船體狀態(tài)評(píng)估階段，如果不能發(fā)現(xiàn)橫向結(jié)構(gòu)過(guò)度點(diǎn)蝕，嚴(yán)重腐蝕，疲勞造成的裂縫等隱患，可能導(dǎo)致如下嚴(yán)重后果：FPSO儲(chǔ)油能力的降低，非計(jì)劃停產(chǎn)修理，結(jié)構(gòu)破損，原油泄漏，進(jìn)而有導(dǎo)致污染和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。工程經(jīng)驗(yàn)表明，疲勞損傷造成的腐蝕和缺陷是油輪船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要威脅，而船齡是產(chǎn)生疲勞損傷的主要因素之一，因此有必要研究船齡對(duì)油輪船體剩余疲勞壽命影響。

3.1 疲勞評(píng)估方法理論

各國(guó)船級(jí)社建立的疲勞評(píng)估軟件多數(shù)是基于S-N曲線和Miner線性累計(jì)損傷理論，用于評(píng)估船體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，如BV船級(jí)社的MARS軟件。通常構(gòu)件疲勞損壞程度用疲勞累積損傷度D來(lái)表示，其常用計(jì)算公式為[9-11]：

式中：D為構(gòu)件疲勞累積損傷度；m和A為S-N曲線中由疲勞試驗(yàn)得到的參數(shù)；fs(S)為設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍內(nèi)分布的概率密度函數(shù)；S為設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍，N /mm2；NL為結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)，疲勞損傷度D達(dá)到臨界值1。根據(jù)BV NI 593規(guī)范，油輪在整個(gè)服役期的疲勞損傷度需滿足以下關(guān)系：

式中：SFtow為 拖航安全系數(shù)；SFsite為改造FPSO服役期安全系數(shù)；SFL/U為 貨物裝卸安全系數(shù)；Doil為油輪改造前運(yùn)營(yíng)期的疲勞損傷度；Dtow為拖航時(shí)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(shù)，取值1.02。

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

根據(jù)油輪的服役時(shí)間Tpass調(diào)整后的疲勞損傷度Dpass計(jì)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(shí)間，即油輪改造之前運(yùn)營(yíng)期為T(mén)pass-1，改造FPSO服役期為T(mén)pass-2，年；L為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命（BV規(guī)范中L取值20），年。

由結(jié)構(gòu)疲勞損傷度D可推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)疲勞壽命Tf公式為[12]：

式中：Tf為結(jié)構(gòu)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(píng)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(gòu)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(huán)境條件相比全球航行條件較好，因而本文依據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范中全球航行海域波浪散布圖，取超越概率水平10-5進(jìn)行波浪載荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

采用BV船級(jí)社的MARS軟件，計(jì)算工況分為船體迎浪狀態(tài)：“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(shí)都有一定的腐蝕消耗，因而根據(jù)船舶的最新測(cè)厚評(píng)估報(bào)告，在MARS軟件中輸入油輪實(shí)際狀態(tài)的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞評(píng)估。評(píng)估表3中船齡為5年和15年VLCC型油輪的縱向連接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，并生成油輪相關(guān)構(gòu)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(gè)貨油艙，工程經(jīng)驗(yàn)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(yīng)力最大，疲勞損傷度D也最大。又由于船舶左右油艙具有對(duì)稱(chēng)性，因此，本文選取油輪第3（右）油艙作為疲勞壽命分析對(duì)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(jù)SCR規(guī)范設(shè)計(jì)，在北大西洋海況航行條件下設(shè)計(jì)壽命要至少達(dá)到25年。由于油輪全球航行，多數(shù)航線海況相對(duì)北大西洋海況要溫和，因而油輪實(shí)際使用壽命小于5年。為了滿足FPSO連續(xù)生產(chǎn)10年不塢修的需要，船齡5年油輪有必要根據(jù)FPSO的作業(yè)海域條件和系泊形式重新進(jìn)行疲勞校核。

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

對(duì)于船齡15年的油輪，其按照全球海域航行的條件設(shè)計(jì)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(duì)溫和海域，一般也要對(duì)油輪的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，才能滿足改造FPSO的構(gòu)件所需最小25年疲勞壽命要求。

由圖4可知，對(duì)船齡15年的油輪第3（右）油艙進(jìn)行二維疲勞壽命分析，顯示出了橫艙壁上的各個(gè)縱向加強(qiáng)筋的疲勞壽命。其中淺色箭頭表示指向的加強(qiáng)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(qiáng)筋的剩余疲勞壽命也無(wú)法滿足構(gòu)件所需最小25年疲勞壽命要求，應(yīng)對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行翻新和加強(qiáng)。深色箭頭是指油輪改造FPSO后布置海域海況相對(duì)惡劣時(shí)，需要對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，占比約21%。因此，船齡15年的油輪第3（右）油艙共計(jì)約38%縱向加強(qiáng)筋需要根據(jù)FPSO工作海域海況條件進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)或更換。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析全球原油運(yùn)輸油輪船齡分布、每年建造噸位情況和船價(jià)隨船齡變化規(guī)律，結(jié)合改造FPSO較長(zhǎng)設(shè)計(jì)壽命需求，推薦選擇船齡為10年左右油輪進(jìn)行改裝。

為了滿足改造FPSO在相對(duì)溫和海域服役12年要求，采用BV-MARS軟件對(duì)船齡5年和15年油輪中受疲勞損傷度最大的油艙進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，結(jié)果表明：船齡5年油輪油艙不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，可滿足設(shè)計(jì)需求；而船齡15年油輪油艙必須加強(qiáng)或更換結(jié)構(gòu)才能滿足設(shè)計(jì)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。