提高油轮靠泊海上平台外输作业安全性的措施

郭俊杰，杨俊杰，翟学微，吕强，邹伟

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300451)

0 引言

海上某生产储油平台设计水深为20.4 m，甲板设有原油储罐、电站、油气水处理、惰气系统等设施，在平台南侧设有5 000 t外输油轮靠泊装置，满足平台油气水处理、储油、外输等方面的要求。穿梭油轮靠泊采用并靠生产储油平台，在油轮靠泊平台时，依靠系泊系统将其固定在平台一边，系泊采用靠船架+系缆平台的方式，在平台外侧设有两个筒型基础系缆平台，系缆平台与生产储油平台通过栈桥连接，外输软管的收放采用吊车配合。

1 原油外输作业安全风险分析

安全靠泊平台是一项复杂的任务，为将意外事件的风险降到最低，应了解掌握并综合考虑可能影响靠泊作业安全与作业效率的所有有关因素[1]。靠泊作业应考虑裕量、安全保障、应急情况与应急情况下可用于应急操作的设备和技术系统的可靠性。影响油轮靠泊平台的安全与效率因素包括泊位状态、船舶性能、环境载荷、船员状况、信息资料等，其中环境载荷和泊位状态是海上平台关注的重点。原油外输大致划分为三个阶段：油轮靠泊、原油外输期间、油轮离泊，整个过程存在的安全环保风险有：靠泊作业碰撞、外输过程油轮运动碰撞、软管泄漏、系泊系统故障、储油系统风险、应急系统失效、恶劣天气等。影响因素又可分为主体因素(人员能力、管理水平)、客体因素(环境因素、设备因素)[2]。本文主要讨论客体因素对原油外输作业的影响，从油轮靠系泊、原油储罐充舱、油轮应急解脱等关键环节重点把控，从而提高原油外输作业的安全性。

2 油轮靠泊碰撞力与系泊力安全控制

平台的靠泊作业通过设在生产储油平台导管架的靠船垫和设在带缆走道处的系缆桩，以及在南北系缆平台上配置的快速脱钩装置，共同组成该平台的油轮靠泊系统。穿梭油轮靠系泊安全分析应考虑系缆力、靠船橡胶碰垫撞击力、船体舷侧结构强度和平台结构强度，还应考虑自然环境条件的影响[3]。

2.1 外输作业环境限制条件

采用直接靠泊方式进行外输作业，对环境条件有严格限制，超出设计限制条件进行外输作业时，会造成平台较大振动[4]。根据《5000吨级油轮靠泊碰撞力及系缆力计算报告》，从系缆强度和橡胶护舷强度的角度，得到理想作业工况如下：风力≤6级，海上能见度在1海里以上，流速≤1节，油轮压载系泊于平台时，要求海浪条件为：迎浪波高小于3.0 m、斜浪波高小于2.5 m、横浪(270°)波高小于1 m、横浪(90°)波高小于1.5 m；油轮满载系泊于平台时，要求海浪条件为：迎浪波高小于3.5 m、斜浪波高小于2.0 m、横浪(270°)波高小于1 m、横浪(90°)波高小于1.5 m。

穿梭油轮靠系泊平台时，横浪下产生较大的撞击力和系缆张力，斜浪次之，迎浪和随浪工况产生较小的撞击力和系缆张力。由于平台与靠泊设施上已经考虑了环境力的方向性，因此总体而言油轮多数处于迎浪、随浪或斜浪工况下，具有较小的运动幅值，产生较小的撞击力和带缆力。不过当波高较大时，应避免横向靠泊或停止卸油作业。

从环境资料来看，应特别注意有关天气和海况条件的预报，一旦有坏天气出现，应提前将罐内原油提走，以保证充裕的油罐储存量。平台位置海流主要受潮流控制，所有统计结果都呈现潮流特征，流速随水深变化不大，底层流速约为表层的0.7倍左右，海流有两个相反的主流向，即涨潮流和落潮流流向，为东北偏东和西南偏西方向。在平台海域，这两个方向的流速差别不是很大，全年海水表层最大流速为1.25 m/s，平均流速为0.43 m/s，流速小于1 m/s的百分比为99.5%。

2.2 靠船架与橡胶护舷

在穿梭油轮靠泊平台时，为了防止油轮与平台的碰撞损坏平台或者油轮，在平台靠船一侧设置了靠船架，同时在靠船架侧面设置了橡胶护舷，使护舷吸收油轮的动能，减少撞击力。在橡胶护舷的选择和计算上：一方面要保证在一定环境载荷下，油轮与靠船架产生的撞击力较小，一方面要保证橡胶护舷的变形在其设计压缩变形内(一般为橡胶总变形量的52.5%)，碰撞力小于设计压缩变形对应的碰撞力。这两方面的要求是相互矛盾的，前者要求橡胶护舷刚度小，后者要求橡胶护舷刚度大，因此需要选择具有合适刚度与厚度的橡胶护舷，使得碰撞力和橡胶护舷的变形都在橡胶护舷的设计范围内，同时油轮受到的碰撞力之和较小。

平台采用的橡胶为高反力型橡胶护舷，单个护舷达设计压缩变形时(52.5%)，设计吸收能量为558 kN·m，撞击力标准值为1 660 kN单个护舷达最大压缩变形时(55%)，设计吸收能量为598 kN·m，撞击力标准值为2 305 kN。由动能公式得知：油轮靠向平台时产生的撞击力由船舶质量、船舶法向速度、有效动能系数决定，油轮靠船速度越大，碰撞力越大。因此，应对油轮的靠船速度加以限制，平台要求小于0.5 m/s。通过对平台振动数据的检测，外输作业期间振动大于无外输作业期间，靠船件、栈桥、栈桥管道上的作用力与油轮靠泊的环境条件有关，海况条件越差，作用力越大[5]。

2.3 移动式防碰靠球

在橡胶护舷的基础上，通过增加移动式防碰靠球来提高安全性，布置如图1所示。首先安装的是空心靠球，充气橡胶靠球利用压缩空气作为缓冲介质，使得船舶靠泊时具有更柔软的避碰效果，与一般的弹压型橡胶护舷相比较，具有吸收冲击能量大，作用于船舶的单位面积压力低，安装简易等优点。但是在使用过程中发现空心靠球耐磨性较差，为此考虑将空心靠球更换为更为耐用的实心靠球。随后更换的两个移动式防碰实心靠球，充填材料采用优质EVA发泡，外层包覆18层锦纶帆布，护套为轮胎网络式，热镀锌链条连接。靠球压缩变形60%时，测试吸收能量为690 kN·m，撞击力标准值为1 409 kN，要求压缩10 n以后释放压力，瞬间恢复90%以上。实心靠球的优点：缓冲效果相当，而使用寿命长；相对于空心靠球费用低，节约成本；与空心靠球相比较，安全系数高(表皮破损后依然可以起到防护作用)。平台靠球安装在两组橡胶护舷的外侧，靠球和原有靠船件橡胶护舷共同缓冲油轮在靠泊以及系泊过程中对平台的撞击力。安装靠球后，在相似海况条件下进行外输作业，油轮靠泊的撞击力降低约60%，表明靠球的减振效果明显[6]。

图1 移动式防碰靠球安装示意图

2.4 带缆系泊

穿梭油轮靠泊生产储油平台后，应使用8根系泊缆，建议首尾各3根，船舯2根交叉缆。系缆平台自动脱钩装置安装有系泊载荷拉力计，并通过无线远传显示，显示屏在外输甲板舷外，方便油轮人员实时观看，平台方有手持式系泊载荷显示终端，值班人员随身携带，并具备高载荷拉力下报警功能。以系缆方式靠泊，在完成系泊后，船舶主推进动力系统、舵等操纵设备应处于随时可用的状态。系泊过程中，应不定时地对系泊缆绳的磨损情况进行检查，调整缆绳的松紧程度，保持各缆绳均匀受力。

3 外输期间储罐压力安全控制

油轮靠泊之后，便进入原油外输作业阶段，包括外输软管的吊装与连接、外输软管试压、原油外输泵启泵与计量、原油储罐充舱、原油外输泵停泵与扫线、外输软管回收、移动式靠球收回等。在此期间应重点关注原油储罐压力变化，及时调整充舱量。

3.1 惰气充舱

平台上配置了惰性气体发生装置，用来对原油储罐以及其他工艺设备进行安全保护，防火防爆。该惰气系统有两种操作模式，一是利用热介质锅炉燃烧的废气来产生惰气，二是利用惰气发生器产生惰气。惰性气体发生装置以热介质炉的烟气作为惰性气体基本气源。当锅炉烟气含氧量合格(低于5%)时，可经过一定处理后，直接利用；当热油锅炉本身或整个排烟系统出现故障，可借助装置本身配备的燃烧系统直接产生合格的烟气。不论是来自哪种形式的烟气，都必须经过除尘、冷却、除湿、测氧等步骤，合格后的烟气通过风机、甲板水封、输送管路供给储罐充舱使用。

惰气发生装置设计能力应满足原油外输作业及日常生产作业的补气要求。该系统设备主要包括惰气洗涤塔、惰气风机、惰气发生器、柴油供给泵、空气风机、柴油输送泵、甲板水封、压力/真空破断器等。由于惰气发生装置产生的惰气压力低，在外输软管试压、憋压吹扫等环节无法使用惰气，只能用空气或者天然气试压和扫线，但使用空气或天然气存在一定的安全风险。针对该问题，并考虑到储罐惰气充舱的重要性，于是在平台上增加了一套制氮系统。

3.2 氮气充舱

平台制氮机氮气纯度可到99.9%，氮气压力0.8 MPa。膜制氮系统主要设备包括空气压缩机、过滤器、除湿器、预加热器、膜组件、空气储罐和氮气储罐等设施。经空气压缩机增压后的空气在经过过滤、除湿、加热后，进入膜组件进行膜分离，生成的氮气进入惰气系统出口管网。油轮靠泊外输期间安排专人启动制氮机，启动后要确认制氮机出口纯度，高于97%时方可进行扫线和储罐充舱作业。外输期间值班人员每半小时查看氮气纯度，同时使用便携式气体探测仪测试氮气纯度，共同验证氮气纯度合格。惰气系统和氮气系统互为备用，彻底避免了因惰气含氧量不合格、设备故障等问题对原油储罐充舱不合格或引起原油储罐压力低甚至负压，保证了原油外输期间储罐的安全稳定。

4 油轮应急解脱安全控制

通过对各类油轮外输作业的事故案例分析，在系泊外输期间出现海况恶劣是事故的主要原因，因此在油轮外输期间，平台方和船方应设专人持续监控天气、海况、缆绳拉力和油轮摆动情况等影响外输作业安全的因素，如发生应急情况，需要油轮快速解脱离泊，必要时安排辅助拖轮进行拖带离泊。平台在系缆平台甲板上各配置了两套带绞缆盘的双头快速脱钩装置，每套装置均有独立应力检测和报警功能。快速脱钩装置由快速脱缆钩、电动绞盘和应力检测/报警系统三部分组成，单钩额定拉力100 t，钩体水平转角45～90°、垂直转角45°。快速脱钩装置是油轮外输作业最重要的系统，在应急情况下快速脱钩装置可以节省应急响应时间。

5 结语

综上，文章阐述了外输作业环境条件限制、油轮靠泊限制航速及带缆系泊等规定。提出了采用橡胶护舷+移动式防碰靠球组合形式，以减缓油轮靠泊碰撞力和系泊力对平台造成晃动等多项措施。同时通过配备惰气系统和氮气系统，并互为备用，以保证外输期间原油储罐的充舱需求，保证原油外输期间储罐的安全与稳定。鉴于油轮安全外输的因素较多，相关各方应充分了解掌握并综合考虑可能影响靠泊作业安全与作业效率的所有有关因素，防止麻痹大意，有效避免意外事件造成的风险。