南海超大型組塊浮托安裝總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

范 模 李 達(dá) 馬巍巍 易 叢 白雪平

（中海油研究總院）

南海超大型組塊浮托安裝總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

范 模 李 達(dá) 馬巍巍 易 叢 白雪平

（中海油研究總院）

通過(guò)南海荔灣項(xiàng)目超大型組塊浮托安裝的研究與設(shè)計(jì)，探索了在南中國(guó)海進(jìn)行水深為190 m左右、浮托重量逾3.2萬(wàn)噸組塊浮托安裝總體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)措施，對(duì)浮托安裝技術(shù)由淺水向深水發(fā)展，以及浮托重量由萬(wàn)噸級(jí)向幾萬(wàn)噸級(jí)發(fā)展有重要意義，可為大型浮托安裝設(shè)計(jì)提供借鑒。

浮托安裝 超大型組塊 南中國(guó)海 設(shè)計(jì)與研究

國(guó)外海上組塊浮托安裝始于1992年，在不到20年時(shí)間內(nèi)國(guó)際上已有幾十個(gè)組塊安裝采用該技術(shù)，浮托重量也由初期幾百?lài)嵃l(fā)展到現(xiàn)在的幾萬(wàn)噸，蘇聯(lián)薩哈林半島油氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目創(chuàng)下3.8萬(wàn)噸浮托重量的世界紀(jì)錄。我國(guó)于2001年在渤海趙東油田引進(jìn)該技術(shù)，實(shí)施了2座平臺(tái)組塊的浮托安裝。中海油于2005年在南堡35－2油田首次實(shí)施了浮托法安裝，此后又自主設(shè)計(jì)了渤中34－1油田中心處理平臺(tái)組塊的浮托安裝，到目前為止已完成了旅大、錦州和金縣3個(gè)油田4座平臺(tái)的浮托安裝，其中旅大27－2和32－2油田生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)的浮托重量已達(dá)1.15萬(wàn)噸，為亞洲之最。

南海荔灣項(xiàng)目的大型深水固定平臺(tái)設(shè)計(jì)水深190 m，組塊重量2.7萬(wàn)噸，加上組塊支撐結(jié)構(gòu)0.5萬(wàn)噸，浮托重量3.2萬(wàn)多噸，這是中海油有史以來(lái)最重的浮托紀(jì)錄，其重量可列世界前列。實(shí)施該項(xiàng)目浮托設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：重量大、作業(yè)水深、環(huán)境條件惡劣、首次設(shè)計(jì)、工期緊迫等；與渤海海域相比設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)為：風(fēng)大浪高的惡劣海況條件，可作業(yè)時(shí)間短；沒(méi)有現(xiàn)成的運(yùn)輸船舶，需額外改裝駁船以適應(yīng)浮托要求；深海大噸位船舶的多點(diǎn)定位系泊與對(duì)接碰撞力控制；大型組塊裝船和長(zhǎng)距離運(yùn)輸安全保障等。本文對(duì)南海超大型組塊浮托項(xiàng)目進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，以期為大型浮托安裝設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 浮托方案設(shè)計(jì)

根據(jù)組塊安裝時(shí)駁船的數(shù)量，浮托安裝法可以分為單浮托（圖1）和雙浮托（圖2）兩類(lèi)。目前大多數(shù)浮托法安裝是采用單浮托法，雙浮托法由于對(duì)環(huán)境條件和操作人員要求極為苛刻，且存在較大技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，除個(gè)別項(xiàng)目之外，很少被工業(yè)界所采用。南海由于環(huán)境條件非常惡劣，且需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸，現(xiàn)有技術(shù)條件下不適宜采用雙船浮托安裝，因此本項(xiàng)目選用單船浮托安裝法。

在進(jìn)行浮托安裝的大型平臺(tái)總體設(shè)計(jì)時(shí)，首先

考慮運(yùn)輸駁船的船寬尺度，以確定導(dǎo)管架的進(jìn)船槽口及組塊支撐腿跨距尺度，因此船寬尺度成為最先需要確定的首要尺度。導(dǎo)管架槽口尺寸大小決定了導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)重量，也決定了組塊結(jié)構(gòu)重量，槽口大則平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量大，反之則小。經(jīng)綜合論證，我們采用了國(guó)際上常用的46 m平臺(tái)槽口尺度。

1.2 運(yùn)輸駁船選型設(shè)計(jì)

在選擇駁船資源時(shí)，主要考慮兩大因素：一是駁船安裝能力；二是駁船資源是否滿(mǎn)足項(xiàng)目的工期需要。駁船安裝能力與組塊重量、重心及駁船自身尺度等技術(shù)參數(shù)息息相關(guān)。駁船選型的主要參數(shù)包括吃水、穩(wěn)性、調(diào)載能力與總縱強(qiáng)度等。表1為國(guó)內(nèi)可用于浮托法安裝的駁船資源。經(jīng)綜合考慮選用海洋石油229為此次浮托安裝用駁船。

表1 國(guó)內(nèi)可用于浮托法安裝的駁船資源

1.3 組塊對(duì)接方式設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架腿頂端安裝樁腿對(duì)接緩沖單元（LMU）；駁船甲板上設(shè)置一個(gè)支持框架（DSF）；支持框架頂端安裝組塊對(duì)接緩沖器（DSU），組塊對(duì)接示意圖見(jiàn)圖3。LMU與DSU主要起到緩沖對(duì)接過(guò)程中的碰撞力作用。DSF高度是影響駁船運(yùn)動(dòng)特性和穩(wěn)性的重要因素，初始設(shè)計(jì)時(shí)DSF高度H計(jì)算公式為

圖3 南海超大型組塊浮托安裝組塊對(duì)接示意圖

式（1）中：h1為組塊底層甲板標(biāo)高，m；hs為底層甲板下方梁高，m；D為駁船型深，m；T為駁船進(jìn)船前的初始吃水，m；h2為浮托作業(yè)時(shí)的潮位，m，假設(shè)潮位高于平均海平面；h3為L(zhǎng)MU的插尖高度，m；h4為組塊進(jìn)船間隙，m，常規(guī)為0.8 ～1.5 m；h5為L(zhǎng)MU對(duì)接變形量，m。

如果DSF設(shè)計(jì)太高，則駁船重心升高，穩(wěn)性降低；如果DSF設(shè)計(jì)太小，則要求駁船調(diào)載能力要大，會(huì)增加駁船選型的難度。

1.4 施工作業(yè)氣候窗選擇

荔灣海域環(huán)境條件惡劣，夏季有臺(tái)風(fēng)，百年一遇最大有效波高達(dá)到13.4 m，年平均波高為1.4 m，全年主浪向?yàn)镋NE，該海域浮托安裝環(huán)境條件見(jiàn)表2，單個(gè)月份中可作業(yè)天數(shù)超過(guò)50%的累積概率見(jiàn)圖4。這些作業(yè)環(huán)境參數(shù)是國(guó)際上公認(rèn)的開(kāi)闊海域浮托設(shè)計(jì)的參數(shù)。進(jìn)入9月之后，南海海域臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，所以該項(xiàng)目宜在6月之前完成浮托安裝作業(yè)。

表2 南海荔灣海域浮托安裝環(huán)境條件

圖4 南海荔灣海域適合浮托安裝的月份

2 關(guān)鍵技術(shù)與措施

2.1 超大型駁船改裝

海洋石油229駁船是目前中海油最大的運(yùn)輸駁船，其主尺度見(jiàn)表1，該駁船原設(shè)計(jì)載重量為9萬(wàn)t，可用于組塊浮托重量約3萬(wàn)t。由于國(guó)內(nèi)外有能力運(yùn)載并實(shí)施浮托重量達(dá)3.5萬(wàn)t的駁船資源有限（也考慮到其他特殊因素），因此對(duì)海洋石油229駁船進(jìn)行了改裝。由于使用的是46 m的平臺(tái)槽口尺度，為使駁船進(jìn)入平臺(tái)槽口，需將駁船首部寬度切窄，具體做法為：首部寬度由52.5 m減少到42 m，此改動(dòng)損失了一定浮力，使組塊浮托能力下降到2.5萬(wàn)t以下，為提高浮托能力將駁船尾部寬度由52.5 m增加到65 m，此改裝方案使浮托能力提高到了3.5萬(wàn)t，滿(mǎn)足了荔灣項(xiàng)目的需求。

2.2 深水定位系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南海海況惡劣且水深，定位系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本浮托法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。該系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為2種工況，第1種工況為駁船進(jìn)入導(dǎo)管架槽口之前的等待工況，此時(shí)駁船距離導(dǎo)管架約300 m，為8根系泊纜布置，見(jiàn)圖5；第2種工況為牽引駁船進(jìn)出導(dǎo)管架槽口行進(jìn)過(guò)程中的系泊工況，此時(shí)為10根系泊纜布置，其中2根船首交叉系泊纜起牽引駁船和控制船首運(yùn)動(dòng)作用，見(jiàn)圖6。該定位系泊的特點(diǎn)是將4根系泊纜布置于駁船中部的左右兩舷，這樣就不會(huì)影響駁船進(jìn)出導(dǎo)管架槽口作業(yè)；通過(guò)收緊系纜及放松系纜，控制駁船前進(jìn)與倒退。

計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)船前等待工況的系泊力比進(jìn)船或退船工況的系泊力大，為系泊設(shè)計(jì)的控制工況。經(jīng)設(shè)計(jì)：系泊纜為錨鏈與鋼纜的組合系泊纜，錨鏈直徑76 mm，長(zhǎng)度150 m；鋼纜直徑70 mm，長(zhǎng)度2000 m；錨為Danforth型，重量18 t；錨機(jī)拉力300 t，該系泊系統(tǒng)可抵抗2.5 m有效波高的海況。

2.3 組塊對(duì)接力控制技術(shù)

組塊對(duì)接是組塊浮托安裝的重要工況，對(duì)接撞擊力的大小決定了作業(yè)環(huán)境條件的選取。對(duì)接力發(fā)生于LMU及DSU上，其大小與駁船運(yùn)動(dòng)和風(fēng)浪方向有關(guān)。LMU起到約束甲板組塊垂向與水平位移的作用，DSU只約束組塊的垂向位移。在對(duì)接設(shè)計(jì)中，計(jì)算分析最終目的就是取得盡可能大的環(huán)境條件與結(jié)構(gòu)允許承受能力的平衡點(diǎn)。

對(duì)接安裝前，駁船垂向運(yùn)動(dòng)幅值應(yīng)控制在0.3 m以?xún)?nèi)；當(dāng)組塊與LMU接觸后，其動(dòng)態(tài)垂向力應(yīng)小于2000 t，或者所有LMU垂向動(dòng)態(tài)力之和應(yīng)小于組塊總重量的30%，并控制水平撞擊力小于800 t。由于本項(xiàng)目海域環(huán)境條件惡劣且組塊尺寸大、重量重等原因，采用了2組LMU和DSU，以期能夠更好地控制對(duì)接碰撞力。針對(duì)每一個(gè)浮托項(xiàng)目，都須根據(jù)特定的承載組塊信息定制LMU與DSU。在本項(xiàng)目中，LMU最大水平力為854 t，垂向力為5849 t；DSU最大垂向力為3019 t。

在渤海海域DSF上常放置沙盤(pán)，以緩沖組塊與DSF之間的碰撞。在超大型組塊浮托設(shè)計(jì)中，我們將DSU頂部設(shè)計(jì)為平面，底部為橡膠墊墩，此構(gòu)造將更有利于減小撞擊力，見(jiàn)圖7。在保護(hù)駁船和導(dǎo)管架腿的橫蕩護(hù)舷設(shè)計(jì)上，我們采用了與以往不同的駁船變截面橫蕩護(hù)舷構(gòu)造形式，根據(jù)導(dǎo)管架腿與駁船之間的受力特性，其間隙設(shè)計(jì)為：初始狀態(tài)0.5 m；最終就位0.1 m，使駁船撞擊力由1000多噸下降到770 t，見(jiàn)圖8。

2.4 組塊裝船設(shè)計(jì)

組塊裝船總布置見(jiàn)圖9。設(shè)置多根系泊纜將駁船牽拉固定于碼頭邊，使駁船滑道位置與陸上滑道對(duì)齊，且滑道寬度應(yīng)一致。

圖9 南海超大型組塊浮托安裝組塊裝船總布置圖

根據(jù)組塊裝船的特點(diǎn)，有如下3個(gè)方面的關(guān)鍵點(diǎn)：①裝船時(shí)間，即組塊第一排腿開(kāi)始上船到最后一排腿上船的總時(shí)間，它是決定裝船是否可行的時(shí)間因素，按以往經(jīng)驗(yàn)其總時(shí)間應(yīng)控制在6 h之內(nèi)；②駁船壓排載泵的調(diào)載能力；③駁船靜水條件下的總縱強(qiáng)度。

常規(guī)最低潮位、最高潮位和駁船底部高程的參數(shù)有如下關(guān)系：最低潮位＝駁船最小吃水＋駁船底部高程；最高潮位＝駁船最大吃水＋駁船底部高程；駁船底部高程＝碼頭高程＋碼頭滑道高－駁船滑道高－駁船型深。該項(xiàng)目駁船吃水最小的變化范圍為8.4～11.6 m。

在整個(gè)裝船過(guò)程中，駁船最弱工況的總縱強(qiáng)度發(fā)生于組塊最后一排腿上船時(shí)，此時(shí)駁船吃水為8.4 m，最大應(yīng)力發(fā)生于距首105 m的位置，剪力為5993 t，彎矩為690 028t·m，應(yīng)力比值為0.941，該工況的總縱強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求，但已達(dá)到臨界值。

2.5 長(zhǎng)距離運(yùn)輸安全保障技術(shù)

從青島到指定安裝海域需要約10 d時(shí)間，導(dǎo)管架與組塊的拖航穩(wěn)性和駁船總縱強(qiáng)度須滿(mǎn)足船級(jí)社要求[1]。本拖航穩(wěn)性按中國(guó)船級(jí)社《海上拖航指南》要求設(shè)計(jì)，使用MOSES軟件計(jì)算，表3為導(dǎo)管架和組塊完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果。

駁船拖航的總縱彎矩MT由靜水彎矩MS和波浪彎矩MV組成，MT＝MS＋MV。靜水彎矩是基于MOSES軟件獲得，波浪彎矩是基于SESAM三維線(xiàn)性勢(shì)流理論求得，波浪載荷參考文獻(xiàn)[2]中S4區(qū)選取，設(shè)計(jì)超越概率值取為10－8，并按文獻(xiàn)[3]進(jìn)行波浪彎矩和波浪剪力的非線(xiàn)性修正。

表3 南海超大型組塊浮托安裝組塊和導(dǎo)管架完整穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

通過(guò)分析（取超越概率值為10－8）得到船中剖面波浪誘導(dǎo)垂向彎矩（MW），沿船長(zhǎng)的波浪彎矩MV通過(guò)下式求得

式（2）、（3）中：MW為由長(zhǎng)期分析所得的船中剖面處的波浪誘導(dǎo)垂向彎矩，k N·m；M 為彎矩，沿船長(zhǎng)的分布系數(shù)，按《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》選?。籆HB、CSB為非線(xiàn)性修正系數(shù)，其中

式（4）、（5）中：Cb為駁船方形系數(shù)。

總縱彎矩為靜水彎矩和修正后波浪彎矩的疊加值。圖10為組塊拖航總縱彎矩圖，結(jié)果顯示海洋石油229駁船的總縱彎矩滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從圖10可看出，組塊拖航時(shí)中垂彎矩大于中拱彎矩。該計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，相對(duì)導(dǎo)管架而言，組塊作用于駁船更趨于向下的集中載荷。

圖10 南海超大型組塊浮托安裝組塊拖航總縱彎矩圖

3 結(jié)束語(yǔ)

與以往浮托安裝設(shè)計(jì)相比，本項(xiàng)目有如下方面的技術(shù)改進(jìn)與完善：①提出了船首切窄與船尾加寬的創(chuàng)新駁船改裝方案，在保證駁船調(diào)載能力和拖航穩(wěn)性的情況下，可減小導(dǎo)管架槽口寬度，節(jié)省大型深水平臺(tái)的投資；②首次在深水采用多點(diǎn)定位系泊系統(tǒng)的浮托作業(yè)設(shè)計(jì)，可有效保證駁船抵抗惡劣海況的能力；③采用與渤海不同的橡膠形式對(duì)接緩沖單元，使它能更好地適應(yīng)超大重量組塊的要求；④在駁船兩舷安裝了變截面的橫蕩橡膠護(hù)舷，可大大地降低駁船與導(dǎo)管架腿之間的撞擊力。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算分析指南[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 方鐘圣.西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1996.

The overall solution design and key technology for float over installation of ultra－large topside in South China Sea

Fan Mo Li Da Ma Weiwei Yi Cong Bai Xueping
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

Through the research and design of ultra－large topside float over installation for Liwan project in the South China Sea，the overall solution design and key technology have been discussed for float over installation of 32 thousand tons topside in 190 m deep waters，which is significant to promote the float over installation from shallow sea to deep sea and from 10000－ton class topside to 30000－ton class topside，and can be used as reference for design of ultra－large topside float over installation.

float over installation；ultra－large topside；South China Sea；design and research

范模，男，高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶工程專(zhuān)業(yè)，主要從事生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置系泊系統(tǒng)和船舶總體性能方面的設(shè)計(jì)工作。地址：北京市東城區(qū)東直門(mén)外小街6號(hào)海油大廈（郵編：100027）。

2010－11－04改回日期：2010－12－14

（編輯：葉秋敏）