陸地水平滑道建造自升式鉆井平臺滑移裝船技術(shù)研究及應(yīng)用

黃曙光 于 皓 王銘飛 李建榮

(海洋石油工程股份有限公司)

1 研究背景

國內(nèi)外自升式鉆井平臺一般都是在干船塢中或?qū)Ｓ脙A斜船臺上建造的,這樣建造完成的鉆井平臺就可以在船塢中漂浮下水或由傾斜船臺上滑移下水,然后進(jìn)行后續(xù)的建造與調(diào)試工作。自升式鉆井平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小、設(shè)備多,各系統(tǒng)的連接與調(diào)試極為繁瑣,建造周期較常規(guī)船舶要長許多。由于鉆井平臺沒有固定的需求周期,因此受船廠整體船舶建造規(guī)劃、建造能力的影響,在造船高峰期會因建造工期緊張而影響鉆井平臺的建造,另外也可能會因船塢和傾斜船臺已被其它在建船舶占用而無法承接鉆井平臺的建造,這些情況都會影響到海上油氣開發(fā)生產(chǎn)需求。如果能夠在陸地臨時水平滑道上建造自升式鉆井平臺,將大大緩解船廠船塢、船臺及其它資源的使用壓力。但是在陸地臨時水平滑道上建造自升式鉆井平臺并拖拉滑移裝船的案例并不多見。大連船舶重工為中海油服建造的“海洋石油942”自升式鉆井平臺是在陸地水平滑道上建造的,但其下水時仍然采用了專用傾斜滑道的形式;國外某重5300 t的浮式儲油裝置(FSO)是在陸地水平滑道建造的,采用了拖拉滑移裝船的方式下水[1],但浮式儲油裝置的船體底板一般較自升式鉆井平臺厚許多,其強(qiáng)度符合滑移作業(yè)要求;自升式鉆井平臺受全船重量控制所限,船體底板厚度一般小于 10 mm,在這種情況下底板的強(qiáng)度及屈曲要求就成為裝船過程中的制約因素。海油工程青島基地2座L 780 MODE II型自升式鉆井平臺采用滑移裝船技術(shù)下水獲得成功,本文是對該項(xiàng)陸地建造自升式鉆井平臺拖拉滑移裝船技術(shù)研究與實(shí)踐的總結(jié)。

2 研究內(nèi)容

在海洋工程中固定式平臺導(dǎo)管架和組塊滑移裝船的下水技術(shù)是早已成熟的技術(shù),借鑒該技術(shù)可進(jìn)行自升式鉆井平臺滑移裝船技術(shù)的研究,即將自升式鉆井平臺與導(dǎo)管架和組塊的不同之處進(jìn)行對比、研究,以解決自升式鉆井平臺由陸地水平滑道滑移裝船中的技術(shù)難題。主要考慮了以下幾個方面。

2.1 滑移裝船定義及須考慮因素

滑移裝船技術(shù)[2]一般指將重型結(jié)構(gòu)物從陸地通過絞車系統(tǒng)拖拉到駁船的施工方法,其作業(yè)須考慮如下因素:重型結(jié)構(gòu)物在拖拉過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;建造場地地基基礎(chǔ)的承載能力;碼頭的水文氣象條件;陸地滑道與下水駁船滑道連接部位的高差控制;下水駁船的穩(wěn)性和強(qiáng)度校核等。

2.2 自升式鉆井平臺滑移裝船下水與傾斜船臺下水的區(qū)別

造船廠一般設(shè)有船塢和專用傾斜船臺。如果在傾斜船臺上建造自升式鉆井平臺,在大部分建造工作完成后,可以同常規(guī)船舶建造一樣將自升式鉆井平臺直接由傾斜船臺滑移入水;如果沒有專用傾斜船臺,由于碼頭與海平面存在一定高差,則自升式鉆井平臺不能直接入水。本項(xiàng)目考慮借鑒固定式平臺導(dǎo)管架和組塊滑移裝船的方法,先將自升式鉆井平臺拖拉、滑移到半潛式駁船上,然后利用駁船下潛、平臺漂浮完成下水。

2.3 自升式鉆井平臺滑移裝船研究內(nèi)容

自升式鉆井平臺的船體一般為箱型結(jié)構(gòu),設(shè)有數(shù)根樁腿,與固定式平臺導(dǎo)管架和組塊的大型圓管[3]和梁柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念不同。為了控制空船重量,自升式鉆井平臺的船體結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)為板殼結(jié)構(gòu),且船型較為固定,在經(jīng)過多年的設(shè)計(jì)優(yōu)化后,平臺船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度冗余度已很小,針對自升式鉆井平臺的這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn),需要研究滑移裝船時其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

自升式鉆井平臺船體外底板結(jié)構(gòu)僅適合承受均布荷載,不適合承受集中荷載,然而在滑移裝船過程中典型的受力工況是平臺船體底部要經(jīng)過碼頭邊緣陸地滑道與下水駁船滑道的相接處;由于滑道間的高差會產(chǎn)生懸空或上抬的集中荷載,所以此工況下平臺船體底板及艙壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和屈曲校核成為關(guān)注重點(diǎn)。美國船級社《ABS RULES FOR BU ILDING AND CLASSING Mobile offshore drilling units 2008》規(guī)范3-2-1/3.11節(jié)[4]中給出了如下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核公式:

對于屈曲校核,美國船級社《ABS Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore structure 2004》規(guī)范 3/5.1至 3/5.5節(jié)[5]中給出了如下公式:

上述公式中相關(guān)符號的意義可見規(guī)范[4-5]中的說明。板殼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核可用一般的通用有限元分析軟件實(shí)現(xiàn),屈曲校核則需要用專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)或按規(guī)范手工校核。

在滑移裝船過程中對平臺船體產(chǎn)生較大荷載的關(guān)鍵因素之一是駁船滑道與陸地滑道的高差(圖1)。此高差如果過大,將對船體產(chǎn)生過大的線性集中力,造成船體損壞;高差如果過小,將對駁船調(diào)載及裝船氣候窗提出過高要求,甚至使滑移裝船不可能實(shí)現(xiàn);所以找出合理的駁船滑道與陸地滑道的高差值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場裝船控制人員研究的要素之一,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要反復(fù)試算并將結(jié)果提供給裝船控制人員,共同商定高差的合理數(shù)值。

圖1 陸地滑道與駁船滑道間高差示意圖

自升式鉆井平臺船體板殼結(jié)構(gòu)雖然帶有小梁,但不能承受高達(dá)近千噸的拖拉力,所以需特別設(shè)計(jì)用于將平臺牽引至駁船上的支撐結(jié)構(gòu)——滑靴,且設(shè)計(jì)滑靴時要考慮盡量減小施工建造成本。常規(guī)導(dǎo)管架和上部組塊屬于剛性結(jié)構(gòu),一般將滑靴也設(shè)計(jì)為剛性結(jié)構(gòu)。自升式鉆井平臺的外底板一般較薄,常常僅為9.5 mm,如果將滑靴設(shè)計(jì)成剛性結(jié)構(gòu),在裝船過程中船體變形一般較大;如果滑靴剛度過大,將會由于滑靴結(jié)構(gòu)變形小、船體變形大而導(dǎo)致滑靴結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞。所以,應(yīng)將滑靴設(shè)計(jì)成與船體變形相協(xié)調(diào)的支撐結(jié)構(gòu),同時滑靴本身要具備足夠的強(qiáng)度來滿足裝船過程中的支撐要求;另一方面,為保護(hù)船體底板,滑靴與船體間的接觸方案應(yīng)作為設(shè)計(jì)因素加以考慮,要考慮到船體與滑靴結(jié)構(gòu)需要良好摩擦力和必要的連接來傳遞來自絞車系統(tǒng)的拖拉力。

3 工程案例

海油工程青島基地在水平滑道上采用滑移裝船技術(shù)成功下水了2座L780 MODE II型自升式鉆井平臺(圖2)。這2座平臺為三角形,型長57.20 m,型寬53.34 m,型深7.62 m,空船重量約為6800 t。

由于青島海油工程基地在建船塢尚未完工,且基地沒有專門的傾斜船臺,所以這2座自升式鉆井平臺選擇在陸地水平滑道上建造并采用滑移裝船技術(shù)下水。青島海油工程碼頭水深約8 m,單日潮差最高可達(dá)4 m,所以裝船時需選擇合適的氣候窗以減少潮差影響,并且要考慮輪渡經(jīng)過產(chǎn)生的涌浪對下水駁船調(diào)載的影響。下水駁船選用了德孚2號半潛式駁船,船長 111 m,型寬67 m,型深 8 m,最大下潛深度13.7 m。考慮到大型駁船調(diào)載時調(diào)平船體會有時間延遲,這些因素將影響駁船滑道與陸地滑道的高差,在經(jīng)過反重試算并綜合考慮各種因素的前提下,將此高差選擇在±25 mm。

在確定了駁船滑道與陸地滑道高差的基礎(chǔ)上,采用有限元軟件SESAM進(jìn)行了平臺強(qiáng)度核算。因?yàn)槟Ｐ洼^大,單元數(shù)達(dá)11萬個,所以采用子模型建模技術(shù)將整個船體分成了幾個部分建模,然后在計(jì)算分析時將子模型合并求解,典型模型如圖3、4所示。

該鉆井平臺采用艉端先上駁船的方式進(jìn)行滑移裝船,整個平臺船體共有26個肋位(記為26個站號),有限元分析共分24步進(jìn)行,且裝船分析過程與導(dǎo)管架和組塊相同;船體底部邊界采用超單元分析,即只受壓不受拉,計(jì)算工況如圖5所示,圖中0表示船體艉端尚未滑移到陸地滑道的邊緣;FR表示船體肋位;STEP表示滑移裝船的進(jìn)位。

圖5 自升式鉆井平臺滑移裝船荷載工況分析

駁船滑道與陸地滑道間高差控制在±25 mm時自升式鉆井平臺的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力見圖6。經(jīng)進(jìn)一步核算,如果駁船滑道與陸地滑道的高差趨勢能按如下方式控制,即在裝船前期保證駁船滑道低于陸地滑道,在裝船中期保證高差為0 mm,在裝船后期保證駁船滑道高于陸地滑道,則船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力將得到極大的改善(圖7),所以合理地控制半潛式下水駁船滑道與陸地滑道間的高差是十分必要的。此外經(jīng)分析,船體變形在10 mm以內(nèi)可以保證自升式鉆井平臺順利裝船。

對滑靴進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì):在滑靴中間側(cè)放工字鋼,其腹板上下各設(shè)置一層墊木;下層墊木浸蠟以保證拖拉時與滑道良好接觸;墊木與工字鋼通過圓棒連接;將滑靴擺放在剛度相對較大的4道船體縱艙壁下,這樣既保證了船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,又使滑靴與船體能相對較好的接觸,以保證在下水駁船滑道與陸地滑道產(chǎn)生高差時不致于對平臺船體造成損傷。在滑移裝船過程中通過拖拉滑靴上的拖點(diǎn),靠船體與墊木間的摩擦力傳遞來自拖拉絞車的拖拉力。整個滑靴結(jié)構(gòu)重約300 t,其在平臺船底的布置及典型橫剖面見圖8和圖9。

基于對上述因素的考慮,海油工程公司采用滑移裝船技術(shù)成功完成了2座L780 MODE II型自升式鉆井平臺的滑移裝船,作業(yè)現(xiàn)場見圖10、11。

圖8 滑靴平面布置圖

4 結(jié)束語

以海油工程青島基地2座L780 MODE II型自升式鉆井平臺采用滑移裝船技術(shù)下水為例進(jìn)行了相關(guān)研究,首次為沒有干船塢或?qū)Ｓ脙A斜船臺條件下在陸地水平滑道建造自升式鉆井平臺的滑移裝船作出了設(shè)計(jì)與建造范例,其滑移裝船中船體強(qiáng)度分析方法和滑靴設(shè)計(jì)思想可以應(yīng)用在類似陸地建造重型結(jié)構(gòu)物的滑移裝船設(shè)計(jì)中。這種設(shè)計(jì)理念節(jié)省了船塢與船臺等資源,并可以使更多的建造與調(diào)試工作放在陸地上實(shí)施。

[1] YANG Y T,CHO H G,YOON K Y,et al.Development of load-out methodology for on-ground-built FSO[C].OTC 15313,Houston USA,2003.

[2] DETNORSKE VERITAS.Rules for planning and execution of marine operations.Part2:Qperation specific requirements[S].Oslo:DNV,1996.

[3] American Petroleum Institute.APIRP2A-WSD,Recommended practice for planning,designing and constructing fixed off shore plat forms-working stress design[S].21st ed.Washington:API,2000.

[4] American Bureau of Shipping.ABS RULES FOR BU ILDING ANDCLASSING Mobile offshore drilling units[S].Houston:ABS,2008.

[5] American Bureau of Shipping.ABSGuide for buckling and ultimate strength assessment for offshore structure[S].Houston:ABS,2004.