大型組塊海上整體吊裝方案優(yōu)選研究

付殿福，韓 頻，孫 欽，劉 揚(yáng)

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.上海利策科技有限公司，上海 200233 )

大型組塊海上整體吊裝方案優(yōu)選研究

付殿福1，韓 頻2，孫 欽1，劉 揚(yáng)2

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.上海利策科技有限公司，上海 200233 )

以渤中28-2南油田新建井口平臺的上部組塊海上吊裝方案設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，介紹大型平臺組塊海上整體吊裝方案選擇中的具體技術(shù)問題，總結(jié)適用于組塊吊裝方案快速優(yōu)選的具體方法及計(jì)算公式，并對整體吊裝方案進(jìn)行敏感性分析。

大型組塊；吊裝；干涉分析；敏感性分析；強(qiáng)度分析

隨著國內(nèi)海洋石油工業(yè)迅速發(fā)展，近年來在國內(nèi)海域新建了一批大中型導(dǎo)管架平臺，其中大多數(shù)采用浮吊船來進(jìn)行海上吊裝安裝。受施工條件的限制，國內(nèi)施工重量介于4 00～10 000 t之間的平臺組塊常采用分塊吊裝方案。但分塊吊裝所需結(jié)構(gòu)材料多、施工附件多、海上連接調(diào)試時間長。5 000 t左右的大型組塊能否實(shí)現(xiàn)整體吊裝安裝，是工程技術(shù)人員在前期方案研究階段必須考慮的問題。

文中以渤中28-2南油田調(diào)整項(xiàng)目中的BZ28-2S WHPB平臺組塊吊裝為例，系統(tǒng)分析5 000 t級上部組塊的海上施工方案，進(jìn)行吊裝干涉、浮吊起吊能力、吊裝敏感性及吊裝強(qiáng)度等分析。

1 組塊及施工船舶參數(shù)

1.1 組塊的重量及重心

BZ28-2S WHPB平臺組塊結(jié)構(gòu)為由梁柱板和斜撐構(gòu)成的空間剛架結(jié)構(gòu)。組塊的施工重量和重心位置見表1。

表1 組塊重量及重心位置

1.2 施工船舶

海上吊裝擬采用“藍(lán)鯨”號浮吊船施工，“藍(lán)鯨”號最大起重能力為7 500 t，全回轉(zhuǎn)時起重能力為4 000 t[1]。浮吊吊機(jī)旋轉(zhuǎn)中心至船艉的距離為28.8 m，碰球直徑為3.0 m。浮吊的吊裝能力見圖1。

圖1 藍(lán)鯨號吊裝能力曲線

擬采用海洋石油221船作為運(yùn)輸駁船，參數(shù)為

垂線間長 142.00 m;

型寬 36.00 m;

型深 9.75 m;

拖航吃水 4.50 m;

載重量 29 000 t。

2 吊裝干涉分析

近年來，隨著油田開發(fā)技術(shù)不斷提高，不少老油田重新煥發(fā)活力，帶來了大量油田調(diào)整項(xiàng)目。調(diào)整項(xiàng)目中新建平臺周邊往往有已建的平臺及海管等設(shè)施，在確定吊裝方案前應(yīng)考慮周邊已建設(shè)施對浮吊海上就位的影響；同時也應(yīng)考慮組塊吊裝時，浮吊扒桿與組塊自身的干涉影響，即應(yīng)進(jìn)行浮吊就位干涉分析、扒桿與吊高干涉分析。

2.1 浮吊就位干涉分析

該項(xiàng)目周邊不僅有已建平臺，還存在大量的海底管道，因此將周邊已建設(shè)施進(jìn)行摸排以確定浮吊就位、施工方案。繪制已有周邊設(shè)施及施工船舶位置關(guān)系圖，見圖2。

由圖2可見，施工船舶采用此就位方式不會與已有設(shè)施發(fā)生干涉，就位方案可行。

2.2 扒桿與吊高干涉分析

扒桿與吊高干涉分析應(yīng)首先考慮組塊在駁船上高度H1

圖2 周邊設(shè)施與施工船舶位置關(guān)系

(1)

式中：D——型深，9.75 m；

d——吃水，5.5 m；

Hd——滑道高度，3 m；

Hx——滑靴高度，2 m；

Δd——船舶由于載荷變化產(chǎn)生的吃水變化，0.5 m。

對于井口平臺，采油樹往往在組塊井口區(qū)易與井口梁相碰[2]。故應(yīng)在組塊吊裝時還應(yīng)考慮組塊跨越導(dǎo)管架及采油樹所需的吊高H2

H2=Lc+Hc+Δh

(2)

式中：Lc——隔水套管頂標(biāo)高，18.4 m；

Hc——采油樹高度，3 m；

Δh——安全距離，3 m。

取由式(1)和(2)計(jì)算得到的高度較高值，即H2=24.4 m作為實(shí)際抬升高度，調(diào)整扒桿角度到對應(yīng)跨距及吊高，繪制被吊結(jié)構(gòu)物放樣圖。檢查組塊頂層甲板邊緣、吊機(jī)及頂層甲板上大型設(shè)備是否與扒桿干涉。 通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)藍(lán)鯨號在對應(yīng)跨距下的抬升高度大于24.4 m，滿足要求。

3 起吊能力分析

3.1 吊裝跨距分析

“藍(lán)鯨”號主鉤系固工況下的吊裝能力，主要由吊裝跨距決定，吊裝跨距見圖3。

圖3 吊裝跨距示意

吊裝跨距S的計(jì)算如下。

S=C+Dq+B/2+ey0+ey1

(3)

式中：C——吊機(jī)旋轉(zhuǎn)中心至船艉的距離，28.8m；

Dq——碰球直徑,3m;

B——駁船型寬,36 m;

ey0——組塊Y向初始偏心,0.343 m;

ey1——組塊Y向計(jì)算附加偏心,0.5m。

代入上述參數(shù)，計(jì)算得到該組塊吊裝跨距S為50.643 m。

3.2 鉤頭能力分析

由于藍(lán)鯨號具有雙主鉤，組塊的偏心將造成各單鉤反力的不均勻分配，會導(dǎo)致浮吊主鉤及扒桿不均勻受力。因此，對于此類雙主鉤浮吊船，總吊裝能力主要限制條件為單鉤吊裝能力。

(4)

式中：L——單鉤吊裝能力;

Ld——雙鉤設(shè)計(jì)吊裝能力;

Ls——雙鉤標(biāo)準(zhǔn)吊裝能力;

η——安全系數(shù),1.1。

查閱圖1中“藍(lán)鯨”號吊裝能力曲線，在吊裝跨距為50.643 m時的能力為Ld=5 961.8 t，根據(jù)式(4)計(jì)算得到單鉤能力L=2 980.9 t。

3.3 組塊反力分析

有了單鉤能力后應(yīng)計(jì)算組塊的實(shí)際單鉤吊裝反力以評估浮吊是否具備足夠能力。吊裝反力取決于組塊重量、偏心、吊點(diǎn)間距等因素，見圖4。根據(jù)力的平衡原理，組塊吊裝單鉤最大反力Gmax的計(jì)算公式如下。

(5)

式中：Gk——組塊吊裝重量,5 449 t;

dx——吊點(diǎn)間距,22 m;

ex0——組塊X向初始偏心,-0.343 m;

ex1——組塊X向附加偏心,-0.5 m。

圖4 吊點(diǎn)吊繩布置示意

4 吊裝敏感性分析

上述分析表明,該組塊吊裝方案基本可行，但由于“藍(lán)鯨”號儲備能力的余量很小。為進(jìn)一步控制風(fēng)險，應(yīng)進(jìn)行吊裝敏感性分析。

因“藍(lán)鯨”號的起吊能力受單鉤能力的限制，因此被吊結(jié)構(gòu)的偏心對起吊能力影響較大?？紤]是否連同平臺吊機(jī)一起吊裝、是否使用配重調(diào)整重心等因素來判斷吊裝敏感性。

情況1。平臺吊機(jī)整體吊裝、單獨(dú)吊裝，與不進(jìn)行配重調(diào)整重心相組合的情況；

情況2。平臺吊機(jī)整體吊裝、單獨(dú)吊裝，與進(jìn)行配重，即在個別設(shè)備中沖水來調(diào)整重心相組合的情況。

根據(jù)上述兩種情況計(jì)算“藍(lán)鯨”號所能吊起的重量及偏心的極限增加值，見表2、表3。

表2 不配重狀態(tài)下敏感性分析

表3 配重狀態(tài)下敏感性分析

由表2和表3可見，目前方案被吊結(jié)構(gòu)物重量余量為99.2 t；單獨(dú)X向偏心余量為0.215 m；吊裝跨距余量為0.544 m。

若綜合采用配重和平臺吊機(jī)后安裝的措施。被吊結(jié)構(gòu)物重量余量為234.9 t；單獨(dú)X向偏心余量為0.689 m；吊裝跨距余量為1.245 m。

5 吊點(diǎn)形式的確定

吊點(diǎn)選型時要綜合考慮結(jié)構(gòu)物在各種工況條件下的受力情況[3]。目前工程建造中使用的吊點(diǎn)有2種：板式吊點(diǎn)和管子軸式吊點(diǎn)。當(dāng)被吊物體的質(zhì)量較大時，可采用管子軸式吊點(diǎn)。這不僅可避免卡環(huán)承載能力的限制，而且可簡化對吊點(diǎn)板復(fù)雜構(gòu)造形式的設(shè)計(jì)和其投影關(guān)系的計(jì)算，使批把頭增大受力狀態(tài)下的曲率半徑，使鋼絲繩在結(jié)點(diǎn)處受力更合理[4]。

目前國內(nèi)與板式吊點(diǎn)之相配套的卸扣強(qiáng)度有限，最大能力的卸扣是1 500 t扁平卸扣，即單根吊繩力不能超過1 500 t的結(jié)構(gòu)物吊裝才能使用板式吊點(diǎn)進(jìn)行吊裝。因此本文組塊的吊點(diǎn)選用管子軸式吊點(diǎn)。

6 吊裝強(qiáng)度分析

使用SACS程序?qū)M塊進(jìn)行吊裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，以確定組塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足吊裝要求[5]。 根據(jù)API規(guī)范規(guī)定，對于所有構(gòu)件采用1.35倍的動力系數(shù)，對于與吊點(diǎn)直接相連的構(gòu)件采用2.0倍動力系數(shù)，在X方向與Y方向各考慮0.5 m的附加偏心。

計(jì)算結(jié)果顯示，1.35倍動力系數(shù)下所有構(gòu)件中最大UC為0.97，節(jié)點(diǎn)最大沖剪節(jié)點(diǎn)UC為0.910，2.0倍動力系數(shù)下與吊點(diǎn)直接相連的構(gòu)件的最大UC為0.97。

組塊整體吊裝強(qiáng)度分析結(jié)果顯示組塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)論

1)該組塊一吊整體吊裝方案可行，方案具備一定的抵御重量、重心變化的吊裝能力余量。

2)進(jìn)行海上結(jié)構(gòu)物吊裝方案選擇時，應(yīng)全面排查建設(shè)海域已有設(shè)施，判斷周邊已建設(shè)施對浮吊海上就位的影響；同時應(yīng)考慮組塊吊裝時，浮吊扒桿與組塊自身的干涉影響。

3)因被吊結(jié)構(gòu)物的吊裝跨距、重量及其重心位置對浮吊船的起吊能力影響較大。其中，被吊結(jié)構(gòu)物偏心距離對“藍(lán)鯨”號這類雙主鉤浮吊船的起吊能力影響非常大。在無法進(jìn)一步調(diào)整被吊結(jié)構(gòu)物重心的情況下，考慮以適當(dāng)?shù)呐渲販p小被吊結(jié)構(gòu)物的偏心距離，對提升起吊能力有益。

4)大型組塊整體吊裝方案與分塊吊裝方案相比優(yōu)勢明顯，但由于吊裝重量大，浮吊、駁船、滑道及場地等資源較為單一，需要在項(xiàng)目前期就鎖定資源；并且在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注重量控制工作，嚴(yán)格控制被吊結(jié)構(gòu)物的重量、重心以及運(yùn)輸駁船的寬度。

[1] 金曉劍，趙英年，李健民，等.海洋石油工程領(lǐng)域“十一五”技術(shù)創(chuàng)新成果及“十二五”展望[J].中國海上油氣，2011，23(5):285-292.

[2] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會，海洋石油工程安裝設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[3] 周可佳.海上鋼結(jié)構(gòu)物典型吊點(diǎn)的比較與應(yīng)用[J].船海工程，2013,2(42):126-128.

[4] 劉 巍，孫振平.綏中36-1油田I期開發(fā)工程井口平臺[J].中國海上油氣(工程)，2001，13(2):11-14.

[5] 劉 波，楊 亮，田其磊，等.海洋平臺上部組塊吊裝方案優(yōu)化分析[J].石油工程建設(shè)，2011，8(37):24-26.

Optimization Research on Offshore Integral Lifting Project for Large Deck

FU Dian-fu1, HAN Pin2, SUN Qin1, LIU Yang2

(1 CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China;2 Richtech Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

The basic technical problems faced in the integral lifting scheme selection of large deck are briefly introduced. This work is based on the project design of offshore installation of 28-2 wellhead platform in Bozhong south oilfield. The detail methods and computational formulas applying for the scheme selection of deck lifting are summarized, and a sensitivity analysis for integral lifting parameter is carried out.

large deck; lifting; interference analysis; sensitivity analysis; strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.041

2014-09-01

付殿福(1984-)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2015)01-0162-04

修回日期：2014-10-11

研究方向:海上平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

E-mail:fudf@cnooc.com.cn