被動式浮托結(jié)合牽引提升安裝南中國海大型平臺組塊

張廣磊, 董寶輝, 楊小龍, 陳 峰， 鞏 雪

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

被動式浮托結(jié)合牽引提升安裝南中國海大型平臺組塊

張廣磊, 董寶輝, 楊小龍, 陳 峰， 鞏 雪

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

針對南中國海平臺組塊海上安裝實際情況，開創(chuàng)性地提出了大型組塊低位浮托結(jié)合牽引提升就位的安裝設計方法。綜合考慮組塊重量、南中國海域環(huán)境特征、安裝船舶特性等因素，對海上牽引提升的方式及被動式低位浮托技術(shù)進行了深入分析。同時，從經(jīng)濟性和安全性等方面，系統(tǒng)地闡述了組塊低位浮托安裝的適應性和海上牽引提升的可操作性。該方法豐富了南中國海大型組塊安裝設計技術(shù)，其理論分析和海上安裝的順利實施對同型平臺的海上施工具有重要的指導意義。

海上牽引提升；被動式；低位浮托

0 引言

隨著南海深水油氣開發(fā)的穩(wěn)步推進，平臺上部模塊也向著規(guī)模化、大型化、集約化方向發(fā)展，這對海洋平臺的制造和安裝提出了更大的挑戰(zhàn)，大型組塊的安裝技術(shù)成為了制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。浮托法安裝[6]由于在船舶資源和縮短海上調(diào)試時間等方面的巨大優(yōu)勢得到了越來越廣泛的應用。其中，海洋石油工程股份有限公司(簡稱海油工程)在近幾年中使用浮托法安裝了多個萬噸級組塊。2013年使用浮托法完成了荔灣平臺三萬噸組塊，創(chuàng)造了中國浮托法安裝重量之最；2014年使用動力定位浮托法完成了惠州平臺15 000 t組塊，是國內(nèi)首次成功使用動力定位浮托法進行海上安裝作業(yè)。

在浮托安裝中，由于受到組塊重量、導管架槽口寬度和油田水深的影響，選擇合適的駁船是非常重要的，駁船選型的依據(jù)主要包括駁船的穩(wěn)性、強度以及主尺度等。由于現(xiàn)有浮托安裝法中，組塊設置在運輸船上的位置較高，對運輸和安裝過程中船舶的穩(wěn)性不利，同時，高位布置組塊要求所使用駁船的主尺度較大，導致安裝費用較高。大型駁船也造成導管架槽口寬度相應的增大，不利于導管架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和制造成本的降低。

該文的主要目的是基于現(xiàn)有浮托技術(shù)提出了一種海洋平臺組塊被動式浮托加牽引提升就位的安裝方法，其不僅能夠降低上部組塊在駁船上的高度，獲得更好的穩(wěn)定性，而且減少了安裝碰撞載荷，降低了環(huán)境要求，增加了駁船的選擇性，有利于節(jié)省海上安裝的工期。

1 主要安裝程序

浮托安裝的整個過程是把建造完成后的平臺上部組塊(如圖1所示)在碼頭裝船，由駁船運載至井口導管架處，并安裝到導管架上。裝船與拖航作業(yè)與傳統(tǒng)浮托安裝類似[3-5]，浮托安裝(floatover) 一般指從安裝駁船到達指定海域等待到駁船撤離的整個階段，這也是海上浮托安裝最復雜的階段。如果氣象、水文條件合適，就正式進入海上浮托安裝程序，海上安裝主要包括以下6個步驟：

圖1 組塊主體結(jié)構(gòu)圖

(1) 待機(Standby)

安裝駁船利用系泊系統(tǒng)停泊在距離導管架一定安全距離的區(qū)域等待合適的環(huán)境條件進行安裝，待機系泊系統(tǒng)布置如圖2所示。這期間一般要進行安裝準備工作，如切除部分臨時固定綁扎、準備快速壓載系統(tǒng)等。

(2) 進船(Docking)

在準備就緒和安全條件合適的情況下，駁船在進船交叉纜的作用下緩慢進入導管架槽口，并通過不同位置布置的錨纜控制其運動方向和運動速度，如圖3所示。在進船的過程中，橫蕩護舷發(fā)揮緩沖碰撞作用，進船的最終位置由駁船上的限位裝置(縱蕩護舷)碰到導管架樁腿確定，此時駁船上的組塊正好停留在導管架正上方，并且組塊腿部插尖與位于導管架樁腿的LMU(樁腿對接緩沖裝置)保持垂向?qū)χ小?/p>

圖2 待機示意圖 圖3 進船立面示意圖

(3) 對接(Mating)

通過凋節(jié)駁船的壓載系統(tǒng)壓載下沉或利用潮差使駁船緩慢下降，期間需要通過駁船的精確定位，使組塊腿插尖和導管架樁腿上的LMU精確對中，如圖4所示。駁船繼續(xù)壓載下沉至組塊腿插尖與導管架上的LMU接觸，直到組塊插尖完全進入LMU接收器內(nèi)，使得組塊重量從船上轉(zhuǎn)移到導管架上，此時整個對接過程完成，如圖5所示。

圖4 進船就位示意圖 圖5 對接完成示意圖

(4) 退船(Separation and Undocking)

繼續(xù)壓載駁船下沉，上部組塊與駁船分離，當滑靴與上部組塊之間達到一定的安全間隙時，將駁船從導管架中拖出，駁船撤離，從而完成平臺組塊的海上安裝就位工作，圖6為退船后的組塊狀態(tài)。

(5) 組塊提升(Lifting)

駁船撤離后，利用牽引提升裝置，提升上部組塊至設定高度。其次，調(diào)節(jié)設在上部組塊外四腿的牽引提升裝置載荷，分配導管架外四腿的載荷。最后，將上部組塊與導管架在外四腿處采用焊接方式進行連接，并釋放設在牽引提升裝置上的載荷。

(6) 載荷分配(Force Rebalance)

安裝內(nèi)四腿載荷分配頂升裝置，分配上部組塊在內(nèi)四腿上的載荷，將上部組塊與導管架的內(nèi)四腿采用焊接方式進行連接，同時釋放頂升裝置上的載荷。至此，整個組塊低位浮托牽引提升安裝完成，如圖7所示。

圖6 退船完成示意圖 圖7 牽引提升和載荷分配示意圖

2 安裝關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵裝置

從低位浮托安裝基本步驟可以看出，裝船、拖航、待機、進退船和對接步驟與常規(guī)浮托安裝基本類似，其關(guān)鍵技術(shù)為采用組塊低位布置在駁船進行浮托安裝和使用牽引提升裝置進行海上提升作業(yè)。

2.1 組塊在駁船上的低位布置

浮托法安裝中，從運輸?shù)桨惭b是同一條駁船，駁船的設計及參數(shù)的選擇需要考慮運輸和安裝兩方面。對于固定式平臺安裝，駁船浮托上部組塊對組塊在駁船上的高度有限制。同時，駁船需要進入平臺樁腿之間，樁腿間隙制約駁船寬度。另外，駁船在最大吃水時底部要與平臺下部基礎中間的橫撐保持安全間隙，這對駁船型深有一定的要求。綜合考慮，首先根據(jù)上部模塊的重量和平臺下部基礎的高度，在滿足穩(wěn)性的前提下，挑選盡可能小的駁船型寬和型深，從而節(jié)省安裝費用和導管架的制造成本。

從圖8、圖9對比來看，常規(guī)浮托法組塊底層甲板距離駁船甲板15 m，而低位浮托法中兩者只有5 m的距離，遠小于常規(guī)浮托法。

圖8 低位浮托拖航立面圖 圖9 常規(guī)浮托拖航立面圖

基于低位浮托設計方法，組塊在駁船上的布置有以下四點考慮：

(1) 組塊低位布置在船上，在滿足駁船穩(wěn)性的情況下選用較小的駁船，節(jié)約成本，同時減少了海上安裝的碰撞載荷。

(2) 大大減少組塊在場地的建造高度，提高了建造效率，節(jié)約了建造成本。

(3) 減少了組塊在駁船上的大型支撐結(jié)構(gòu)和綁扎固定材料。

(4) 組塊重心降低，增加了裝船時的安全性。

2.2 組塊海上提升技術(shù)

組塊海上提升技術(shù)是該安裝方法的核心技術(shù)。常規(guī)浮托中，組塊在駁船上的布置高度是根據(jù)組塊在位狀態(tài)高度進行設計，組塊和導管架對接后的狀態(tài)即為在位狀態(tài)，不需要進行高度上的調(diào)節(jié)。在低位浮托中，組塊在駁船上的布置位置較低，完成組塊和導管架對接后，組塊的高度未達到在位設計高度，這樣就需要采用海上提升技術(shù)將組塊提升至設計高度。

海上提升操作中包含兩種機械裝置，分別是牽引提升裝置和載荷分配頂升裝置。這兩種裝置的工作原理如下：牽引提升裝置安裝在組塊外四腿上，如圖10所示,每個腿包括一個套筒和插入腿。套筒和組塊的整體結(jié)構(gòu)為一體，套筒和插入腿之間有牽引裝置進行連接。套筒和提升裝置連接位置在頂層甲板腿部周圍，插入腿和提升裝置連接位置在每個外腿的頂部。組塊重量完全轉(zhuǎn)移至導管架后，插入腿和導管架連接，作為提升的支撐基礎，牽引提升裝置牽拉組塊進行提升。組塊提升至設計高度后，調(diào)節(jié)外腿牽引提升裝置上的載荷至設計值，完成外腿載荷分配。

載荷分配頂升裝置位于組塊底層甲板內(nèi)腿周圍，如圖11所示。當組塊提升至設計高度后，在組塊底層甲板內(nèi)腿周圍焊接頂升裝置支撐結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)頂升裝置載荷至內(nèi)腿的設計載荷，即完成組塊內(nèi)腿的載荷分配。

圖10 牽引提升裝置 圖11 載荷分配頂升裝置

3 實例

2014年5月位于南中國海某油田的鉆井平臺組塊采用該方法進行安裝。此油田水深110 m，采用8腿導管架。上部組塊分為3層，標高分別為19 m、24 m和29 m，安裝重量約為12 700 t。

3.1 設計模型

駁船主尺度及主要參數(shù)見表1、拖航裝載立面如圖12所示。

表1 駁船主尺度及主要參數(shù)

圖12 拖航裝載立面圖

3.2 分析方法

浮托安裝過程需要分析安裝駁船的運動和強度，評估并預測系泊系統(tǒng)、LMU、滑靴和護舷等關(guān)鍵部位的受力。建立上部組塊、導管架基礎、浮托安裝駁船和系泊系統(tǒng)的耦合多體分析模型。該模型主要分為駁船的PANEL模型，組塊和導管架的剛體模型和多體之間的耦合模型等。其中，多體耦合模型包括以下四部分：

(1) 駁船同上部組塊之間的耦合，兩者通過滑靴進行連接。實例中使用的兩條滑靴位于駁船滑道上部與組塊底層甲板大梁之間。

(2) 駁船同海底之間的耦合。該耦合是通過系泊系統(tǒng)實現(xiàn)，此次安裝實例使用了4根系泊纜。

(3) 駁船同導管架腿之間的耦合。駁船舷側(cè)裝有護舷裝置，包括橫蕩護舷和縱蕩護舷。護舷不僅減少駁船同導管架的碰撞力，同時起到駁船限位的作用。

(4) 組塊和導管架之間的耦合。組塊在下放過程中同導管架接觸是通過樁腿對接緩沖裝置(LMU)實現(xiàn)的，該緩沖裝置起到限位捕捉和減少碰撞力兩個作用。

3.3 提升操作

退船完成后進行組塊提升工作，提升的步驟已在安裝程序中做了詳細說明。

每個外四腿上的牽引提升裝置有六個拉力千斤頂，每個千斤頂能力為850 t，則每個腿的牽引裝置能力為5 100 t。根據(jù)表2所列，4個腿的牽引提升裝置中最小的安全系數(shù)為1.27。保證每個腿失效一個千斤頂，則安全系數(shù)仍大于1。

表2 組塊提升工況下外四腿設計載荷及提升裝置能力

每個內(nèi)四腿載荷分配頂升裝置包含四個千斤頂，每個千斤頂?shù)哪芰?00 t，詳細數(shù)據(jù)見表3。

表3 組塊內(nèi)四腿設計載荷及頂升裝置能力

4 結(jié)論

隨著浮托法安裝技術(shù)的應用越來越廣泛，在原有成熟的浮托技術(shù)基礎之上，對其進行優(yōu)化和創(chuàng)新的技術(shù)也越來越多，低位浮托技術(shù)就是成功案例之一?，F(xiàn)對此方法的五點闡述如下：

(1) 與傳統(tǒng)浮托方法相比，該方法降低了組塊在駁船上的固定高度，增加了船舶穩(wěn)性。

(2) 降低了組塊重心，減少對船舶穩(wěn)性的要求，在駁船選型上有了更大的空間，減少安裝費用。

(3) 減小駁船尺度，降低對導管架槽口間隙的尺寸要求，有利于控制導管架的制造費用。

(4) 減少了系統(tǒng)的運動和安裝時的碰撞載荷，降低了浮托環(huán)境要求，擴大了安裝氣候窗，有利于海上安裝的工期選擇。

(5) 提升操作過程是在組塊重量完全轉(zhuǎn)移到導管架上之后進行的，屬于靜態(tài)提升，大大增加了海上提升操作的安全性。

此方法在施工上還存在部分缺點：

(1) 由于此方法采用了海上提升的操作，增加了海上施工的危險性和復雜性，同時增加了提升和頂升等設備的費用。

(2) 提升操作的設計要求增加了組塊腿部結(jié)構(gòu)設計的復雜性。

總體來說，低位浮托方法具備了優(yōu)化船型和平臺結(jié)構(gòu)、增加海上操作安全性以及提高作業(yè)效率的特點，是對浮托技術(shù)的一種創(chuàng)新式的嘗試。該技術(shù)的應用成功，為發(fā)展深海大型平臺的安裝提供了新的借鑒方法，進一步鞏固了浮托法安裝在海洋石油工程領域的重要地位。

[1] GL Nobel Denton.General Guidelines for Marine Projects[S].2013.

[2] GL Nobel Denton. Guidelines for Float-Over Installations/Removals[S].2013.

[3] 許鑫,楊建民,李欣.浮托法安裝的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J].中國海洋平臺, 2012,27(1):44-53.

[4] 廖紅琴,蔡元浪,毛程亮,等.大型平臺冬季浮托技術(shù)的開發(fā)與應用[J].中國造船, 2014,55(1):158-163.

[5] 楊小龍,高定全,董寶輝,等.T型駁運載超大型組塊運動特性分析[J].船海工程, 2013,42(1):129-131.

[6] 李達,范模,易叢,等.海洋平臺組塊浮托安裝總體設計方法[J].海洋工程, 2011,29(3)：13-22.

Passive Floatover Installation Method with Lifting for Large Deck of Drilling Platform in South China Sea

ZHANG Guang-lei, DONG Bao-hui, YANG Xiao-long, CHEN Feng, GONG Xue

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

For offshore installation of drilling platform topsides in the South China Sea, low-deck floatover method is described and analyzed systematically based on the weight of topsides, environmental condition of the South China Sea and combined with ship characteristics. In this method, offshore strand-jack lifting technique is used. Moreover, from economic and security, this paper discusses the adaptability of the low-deck floatover installation and operability of strand-jack lifting technique. This method enriches the offshore installation technology for large deck in the South China Sea. Theoretical analysis of this method and successful implementation in offshore installation has an important guide and reference to the similar offshore platform installation.

offshore strand-jack lifting； passive； low-deck floatover

2014-09-22

張廣磊(1984-)，男，工程師。

1001-4500(2015)05-0013-06

P75

A