HZJ70DB海洋模塊鉆機(jī)的安裝與計(jì)算

仝兆盤　何軍國(guó)　王祥偉　徐曉磊　苗治軍　陳軍鵬

摘 要：為確保海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)安裝經(jīng)濟(jì)、方便、安全、可靠，結(jié)合海洋工程通常的操作方法及規(guī)范要求，提出黃巖1-1/黃巖2-2海上石油固定平臺(tái)HZJ70DB型海洋模塊鉆機(jī)的模塊劃分方案，設(shè)計(jì)其裝船、拖航與海上吊裝方案，并運(yùn)用有限元法，對(duì)海洋模塊鉆機(jī)安裝過(guò)程進(jìn)行基本計(jì)算與分析，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，為海洋模塊鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝與優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：海洋模塊鉆機(jī)；裝船；拖航；吊裝

中圖分類號(hào)：TE951 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2017）06-0084-03

Hook up and Calculation to the HZJ70DB Offshore Modular Drilling Rig

Tong Zhaopan He Junguo Wang Xiangwei Xu Xiaolei Miao Zhijun Chen Junpeng

（RG Petro-machinery Group Co.， Ltd.，Nanyang Henan 473006 ）

Abstract： In order to meets for the following hook up requirements of the offshore modular rig on the fixed platform， such as economy， convenience， security， reliability， this paper combined with the traditional operation method and code at the present， designed the shipping， towing， and lifting scheme for the HZJ70DB offshore drilling rig on the fixed platform HY1-1/HY2-2. Using the FEA to the hook up of the offshore drilling rig， the analysis result meets for the code requirement， and ensured the design reliability.

Keywords： offshore modular rig；shipping；towing；lifting

1 研究背景

海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)（簡(jiǎn)稱海洋鉆機(jī)）是實(shí)現(xiàn)海上石油與天然氣勘探和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵裝備。隨著海洋石油開(kāi)發(fā)力度不斷加大和技術(shù)成熟，適應(yīng)淺水作業(yè)環(huán)境的海上石油固定平臺(tái)的作業(yè)水深在逐步加大，由早期30m以內(nèi)水深，逐漸超過(guò)100m的水深，而海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)也呈現(xiàn)出大型化、重型化、綜合型的趨勢(shì)。

海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)安裝方式，由于平臺(tái)組塊自身尺寸及重量均較大，海洋鉆機(jī)需要單獨(dú)進(jìn)行海上運(yùn)輸和海上吊裝。而對(duì)此種安裝方式，海洋鉆機(jī)需要單獨(dú)裝船、海運(yùn)、進(jìn)行海上吊裝。海洋環(huán)境條件（包括水深、風(fēng)、波浪、海流、海冰等海況條件）以及離岸遠(yuǎn)近[1]，影響海洋鉆機(jī)的安裝作業(yè)，需要對(duì)海洋鉆機(jī)安裝過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和計(jì)算，確保安裝方案的可行性、安全性和可靠性。

通常依據(jù)“質(zhì)量劃分、結(jié)構(gòu)相關(guān)性、功能完整性、移運(yùn)性能”等原則來(lái)劃分海洋鉆修機(jī)模塊[2]。然而，海洋鉆機(jī)模塊的劃分并非一成不變，需要綜合分析各種因素，在質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、功能、移運(yùn)、安裝、成本等方面進(jìn)行綜合性分析。很多的時(shí)候，海洋鉆機(jī)的運(yùn)輸安裝方式?jīng)Q定其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、質(zhì)量分配、功能區(qū)重組。例如，浮吊的吊重能力、吊裝高度及回轉(zhuǎn)半徑，決定了海洋鉆機(jī)模塊的大小，影響其模塊的劃分方式[3]。

海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)安裝進(jìn)行有限元分析，對(duì)于鉆機(jī)結(jié)構(gòu)模塊來(lái)說(shuō)，一般可直接用ANSYS等通用軟件進(jìn)行計(jì)算，然后結(jié)合規(guī)范分析要求，應(yīng)用軟件語(yǔ)言，編制二次程序，進(jìn)行運(yùn)算求解，得出相關(guān)規(guī)范值，如長(zhǎng)細(xì)比、綜合應(yīng)力、穩(wěn)定性判定值等[4]。

2 HZJ70DB海洋鉆機(jī)簡(jiǎn)介

HZJ70DB海洋鉆機(jī)主要由鉆井設(shè)備模塊（即DES，包括鉆臺(tái)、下移動(dòng)底座）、井架及天車、絞車總成、轉(zhuǎn)盤及驅(qū)動(dòng)裝置、頂驅(qū)、鐵鉆工、鉆井支持模塊（即DSM，包括發(fā)電機(jī)組與控制模塊、泥漿池模塊、空氣壓縮機(jī)模塊等）、暖通設(shè)備、安全消防設(shè)備、電氣設(shè)備、儀表及通訊設(shè)備、井控系統(tǒng)、灰罐系統(tǒng)等組成[5]。

在進(jìn)行HZJ70DB海洋鉆機(jī)模塊劃分與安裝方案設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)遵循如下原則：對(duì)于大的模塊進(jìn)行充分組合，減少浮吊次數(shù)，降低作業(yè)對(duì)氣候窗口時(shí)間的要求；對(duì)于小型模塊，進(jìn)一步細(xì)分，充分利用平臺(tái)吊機(jī)進(jìn)行吊裝作業(yè)，降低成本。

3 海洋鉆機(jī)裝船方案

海洋鉆機(jī)裝船方式的確定應(yīng)綜合考慮各模塊或組合模塊的重量和重心、總體尺寸、組裝碼頭的前沿承載能力、運(yùn)輸駁船的有效甲板面積及其調(diào)載能力等多種因素。通?？刹捎玫跹b裝船或滑移裝船兩種方式。

3.1 吊裝裝船

大型海洋鉆機(jī)模塊的吊裝裝船即通過(guò)起重船，把模塊直接吊裝到運(yùn)輸駁船上。通常適應(yīng)小型的鉆機(jī)模塊，或者對(duì)大模塊采用大型浮吊。當(dāng)采用大型浮吊作業(yè)時(shí)，需要支出昂貴的租賃費(fèi)用，且對(duì)吊裝時(shí)的天氣和潮汐要求苛刻，即需選擇適宜的作業(yè)氣候窗，否則吊裝作業(yè)難以實(shí)施，甚至無(wú)法實(shí)施。

3.2 滑移裝船

滑移裝船技術(shù)是利用絞車系統(tǒng)將大型結(jié)構(gòu)物平穩(wěn)地牽引到駁船上[6]。在滑移裝船過(guò)程中，當(dāng)海洋鉆機(jī)模塊（例如鉆井設(shè)備模塊或支持模塊）由碼頭滑道開(kāi)始轉(zhuǎn)移到駁船滑道時(shí)，需要通過(guò)駁船測(cè)控系統(tǒng)仔細(xì)地調(diào)節(jié)壓載水艙的壓載水量，動(dòng)態(tài)調(diào)整駁船的姿態(tài)，以克服由于模塊重心的移動(dòng)和潮汐變化對(duì)駁船浮態(tài)、穩(wěn)性的影響，保證模塊順利地被牽引到駁船上。

通過(guò)對(duì)HZJ70DB海洋鉆機(jī)結(jié)構(gòu)分析，其DES模塊外形尺寸大于18.6m×23.2m×13.2m，干重超過(guò)850t；DSM模塊外形尺寸大于29.8m×19.6m×10.7m，干重超過(guò)1 000t，決定采用滑移裝船方式。

4 海洋鉆機(jī)拖航方案

海洋鉆機(jī)海上運(yùn)輸大多采取駁船加拖輪運(yùn)輸?shù)姆绞?，拖輪?yīng)具有足夠的功率和噸位，在選定的海洋環(huán)境條件下能夠保持適當(dāng)?shù)暮剿?，包括所在海域條件下的設(shè)計(jì)風(fēng)速，能抵抗波浪的作用力。

為提高海洋鉆機(jī)拖航的可靠性，需要設(shè)計(jì)必要的工裝，把海洋鉆機(jī)與駁船進(jìn)行裝船固定。

對(duì)目前海洋工程常用的運(yùn)輸船及其船型和其載重能力進(jìn)行分析（見(jiàn)表1），HZJ70DB海洋鉆機(jī)設(shè)計(jì)采用夢(mèng)娜公主進(jìn)行海洋運(yùn)輸。

5 海洋鉆機(jī)海上吊裝方案

吊裝作業(yè)計(jì)算的內(nèi)容包括被吊裝結(jié)構(gòu)（即海洋鉆機(jī)模塊）、工裝和吊索具等。吊裝作業(yè)前應(yīng)進(jìn)行吊裝作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)分析。

5.1 平臺(tái)吊機(jī)

對(duì)于輕型模塊鉆機(jī)，由于模塊尺寸較小、重量較輕（例如，每橇小于18t），可用平臺(tái)吊機(jī)進(jìn)行安裝（平臺(tái)通常配有一臺(tái)35t或40t柴油機(jī)作為動(dòng)力的吊機(jī)）。對(duì)于大型模塊鉆機(jī)配套的設(shè)備模塊，如HZJ70DB海洋鉆機(jī)采用多段自升式海洋鉆井井架，對(duì)井架模塊進(jìn)行小模塊、輕型化設(shè)計(jì)，就可以通過(guò)平臺(tái)吊機(jī)進(jìn)行安裝。

5.2 海上浮吊

為減少海上吊裝時(shí)間，為氣候窗的選擇提供便利，大型海洋鉆機(jī)通常設(shè)計(jì)成幾個(gè)大的模塊，例如，鉆機(jī)設(shè)備模塊、鉆井支持模塊等，井深5 000m及以上海洋鉆機(jī)結(jié)構(gòu)模塊通常較大，當(dāng)支持模塊采用整體設(shè)計(jì)時(shí)，其模塊干重往往超過(guò)1 000t。當(dāng)鉆機(jī)設(shè)備模塊，即下底座模塊與鉆臺(tái)模塊整體吊裝時(shí)，其重量往往接近或超過(guò)1 000t，分開(kāi)成兩個(gè)模塊時(shí)，單個(gè)模塊重量也在500t左右。這些大而重的模塊通常采用海上浮吊方案。

通過(guò)分析，HZJ70DB海洋鉆機(jī)DES和DSM模塊須采用海上浮吊方案，大部分鉆井設(shè)備（如井架）采用平臺(tái)吊機(jī)安裝方案。

當(dāng)采用海上浮吊方案時(shí)，起重船應(yīng)滿足吊裝海況下模塊鉆機(jī)對(duì)吊重、跨距和吊高的要求。尤其要注意，吊裝過(guò)程不能與平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)碰撞，對(duì)可能出現(xiàn)碰撞的結(jié)構(gòu)應(yīng)提前采取防護(hù)措施，或在平臺(tái)上設(shè)計(jì)安裝加長(zhǎng)滑道。

6 海洋鉆機(jī)安裝有限元計(jì)算

通過(guò)對(duì)東海黃巖HZJ70DB海洋模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)分析，海洋鉆機(jī)在安裝時(shí)可以分為鉆井支持模塊DSM、鉆機(jī)下底座模塊DES A、鉆臺(tái)模塊DES B、井架模塊共4個(gè)大的模塊和其他小模塊。

下底座模塊結(jié)構(gòu)吊裝重量約600t，外形尺寸18.6m×23.2m×11.2m。綜合考慮井口平臺(tái)結(jié)構(gòu)及安裝方案、海洋鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)及重量分布、業(yè)主現(xiàn)有船舶及吊機(jī)資源、海洋鉆機(jī)安裝費(fèi)用預(yù)算等，下底座模塊基本設(shè)計(jì)時(shí)，采取單獨(dú)滑移裝船、拖航和海上吊裝。

現(xiàn)在以此海洋鉆機(jī)下底座模塊安裝過(guò)程為例，進(jìn)行有限元計(jì)算及分析。其他大模塊的安裝及計(jì)算方法與此相同。下底座模塊計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

6.1 滑移裝船計(jì)算

下底座模塊底部設(shè)計(jì)4個(gè)滑靴，前后兩對(duì)滑靴互相平行，通過(guò)駁船絞車從建造場(chǎng)地牽引至駁船，前后兩對(duì)滑靴分別同時(shí)上船。由于下底座模塊為非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，各部分重量不均，為保證下底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和駁船的安全，必須把碼頭與駁船間滑道的水平度控制在工程實(shí)踐允許的范圍內(nèi)。

下底座模塊裝船分析中需要考慮不平衡拖力，軌道沉降和支點(diǎn)失效的影響。啟動(dòng)力以摩擦系數(shù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并且施加在一對(duì)被拖拉的滑靴上。不平衡力以摩擦系數(shù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并且施加在一對(duì)被拖拉的滑靴上。

6.2 拖航計(jì)算

海洋鉆機(jī)拖航參數(shù)一般有兩種情況，即內(nèi)海拖航和大洋拖航。

海洋鉆機(jī)設(shè)備提供方主要考慮模塊本身的固定及拖航時(shí)的強(qiáng)度，至于駁船的強(qiáng)度和穩(wěn)性分析一般由平臺(tái)組塊方設(shè)計(jì)考慮。

在拖航工況中，按照AISC 335規(guī)范，許用應(yīng)力可以提高1/3。

HZJ70DB海洋鉆機(jī)拖航分析選取10a重現(xiàn)期，持續(xù)時(shí)間3s的風(fēng)速來(lái)計(jì)算風(fēng)荷載，并作為環(huán)境荷載施加在結(jié)構(gòu)模型上。計(jì)算駁船運(yùn)動(dòng)慣性荷載時(shí)，以駁船浮心作為橫搖和縱搖的中心。橫搖用R表示，縱搖用P表示，升沉用H表示。

HZJ70DB海洋鉆機(jī)為內(nèi)海拖航，不考慮實(shí)際海浪譜作用，在拖航過(guò)程中，駁船的運(yùn)動(dòng)參數(shù)按表2選取。

6.3 海上吊裝計(jì)算

吊裝分析假定吊鉤位于下底座模塊重心的正上方。

根據(jù)API RP 2A（WSD）中相關(guān)規(guī)定，對(duì)于海上安裝，與吊點(diǎn)直接相連構(gòu)件考慮2.0倍動(dòng)力放大系數(shù)，其他構(gòu)件考慮1.35倍動(dòng)力放大系數(shù)。吊裝分析中，許用應(yīng)力不允許提高。

分析時(shí)，為使模型穩(wěn)定，加快收斂速度，吊鉤處邊界條件為全約束，并使用3個(gè)彈簧元對(duì)水平方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)HZJ70DB模塊鉆機(jī)所有單獨(dú)安裝模塊的有限元計(jì)算分析，各個(gè)工況下的綜合校驗(yàn)值（即UC值）均小于1，滿足AISC 335[7]規(guī)范和API RP 2A規(guī)范計(jì)算要求。

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