南海浮托安裝縱蕩限位裝置設(shè)計

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海上作業(yè)平臺正向著大型化、集約化發(fā)展[1]，海洋平臺上部組塊結(jié)構(gòu)物的整體重量也隨之增加。浮托法由于巨大優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用[2]，已成功地將整體上部組塊安裝到各種固定式結(jié)構(gòu)或浮式海洋平臺上[3-4]。中國南海特有的海域環(huán)境，在300～500 m水深范圍內(nèi)，有很多未開發(fā)的油氣田，僅就技術(shù)上初步判斷，導(dǎo)管架平臺是一種可行的干樹方案[5]，并且導(dǎo)管架平臺作為目前最為成熟的平臺，也在世界上得到了廣泛應(yīng)用[6]。針對南海浮托安裝深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了一種縱向限位裝置縱蕩擋板，可以實現(xiàn)浮托進(jìn)船后快速就位，并能在整個組塊對接過程中穩(wěn)定船舶縱向運動，與傳統(tǒng)縱向纜就位方式相比具有更高精度及便利性，有效降低了浮托安裝就位難度，降低了操作風(fēng)險。

1 南海浮托安裝就位方式設(shè)計思路

組塊海上浮托安裝關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)安裝船快速進(jìn)入導(dǎo)管架并安全地實現(xiàn)載荷轉(zhuǎn)移，由于外界環(huán)境對組塊海上浮托安裝作業(yè)影響較大，在安裝過程中需要特定的設(shè)備或裝置協(xié)助完成海上安裝[7-8]。國內(nèi)常規(guī)浮托安裝導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式見圖1。

渤海導(dǎo)管架通常設(shè)計成直立形式，安裝船舶縱蕩護(hù)舷可以直接觸碰進(jìn)船面導(dǎo)管架腿實現(xiàn)縱蕩限位。對于南海浮托安裝項目，浮托安裝進(jìn)船面導(dǎo)架結(jié)構(gòu)形式為單斜或者雙斜，安裝船上縱蕩護(hù)舷與導(dǎo)管架腿觸碰后無法穩(wěn)定船舶縱向運動，而組塊對接過程需要保證船舶在垂直方向內(nèi)運動，要求組塊對接裝置LMU(leg matting unit)上半部分水平運動不能太大，不能超過插尖捕捉半徑[9]，需設(shè)計浮托安裝縱向限位方案，目前主要有兩種。

1)縱向纜限位方案。荔灣3-1中心平臺組塊浮托安裝中采用了縱向纜定位方案，見圖2、3。

安裝船舶到達(dá)就位點附近后利用船上絞車收放連接導(dǎo)管架的縱向纜控制船舶達(dá)到最終對接位置。實際使用后發(fā)現(xiàn)單靠纜繩與絞車配合定位較為困難，船舶在縱向纜拖拉下克服海水靜摩擦力后由于慣性仍然會繼續(xù)運動，需反復(fù)調(diào)整絞車?yán)|繩收放進(jìn)行就位，作業(yè)步驟多，就位時間長，影響浮托安裝效率。

2)縱蕩擋板限位方案。通過在導(dǎo)管架一定標(biāo)高范圍內(nèi)安裝縱蕩限位裝置(縱蕩擋板)，浮托安裝時安裝船上縱蕩護(hù)舷與導(dǎo)管架上縱蕩擋板觸碰實現(xiàn)縱向限位，見圖4。

該方案在文昌9-2/9-3中心平臺組塊浮托安裝中已經(jīng)成功應(yīng)用，現(xiàn)場工作人員反饋操作簡便，海上作業(yè)效率高且風(fēng)險可控。

2 浮托安裝縱蕩裝置使用背景及設(shè)計原則

對于南海深水導(dǎo)管架浮托安裝，為了減小對接時插尖運動，并且確保對接直至開始退船壓載過程中船舶沿船長方向上位置保持穩(wěn)定，需要將浮托縱蕩擋板設(shè)計成豎直平面結(jié)構(gòu)形式，并考慮以下幾點要求。

1)縱蕩擋板布置應(yīng)降低進(jìn)船過程中橫向碰撞風(fēng)險。

2)縱蕩擋板上下緣標(biāo)高應(yīng)確?？v蕩護(hù)舷在整個潮汐周期內(nèi)可與其相碰。

3)浮托預(yù)進(jìn)船階段應(yīng)嚴(yán)格控制船艏運動，盡量避免船艏與縱蕩擋板發(fā)生橫向碰撞。

3 浮托安裝縱蕩擋板設(shè)計方法

3.1 縱蕩擋板上下緣標(biāo)高確定

以最高天文潮時進(jìn)船確定縱蕩護(hù)舷碰撞點上緣標(biāo)高，以最低天文潮時退船確定縱蕩護(hù)舷碰撞點下緣標(biāo)高，上下端考慮0.5 m水深測量誤差余量作為縱蕩擋板上下緣標(biāo)高界限，見圖5、6。采用這種結(jié)構(gòu)形式可以使得船舶適應(yīng)24 h潮汐變化，確保船舶縱向位置穩(wěn)定。

3.2 縱蕩擋板偏角確定

常規(guī)浮托安裝中橫蕩護(hù)舷安裝在駁船兩側(cè)，與導(dǎo)管架外腿凈間隙僅有0.1 m，浮托安裝預(yù)進(jìn)船階段(船艏距離導(dǎo)管架腿4m)在艏搖運動作用下船艏發(fā)生橫向運動，為了避免碰撞縱蕩擋板，需將縱蕩擋板向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)以便浮托進(jìn)船作業(yè)。根據(jù)海上安裝現(xiàn)場經(jīng)驗及海洋石油228(HYSY228)駁船船艏導(dǎo)軌縮進(jìn)角度，文昌9-2/9-3項目中縱蕩擋板偏角為17°，見圖7。

3.3 縱蕩擋板箱體及生根設(shè)計

縱蕩擋板箱體及生根結(jié)構(gòu)形式見圖8，其中上部及下部生根用于連接浮托安裝導(dǎo)管架，縱蕩擋板箱體用于直接碰撞縱蕩護(hù)舷抵抗碰撞力。其中縱蕩擋板內(nèi)緣應(yīng)設(shè)計為導(dǎo)角形式，避免破壞橡膠護(hù)舷，整個縱蕩擋板箱體內(nèi)設(shè)置一系列加強筋增加結(jié)構(gòu)強度。上下生根位置偏轉(zhuǎn)需保證縱蕩擋板箱體豎直方向為一條直線。若縱蕩擋板生根處導(dǎo)管架壁厚較薄，可以考慮在相關(guān)位置增設(shè)加強環(huán)并在生根處貼板，增加導(dǎo)管架局部強度。浮托完后后縱蕩擋板作為臨時構(gòu)構(gòu)件需要進(jìn)行拆除。

4 縱蕩擋板強度分析計算

設(shè)計浮托縱蕩擋板是為抵抗縱蕩護(hù)舷正面碰撞，在進(jìn)退船過程中盡量避免橫蕩護(hù)舷與之發(fā)生橫向碰撞，但在極限狀況下，為保證浮托安全，浮托縱蕩擋板需具有一定程度抵抗橫向碰撞載荷的能力，文昌9-2/9-3浮托安裝項目中浮托縱蕩擋板橫向碰撞強度設(shè)計能力為3 000 kN。

采用SESAM[10-11]進(jìn)行有限元模擬計算，有限元網(wǎng)格(網(wǎng)格尺寸100 mm)劃分及板厚分布模型見圖9。

載荷以分布力形式施加在長0.3 m、高0.8 m的矩形斜向板上，沿駁船船寬方向，見圖10。

計算工況見表1，進(jìn)船及退船分別對應(yīng)于LC1及LC2兩項，強度衡準(zhǔn)為

Von Mises：0.9Fy=0.9×345 MPa=310.5 MPa

縱蕩擋板各個部分強度核算結(jié)果見表2。

表2 縱蕩擋板結(jié)構(gòu)強度統(tǒng)計 MPa

由表2計算結(jié)果表明，縱蕩擋板結(jié)構(gòu)形式滿足強度要求，對比進(jìn)退船兩種工況計算結(jié)果，進(jìn)船時由于碰撞點位于箱體上部(高潮位進(jìn)船)，生根較長，同等碰撞力下產(chǎn)生更大彎矩，顯著影響縱蕩擋板局部應(yīng)力分布，因此浮托安裝進(jìn)船時需盡量控制船舶艏搖，降低縱蕩擋板橫向碰撞風(fēng)險。

5 縱蕩擋板實施效果及經(jīng)濟(jì)效益

5.1 就位時間對比

組塊浮托安裝從進(jìn)船、組塊對接到退船整個作業(yè)時間需要12～16 h，浮托安裝組塊到達(dá)對接位置并切割臨時支撐后，即進(jìn)入浮托必須執(zhí)行階段，安裝船舶壓載至指定吃水，將組塊重量轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架。該工況屬于高風(fēng)險工況，環(huán)境變化將影響浮托作業(yè)安全，因此，船舶在導(dǎo)管架中作業(yè)時間越短，作業(yè)風(fēng)險越低。對比縱向纜限位及縱蕩擋板限位兩種方案，縱向纜限位就位時間需要3 h，改為縱蕩擋板限位后僅需0.5 h即可完成組塊就位，就位時間縮短為原來的1/6，效率提升顯著。

5.2 LMU插尖運動對比

縱向纜及縱蕩擋板就位方式LMU水平向運動對比見表3。

表3 LMU插尖水平運動對比 m

相對于柔性的縱向纜就位形式，縱蕩擋板結(jié)構(gòu)剛度較大，更有利于限制船體縱向運動，穩(wěn)定插尖水平位置，以便于LMU接收器捕捉插尖進(jìn)行組塊重量轉(zhuǎn)移。

5.3 縱蕩擋板經(jīng)濟(jì)效益

與縱向纜就位方式相比，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本見表4。

表4 縱蕩擋板經(jīng)濟(jì)效益(節(jié)約成本)

在就位成功前提下，表4中成本核算顯示縱蕩擋板方案可以節(jié)約安裝成本23.8萬元，但是縱向纜就位其不確定性可能導(dǎo)致就位失敗，需要船隊繼續(xù)待機等待下一個天氣窗口，這種情況將導(dǎo)致安裝成本急劇增加。

6 結(jié)論

1)相比以往縱向纜就位方式，采用浮托縱蕩擋板就位可以減少浮托就位時間，提升浮托安裝整體效率。

2)有助于確保浮托作業(yè)從進(jìn)船到對接完成階段船舶縱向穩(wěn)定、便于LMU接收器快速捕捉組塊插尖。

3) 縱蕩擋板垂向長度設(shè)計較長，足夠維持安裝船舶整個浮托安裝周期內(nèi)適用于各種海上潮汐狀況，增加浮托安裝成功率。

4)海上安裝環(huán)境變化瞬息萬變，浮托安裝作業(yè)受環(huán)境影響顯著，減少浮托安裝時間有助于降低浮托作業(yè)風(fēng)險。

5)新型浮托縱蕩擋板適用于大部分南海深水導(dǎo)管架浮托安裝項目，具有易用性，已經(jīng)推廣在東方13-2項目中進(jìn)行設(shè)計應(yīng)用。