一種新型樁腿耦合裝置的應(yīng)用

阮志豪，趙慶凱，張萬里，王文娟，劉登輝

（1. 能威（天津）海洋工程技術(shù)有限公司，天津 300392； 2. 中海石油（中國(guó)）有限公司 天津分公司，天津 300452）

0 引 言

導(dǎo)管架式固定平臺(tái)主要包括上部組塊和導(dǎo)管架2部分，一般需在海上對(duì)接安裝，其中上部組塊的安裝方法主要有吊裝法和浮托法2種[1]。傳統(tǒng)的吊裝法主要利用海上浮吊將上部組塊吊起來之后安裝到導(dǎo)管架上；浮托法則是通過調(diào)節(jié)駁船的吃水差，利用浮力將上部組塊整體浮托安裝到導(dǎo)管架上。與吊裝法相比，浮托法可解決超大、超重組塊的海上安裝問題，避免繁瑣的作業(yè)程序，減少海上連接調(diào)試的時(shí)間[2]。

浮托法可按照浮托駁船使用數(shù)量的不同分為單船浮托法和雙船浮托法，這2種方法均通過調(diào)整載有上部組塊的駁船的吃水來改變上部組塊相對(duì)導(dǎo)管架樁腿的高度，將上部組塊的荷載轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上。轉(zhuǎn)移上部組塊荷載（上部組塊樁腿與導(dǎo)管架樁腿對(duì)接）是浮托技術(shù)的核心。在轉(zhuǎn)移荷載過程中，上部組塊樁腿與導(dǎo)管架不可避免地會(huì)產(chǎn)生非常大的碰撞力，為減小該碰撞力，需安裝一種緩沖裝置。樁腿耦合裝置（Leg Mating Unit，LMU）用于在上部組塊插尖與導(dǎo)管架樁腿對(duì)接過程中發(fā)揮緩沖碰撞作用，是采用浮托法進(jìn)行海上安裝的最重要裝置之一[3]。

隨著海上油氣田不斷被開發(fā)，大型海上平臺(tái)越來越多，大型組塊的浮托安裝方式必將得到更加廣泛的應(yīng)用，而樁腿耦合裝置作為整體浮托安裝的關(guān)鍵部件，必將越來越多地出現(xiàn)在各種平臺(tái)上。因此，研制新型樁腿耦合裝置技術(shù)對(duì)我國(guó)海洋工程技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。

1 單船浮托法

單船浮托法（見圖1）是指用駁船將建造完成的平臺(tái)上部組塊運(yùn)載至大開口導(dǎo)管架的相應(yīng)位置處駁船拋錨定位并加壓載，使上部組塊與導(dǎo)管架對(duì)接，對(duì)接完成之后駁船駛出大開口導(dǎo)管架，由此完成上部組塊的海上安裝。

圖1 單船浮托法示意

采用單船浮托法安裝必須滿足以下條件：

1) 駁船的排水量足以滿足托起上部組塊的需求，并有足夠的儲(chǔ)備浮力，以克服潮汐變化；

2) 導(dǎo)管架中間必須有開口，且槽口的寬度要比所選用駁船的型寬大，槽口的深度要比所選用駁船設(shè)計(jì)的退船吃水更深，以適合駁船進(jìn)出；

3) 導(dǎo)管架所在海域必須有足夠的水深。

在浮托安裝過程中，LMU置于上部組塊插尖與導(dǎo)管架樁腿對(duì)接處，通過焊接固定在導(dǎo)管架上端。LMU主要由插尖、錐形接收器、水平橡膠、垂向橡膠、沙箱和外套筒等部件組成（見圖2）。

2 雙船浮托法

圖2 傳統(tǒng)LMU結(jié)構(gòu)示意

2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

雙船浮托法（見圖3）是利用2艘同型駁船同步排載托舉上部組塊的方法，與傳統(tǒng)的單船浮托法相比，具有制約因素少、適用噸位大等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)管架中間無須設(shè)置開口，可保持導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的完整性。該方法不僅適用于Spar等類型海洋平臺(tái)上部組塊的安裝，還可應(yīng)用于各種海洋平臺(tái)上部組塊的整體拆除[4-5]。

采用雙船浮托法安裝海洋平臺(tái)上部組塊已有成功的工程案例，例如：2005年 ODL公司采用該方法為委內(nèi)瑞拉 Conocono WHP固定式海洋平臺(tái)安裝重約 1500t的上部模塊；2006年Technip公司采用該方法為馬來西亞Murphy石油公司的Spar平臺(tái)安裝重約3500t的上部模塊。通過這些項(xiàng)目，雙船浮托法在一定程度上得到更多關(guān)注。雙船浮托法具有廣闊的應(yīng)用前景，研究開發(fā)雙船浮托法相關(guān)技術(shù)和裝備對(duì)我國(guó)海洋石油開發(fā)行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

圖3 雙船浮托法示意

2.2 作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

與單船浮托法相比，在雙船浮托法中，當(dāng)上部組塊的重量轉(zhuǎn)移到運(yùn)動(dòng)中的2艘浮托船上時(shí)，由于2艘浮托船在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不一致，使得波浪的能量傳遞到運(yùn)動(dòng)中的駁船上，并聚集在連接浮托船與上部組塊的LMU上，對(duì)上部組塊桿件的結(jié)構(gòu)和LMU產(chǎn)生影響，增加海上作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，當(dāng)采用雙船浮托法整體拆除海上平臺(tái)上部組塊[6]時(shí)，平臺(tái)改造引起的重心和重量不確定的問題也會(huì)極大地增加海上作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述問題，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于雙船浮托法安裝和拆除上部組塊的新型LMU，通過配裝液壓千斤頂解決重心不確定的問題，通過將半球形支撐點(diǎn)與托碗相配合解決雙船浮托中的能量聚集問題。

3 新型半球LMU

3.1 重心不確定問題解決辦法

與單船浮托法相比，雙船浮托法需解決2艘船協(xié)同操作的問題。傳統(tǒng)的帶有垂向彈性體和橫向彈性的LMU緩沖裝置（即樁腿耦合器）只適用于單船浮托法；這里提出的新型LMU在傳統(tǒng)LMU的基礎(chǔ)上將接收器、橡膠墊和千斤頂糅合到對(duì)接緩沖器中，以此降低拆除上部組塊時(shí)因其重量和重心不確定而引起的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

新型LMU的結(jié)構(gòu)示意見圖4和圖5，船側(cè)支撐結(jié)構(gòu)[7]在支撐架上設(shè)有向船外延伸的懸臂，懸臂上固接有套筒，套筒內(nèi)從下到上設(shè)有千斤頂、剛性支座、緩沖裝置和半球形支撐點(diǎn)。緩沖裝置包括從上到下交叉疊放在一起的多層橡膠片和鐵片。

在轉(zhuǎn)移重量過程中，液壓千斤頂起關(guān)鍵作用，用來傳力，通過油路相通糾正上部組塊的重心。兩浮托船上LMU的液壓千斤頂油路相通，在轉(zhuǎn)換重量期間，所有液壓千斤頂形成一個(gè)閉式回路的液壓系統(tǒng)，當(dāng)上部組塊的重心有偏移時(shí)，通過液壓千斤頂活塞的自動(dòng)伸縮使液壓千斤頂均勻受力，即各LMU的支反力相等。由此所有LMU都可以相同的支反力為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既經(jīng)濟(jì)又安全；另一方面，利用新型LMU，在轉(zhuǎn)換重量過程中，兩浮托船的協(xié)同操作無須考慮重量不均的因素，可在很大程度上降低對(duì)兩浮托船協(xié)同作業(yè)的要求。

圖4 船側(cè)支撐結(jié)構(gòu)與LMU連接示意

圖5 新型半球LMU模型

3.2 能量聚集問題解決辦法

如圖5所示：半球形支撐點(diǎn)的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)有與半球形支撐點(diǎn)適配的托碗，托碗與半球形支撐點(diǎn)形成球面接觸，且二者的動(dòng)摩擦因數(shù)＜0.1；托碗下設(shè)有支撐芯軸，穿過緩沖裝置固定在剛性支座上；支撐芯軸的上部固接有托碗支撐結(jié)構(gòu)，外輪廓為筒狀結(jié)構(gòu)；托碗支撐結(jié)構(gòu)的筒狀外壁上嵌裝有緩沖橡膠片，其外側(cè)表面與套筒的內(nèi)側(cè)表面接觸。

與單船浮托法相比，雙船浮托法對(duì)浪向的改變更加敏感，尤其是在2艘單船與上部組塊結(jié)合為一體的狀態(tài)下，該組合體抵抗風(fēng)浪的能力較差。在這種情況下，每艘單船與上部組塊的連接是雙船浮托法需解決的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)問題。

在使用托碗結(jié)構(gòu)與半球形支撐點(diǎn)形成球面接觸且二者的動(dòng)摩擦因數(shù)＜0.1之后，接觸面之間只傳遞垂向重力而基本上不傳遞船舶自身橫搖引起的彎矩，從而保護(hù)上部組塊的桿件結(jié)構(gòu)和浮托駁船的支撐結(jié)構(gòu)，從總體上降低對(duì)2艘船舶的協(xié)同性要求和對(duì)船側(cè)支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，進(jìn)而降低海上操作的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6為新型半球LMU轉(zhuǎn)動(dòng)示意，當(dāng)新型半球LMU的半球形支撐點(diǎn)（見圖7）與托碗完全貼合之后，允許駁船發(fā)生5°以內(nèi)的橫搖。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，上部組塊的重量完全轉(zhuǎn)移到浮托駁船上之后，2艘浮托船和上部組塊組成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)，在施工浮托作業(yè)的海況下浮托船的橫搖運(yùn)動(dòng)不會(huì)超過5°。

圖6 新型半球LMU轉(zhuǎn)動(dòng)示意

圖7 新型LMU半球形支撐點(diǎn)示意

總而言之，應(yīng)用雙船浮托法很重要的一點(diǎn)是需解決2艘浮托船的協(xié)同操作問題。本文所述新型LMU將半球支撐托碗狀的接收器與安裝在上部組塊底部的半球形支撐點(diǎn)結(jié)合使用，可降低對(duì)2艘浮托船協(xié)同操作的要求，從而降低兩船之間操作不協(xié)調(diào)帶來的海上操作風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，利用雙船浮托整體拆除海上棄置平臺(tái)上部組塊的方法是通過對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的，保留了雙船浮托法使用有限的資源完成平臺(tái)安裝或拆除的優(yōu)勢(shì)。因此，相比于傳統(tǒng)的大型起重船吊裝方法，采用雙船浮托法具有很高的性價(jià)比。

4 數(shù)值分析

以渤海海域某6000t上部組塊為例，選取上部組塊完全由2艘浮托船托舉的狀態(tài)作為研究工況，采用數(shù)值模擬的方式驗(yàn)證新型LMU在雙浮托中應(yīng)用的效果。采用 WAMIT軟件計(jì)算駁船的水動(dòng)力參數(shù)，用 MOSES軟件進(jìn)行頻域和時(shí)域分析，研究船舶、上部組塊運(yùn)動(dòng)及錨纜張力、LMU反力等。

定義船體坐標(biāo)系見圖8，原點(diǎn)位于船首底部與船縱向中心線交點(diǎn)位置，x軸指向船尾為正，y軸指向右舷為正，z軸垂直向上為正。

圖8 船體坐標(biāo)系

4.1 輸入條件

選取駁船A和駁船C作為浮托船，其主要參數(shù)和連接示意分別見表1和圖9。

表1 浮托船主要參數(shù)

圖9 駁船A、駁船C和LMU示意

用MOSES軟件建立2種樁腿耦合裝置的模型，即傳統(tǒng)的錐形LMU（見圖10）和新型的半球LMU（見圖11）。LMU的剛度變形曲線見圖12。

圖10 傳統(tǒng)錐形LMU示意

圖11 新型半球LMU示意

圖12 LMU的剛度變形曲線

分析所用環(huán)境條件參考的是以往渤海海域單船浮托組塊安裝項(xiàng)目的冬季設(shè)計(jì)海況（見表2）。

表2 環(huán)境條件

4.2 分析結(jié)果

2種LMU對(duì)應(yīng)的數(shù)值分析結(jié)果見表3和表4。

表3 駁船及上部組塊運(yùn)動(dòng)幅值對(duì)比

表4 LMU支反力對(duì)比

基于表3和表4的結(jié)果，新型半球LMU允許駁船和上部組塊發(fā)生相對(duì)的橫搖，可有效釋放駁船與上部組塊連接處的彎矩，緩解能量集中，保護(hù)駁船和上部組塊結(jié)構(gòu)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)單船浮托法和雙船浮托法進(jìn)行對(duì)比，闡述了雙船浮托法在大型上部組塊安裝和拆除方面的廣闊應(yīng)用前景，并針對(duì)雙船浮托法在上部組塊安裝和拆除中面臨的能量集中問題和上部組塊重量與重心不確定問題及對(duì)應(yīng)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提出了一種新型半球LMU，通過數(shù)值分析驗(yàn)證了該新型半球LMU的優(yōu)點(diǎn)。受數(shù)值模擬手段限制，本文采用三維彈簧對(duì)新型半球LMU進(jìn)行數(shù)值模擬，無法模擬半球插件與托碗之間因建造工藝影響而產(chǎn)生的摩擦因數(shù)，雖然不影響結(jié)論，但會(huì)使數(shù)值有一定程度的失真，后續(xù)研究應(yīng)考慮摩擦因數(shù)的影響，并進(jìn)行必要的模型試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。