浮托船舶在東海海域組塊安裝的應用分析

易 叢，李 達，白雪平，劉在科，劉 明

(中海油研究總院，北京 100027)

0 引 言

浮托法，是指利用安裝船舶載運海上平臺上部組塊進入導管架槽口，依靠潮位、船舶調(diào)載與升降機構(gòu)等方式，實施平臺上部組塊重量的轉(zhuǎn)移，完成組塊與導管架對接的安裝技術(shù)。浮托安裝技術(shù)是海洋平臺組塊安裝的廣泛采用的安裝方式之一。世界上第1個浮托安裝由1983年P(guān)HILIPS MAUREEN 項目進行，該項目將18 600 t的生產(chǎn)平臺上部組塊安裝成功。國內(nèi)第1個浮托安裝由中海油在2005年實施成功，該項目將7 200 t的渤海南堡35-2油田中心平臺整體安裝到導管架上[1 – 4]。經(jīng)過10余年的技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)越來越多的組塊采用浮托安裝法安裝。它具有起重能力大，組塊陸地完整性程度高，海上施工周期短，適用范圍廣，操作安全等特點。從海域的應用上看，首先在中國的渤海開展浮托安裝，2013年又在南海荔灣3-1氣田完成26 000 t組塊的浮托安裝，實現(xiàn)了國內(nèi)浮托安裝技術(shù)從渤海拓展到南海和從淺水拓展到深水。由于東海海況相對于南海海況更加惡劣等因素，大型組塊浮托安裝尚未在東海海域?qū)崿F(xiàn)。浮托法分為普通浮托（系泊定位）和DP浮托2種方式。本文參考西非、北海等海域浮托安裝案例，對東海海域的環(huán)境特點進行分析；對普通浮托和DP浮托這2種浮托方式的優(yōu)劣、對應浮托船舶及其對東海海域浮托安裝的適應性進行分析論證。

1 環(huán)境條件分析

熱帶氣旋其按照強度不同劃分為不同的等級：熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風。對經(jīng)東海某油田300 nm范圍內(nèi)的熱帶氣旋數(shù)量統(tǒng)計，年平均臺風個數(shù)為5.4個。7～9月每個月平均1～2個臺風，4～6月每個月平均臺風數(shù)量小于1，因此4～6月更適合進行浮托安裝。對東海臺風中心路徑進入東海作業(yè)區(qū)區(qū)域內(nèi)的持續(xù)時間進行統(tǒng)計，平均臺風影響時間為 42 h（最長為 270 h，最短為 6 h）。

由于浮托作業(yè)環(huán)境條件的波高通常取在2 m波高以內(nèi)，因此在0～2 m HS范圍內(nèi)，通過選取渤海，南海及東海海域3個海域的典型油田的波浪散布圖（包含涌浪），分析東海海域環(huán)境條件的特點。對比3個海域的波浪散布數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，渤海海域某油田，2 m波高范圍內(nèi)最大周期TS為8 s，波高小于1 m的概率為89%。南海海域某油田，2 m波高范圍內(nèi)最大周期TS為8 s，波高小于1 m的概率為43%。而東海海域某油田2 m波高范圍內(nèi)TS最大可達18.3 s。東海由于涌浪較多，導致小波高下波浪周期變化范圍較大，是其他海域波浪周期變化范圍的2.3倍。小波高也相對較少，波高小于1 m的概率只有13%。國內(nèi)相關(guān)文獻[5 – 8]也表明中國3個海域（渤海、南海和東海海域）的波浪能量分布，東海浪高較大，存在明顯涌浪，不利于海上浮托安裝。如圖1所示，中國四大海域中，其他海域月作業(yè)概率均有大于50%的月份，而東海環(huán)境條件最差，浮托作業(yè)概率最低，全年的月作業(yè)概率均低于50%作業(yè)概率。

表1 渤海、南海及東海波浪要素比較Tab. 1 Wave comparation of Bohai bay/South China sea/ East sea

圖1 浮托作業(yè)概率Fig. 1 Floatover operational probability

2 浮托船舶選取

普通浮托方法指采用普通駁船進行浮托安裝，采用系泊系統(tǒng)進行船舶定位的浮托安裝方法，對應的國內(nèi)的安裝船舶有HYSY221，HYSY228，HYSY229等。通常采用MOSES等時域分析軟件進行浮托分析。

DP浮托，又叫動力定位浮托，指浮托時采用電腦控制自動保持船舶位置與首向角的先進定位系統(tǒng)。DP浮托方法的優(yōu)勢為施工流程和施工前的準備簡單，浮托作業(yè)時間段，作業(yè)效率較高，更低的海上運輸時間和風險，不受作業(yè)海域水深限制和海底管線影響。對應的國內(nèi)安裝船舶有HYSY278，“康盛口”等。除了采用MOSES等時域分析軟件進行浮托分析之外，還需要采用動力定位系統(tǒng)控位能力模擬技術(shù)等手段進行DP浮托分析。世界首例動力定位浮托安裝項目為2003年7月“泰安口”在泰國灣水域安裝的近9 000 t重的BUNGA RAYA A上部模塊，國內(nèi)首例動力定位浮托安裝項目為2014年5月由海洋石油278在南海成功實施的HZ25-8中心平臺項目。動力定位船舶浮托安裝操作中，省去系泊系統(tǒng)的布置和連接，且其費用不會隨著水深的增加而增加。動力定位船舶具有自航能力，節(jié)約船天數(shù)，并且航行安全性更高，且在浮托安裝過程中無需拖輪協(xié)助，節(jié)省了船舶費用。動力定位船舶在浮托安裝過程中壓載能力強，精準對接能力強，可使常規(guī)浮托安裝所需的6 h降低為3 h，甚至更短的時間內(nèi)完成作業(yè)，安裝作業(yè)安全性高，所需安裝氣候窗更易滿足，在南中國海惡劣環(huán)境條件下進行浮托作業(yè)顯得尤其重要。

本文主要針對海洋石油228/229/278進行浮托分析，其主尺度參數(shù)如表2所示。

表2 浮托船舶Tab. 2 Floatover barge information

圖2 浮托駁船F(xiàn)ig. 2 Floatover barge

3 浮托分析案例

考慮浮托組塊重量為15 000 t，重心高度相對海圖水深 31.81 m，計算所用導管架剛度為 10 000～20 000 t之間。由于波浪大周期會產(chǎn)生更大的船舶運動和碰撞力，統(tǒng)計8 s以上波浪的4～9月不同方向的分布概率，SE方向來的大周期概率最大，故平臺北方向及迎浪方向考慮為SE方向。

本文基于HYSY278/229/228進行東海浮托可行性分析。經(jīng)調(diào)研分析確定浮托可行的標準為：LMU插尖的垂向運動幅值不大于0.8 m，水平運動幅值不大于0.8 m，碰撞力大小符合船體及導管架強度設(shè)計能力，以及滿足浮托船舶定位能力要求?；?78/229/228的運動性能，東海環(huán)境條件，高位浮托及浮托作業(yè)可實施性，從低到高給出多組浮托環(huán)境條件；搜索能夠滿足浮托可行標準的最大浮托環(huán)境條件。

3.1 浮托頻域分析

分別建立HYSY228/229/278的船舶模型，采用MOSES軟件進行頻域RAO計算，比較3艘浮托船舶的運動性能。

HYSY278的組塊拖航布置如圖3所示，組塊B軸距離船尾86.8 m。采用MOSES軟件計算得到駁船重心垂蕩及LMU碰撞點處各自由度RAO。計算表明，HYSY278 5–10 s橫浪下橫搖和縱搖 RAO 分別達到0.14 °和 0.06 °， LMU 處垂蕩耦合了運動中心處橫搖、縱搖、垂蕩3個方向運動，所以具有更大的運動幅值，LMU處垂蕩RAO幅值從運動中心處的1.1 m增加到1.7 m。 HYSY229的組塊拖航布置圖如圖4所示，組塊B軸距離船尾117 m。計算表明， HYSY229 5–10 s 橫浪下橫搖和縱搖 RAO 分別達到 1 °和 0.16 °，LMU處垂蕩耦合了運動中心處橫搖、縱搖、垂蕩3個方向運動，所以具有更大的運動幅值，垂蕩RAO幅值從1.1 m增加到2.7 m。HYSY228的組塊拖航布置圖如圖5所示，組塊B軸距離船尾104 m。計算表明，HYSY228 5–10 s橫浪下橫搖和縱搖 RAO 分別達到1.11 °和0.12 °，LMU處垂蕩耦合了運動中心處橫搖、縱搖、垂蕩3個方向運動，垂蕩RAO幅值從1.1 m增加到 3.4 m。

圖3 HYSY278 拖航布置圖Fig. 3 HYSY278 towing arrangement

圖4 HYSY228 拖航布置圖Fig. 4 HYSY228 towing arrangement

圖5 HYSY229 拖航布置圖Fig. 5 HYSY229 towing arrangement

如圖6所示，HYSY278/229/228 3條船的運動中心處的垂蕩RAO接近，在5–10 s范圍內(nèi)，HYSY229由于尺度較大，垂蕩幅值最小，HYSY278和HYSY 228垂蕩RAO接近。 如圖7所示，LMU碰撞點處，由于HYSY 229/228為T型駁，組塊偏向船寬較窄的船首布置，而不是在船舶中心處布置，且橫搖縱搖較大，組塊LMU處耦合縱搖及橫搖因素，垂蕩RAO幅值比HYSY 278大，從而導致HYSY 278可適應的浮托環(huán)境條件較其他兩船更高。大周期環(huán)境條件下，HYSY 278的浮托性能比HYSY 228/229更好。

圖6 HYSY278/229/228 的運動中心處垂蕩 RAO 對比Fig. 6 COG Heave RAO of HYSY278/229/228

3.2 浮托時域分析

在浮托頻域分析的基礎(chǔ)上，對HYSY278/229/228開展時域計算，分別針對3條浮托駁船進行建模分析[9 – 10]，并對頻域結(jié)果進行驗證。

參考以往項目給出多組環(huán)境條件，根據(jù)統(tǒng)一的浮托判斷標準以及278動力定位能力，反推計算得出HYSY278在東海海域的浮托安裝環(huán)境條件如表4所示。和表3中的HZ25-8項目相比，環(huán)境條件有所提高。

HYSY278進退船分析采用時域耦合分析軟件DPTIMED，計算得出進船時船尾處運動為–3.53 m，進船導向形式需特殊設(shè)計以滿足進船要求；護舷碰撞力達到830 t，接近護舷的設(shè)計極限。在該環(huán)境條件下的浮托安裝，需更換橫蕩護舷改善船側(cè)受力性能，并增加護舷沖程。采用MOSES進行對接分析，計算得出在表4中所述環(huán)境條件下，對接時LMU最大水平運動幅值為0.45 m，垂向上最大運動為0.75 m。因此，進船插尖需特殊定制，LMU高度增加為0.7 m，捕捉半徑增加為0.7 m。當環(huán)境條件更大時，LMU插尖運動幅值及碰撞力太大，技術(shù)方案不可行。

根據(jù)統(tǒng)一的浮托判斷標準以及HYSY229強度情況，采用浮托可行判斷準則，反推得出HYSY229在東海海域的浮托安裝環(huán)境條件如表5所示。和荔灣3-1項目相比，環(huán)境條件有所提高。 HYSY229雖然主尺度比HYSY278大，但是由于組塊不是放在船體中心位置，導致其橫搖較大，在同樣的環(huán)境條件下，LMU碰撞點處運動更大，不利于浮托。其適應的最大的浮托環(huán)境條件小于HYSY278。采用MOSES軟件進行浮托進退船工況的計算，環(huán)境條件增加后（見表5），垂向最大運動幅值增加為0.75 m，單腿碰撞力最大為851 t。為滿足增加的環(huán)境條件的要求，HYSY229需重新購置船側(cè)護舷，考慮新購部分系泊設(shè)備及將原有系泊設(shè)備移回HYSY229的部分費用。進船插尖需特殊定制，LMU高度增加為0.7 m，捕捉半徑增加為0.7 m。

表4 東海浮托安裝環(huán)境條件-HYSY278Tab. 4 Floatover environment of HYSY278 in East sea

HYSY228是比HYSY229尺度更小的T型駁船，不具備DP能力，抵御環(huán)境條件的能力更差。HYSY228其船寬為36 m，要求導管架槽口寬40 m。通過環(huán)境條件搜索，反推得出其適應的作業(yè)條件如表6所示，比HYSY228以往應用的浮托環(huán)境條件有所提高，小于HYSY278及HYSY229的浮托環(huán)境條件。

圖8 HYSY278 浮托船舶預進船布置示意圖Fig. 8 Entry arrangement of HYSY278

圖9 HYSY278 LMU 及 DSU 分布圖Fig. 9 LMU&DSU arrangement of HYSY278

表5 HYSY229船浮托作業(yè)環(huán)境條件要求Tab. 5 Floatover environment of HYSY229 in East sea

表6 HYSY228東海浮托環(huán)境條件Tab. 6 Floatover environment of HYSY228 in East sea

HYSY228在通常渤海浮托環(huán)境條件下，LMU處水平方向最大運動幅值為0.13 m，垂向最大運動幅值為0.11 m。環(huán)境條件增加后，水平方向最大運動幅值為0.44 m，垂向最大運動幅值為0.73 m，單腿碰撞力最大為905 t。采用提高后的浮托環(huán)境條件后，為了滿足海上定位及碰撞力的要求，HYSY228的護舷和系泊系統(tǒng)需重新設(shè)計購置，HYSY 228原有護舷碰撞量程太小，需采用量程更大的護舷。系泊系統(tǒng)采用8根纜，并增購部分錨機和系泊纜。進船插尖需特殊定制，LMU高度增加為0.7 m，捕捉半徑增加為0.7 m。

4 浮托作業(yè)率

根據(jù)HYSY278船浮托作業(yè)環(huán)境條件要求及平臺方位，采用2/1.25/0.75 m環(huán)境條件后，浮托作業(yè)概率提高為42%，仍小于50%。分別計算HYSY278船連續(xù)24 h，36 h 和 48 h 進行浮托作業(yè)的作業(yè)窗口，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表7。不同年份氣候數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定。4～6月為通常的作業(yè)月份，以2015年為例，僅4月2個，5月1個。作業(yè)時間縮短為36 h或24 h后，氣候窗每個月最多增加到7個。氣候窗結(jié)果受浮托作業(yè)時間影響較大。根據(jù)南海某海域風浪流數(shù)據(jù)，進行了環(huán)境條件相同的持續(xù)時間為48 h的統(tǒng)計（見表8）。南?；旧厦總€月都能保證至少1次的作業(yè)窗，在相同的作業(yè)條件要求下，東海作業(yè)環(huán)境要比南海作業(yè)環(huán)境差。

參考南海某項目采用HYSY229進行浮托的具體工期，浮托工期考慮3天作業(yè)窗口（見表9）。

采用HYSY229船浮托作業(yè)環(huán)境條件要求及平臺方位進行作業(yè)概率統(tǒng)計，得出逐月最大作業(yè)概率為37%。根據(jù)HYSY229船浮托作業(yè)環(huán)境條件要求，分別計算了 HYSY229 船連續(xù) 48 h，60 h 和 72 h 進行浮托作業(yè)的作業(yè)窗口（見表10）。如按照浮托作業(yè)72 h考慮，大多數(shù)年份1年僅有1個月有1個作業(yè)窗口，有的全年都沒有作業(yè)窗口。在東海采用HYSY229進行浮托，一旦錯過作業(yè)窗口，需要等待1年再進行安裝的風險較大。由于HYSY229需要錨系連接工作，浮托作業(yè)期更長，其作業(yè)窗口小于HYSY278。考慮提高浮托作業(yè)效率，假設(shè)采用HYSY229進行浮托的持續(xù)時間縮短為60 h 或者 48 h，作業(yè)窗口有所增加，

表7 HYSY278浮托作業(yè)窗口（平均值）Tab. 7 Floatover operation window of HYSY278 in East sea

表8 南海和東海作業(yè)窗比較 （平均值）Tab. 8 Comparation of floatover operation window in East sea and South China sea

表9 HYSY229浮托項目施工記錄Tab. 9 Floatover operation schedule of HYSY229

表10 HYSY229及HYSY228浮托作業(yè)窗口Tab. 10 Floatover operation window of HYSY228&229

采用HYSY228船浮托作業(yè)環(huán)境條件要求及平臺方位進行作業(yè)概率統(tǒng)計，得出逐月的浮托作業(yè)概率最大為36%，是3艘船中浮托作業(yè)概率最低的。 由于HYSY228和HYSY229浮托作業(yè)環(huán)境條件接近，浮托作業(yè)窗口統(tǒng)計數(shù)據(jù)與HYSY229相同。

5 費用對比

采用HYSY278，HYSY229和HYSY228進行浮托安裝，和吊裝方案相比，導管架和組塊等的鋼材總量分別多出 2 930 t，2 630 t和 2 130 t。除鋼材差異，浮托方案還多出相關(guān)的護舷、系泊系統(tǒng)、LMU、DSU等專利件費用。根據(jù)環(huán)境條件及船體、導管架、護舷、系泊系統(tǒng)受力，需對船舶進行改造，包括更換橫蕩護舷改善船側(cè)受力性能，并增加護舷沖程，進船插尖需特殊定制，LMU高度增加為0.7 m，捕捉半徑增加為0.7 m等工程量，如表11所示。將組塊吊裝方案、HYSY278浮托方案、HYSY228浮托方案和HYSY229浮托方案進行投資差異分析，組塊吊裝方案和HYSY228，HYSY229方案基本持平，由于HYSY278船價略貴，導致采用HYSY278進行浮托比組塊吊裝方案費用略高。

表11 浮托駁船改造量Tab. 11 Modification works for floatover barges

6 結(jié) 語

本文以東海海域為研究背景，基于15 000 t組塊，按照水深100 m開展研究工作?？紤]動力定位浮托和傳統(tǒng)高位浮托2種形式，針對HYSY228，HYSY229，HYSY278開展東海海域浮托可行性研究。得出結(jié)論如下：

1）東海浮托環(huán)境條件中，波浪周期特別是橫浪方向的周期顯著增加，大幅提高浮托對接時駁船的運動及對導管架的碰撞力，給浮托技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。

2）分析表明，在HYSY278/229/228三艘船中，HYSY278的運動性能最優(yōu)，可以抵御的浮托作業(yè)環(huán)境條件最大，且由于其動力定位性能，作業(yè)窗口最多。在技術(shù)上相對最優(yōu)。 即使采用HYSY278浮托，最大作業(yè)概率為42%，每月作業(yè)窗口很少，仍然面臨“如錯過當月的氣候窗，就得等下1年才能進行浮托安裝，油田推遲投產(chǎn)”的風險。綜合考慮作業(yè)窗、臺風、及浮托所需時間，浮托方案僅建議每年的5月份進行，4月和6月作為備選。

3）東海浮托取決于安裝團隊的安裝效率，HYSY278浮托作業(yè)時間從48 h縮短到24 h后，5月的平均作業(yè)窗口從2個增加7個。

4）涌浪明顯的西非，實施過多個浮托項目，該海域有詳細的涌浪數(shù)據(jù)可用于浮托設(shè)計。需加強對東海涌浪數(shù)據(jù)的掌握，積累2～3年以上的風浪流實測數(shù)據(jù)，根據(jù)油田具體的涌浪方向確定浮托作業(yè)方位，提高浮托作業(yè)概率，為東海浮托安裝做好技術(shù)儲備。