半潛式平臺(tái)批量并行建造模式研究

劉洪丹，劉金程，王 麗，蘇 波

(1.中集海洋工程研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264670；2.煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引言

半潛式平臺(tái)是海洋工程的高端裝備，可以在750～3 700 m水深范圍作業(yè)，適合于全球大部分深遠(yuǎn)海域。半潛式平臺(tái)一般由兩個(gè)浮體、四個(gè)立柱、四根橫撐組成下船體；由甲板盒、上層建筑、特殊區(qū)域(根據(jù)平臺(tái)功能)、直升機(jī)甲板等組成上船體[1]。根據(jù)性能和用途，半潛式平臺(tái)可分為半潛式鉆井平臺(tái)、半潛式起重生活平臺(tái)、半潛式生產(chǎn)平臺(tái)、半潛式生活平臺(tái)、半潛式試驗(yàn)平臺(tái)、半潛式發(fā)電平臺(tái)等[2]。平臺(tái)建造難度大，成本高，業(yè)主對(duì)項(xiàng)目的建造周期要求非常嚴(yán)格。

D90超深水半潛式鉆井平臺(tái)(簡(jiǎn)稱“D90平臺(tái)”) 是目前世界上最大、鉆井深度最深、自動(dòng)化程度最高的超深水半潛式鉆井平臺(tái)。D90平臺(tái)造價(jià)很高，業(yè)主為了減少項(xiàng)目建造周期，節(jié)約項(xiàng)目財(cái)務(wù)費(fèi)用，提出兩個(gè)項(xiàng)目開工間隔期不能超過半年的要求，這就需要建造單位必須解決同時(shí)在一塊場(chǎng)地上建造兩個(gè)項(xiàng)目的問題。

相對(duì)于常規(guī)船舶，半潛平臺(tái)的下浮體寬度尺寸大，常規(guī)龍門吊難以在場(chǎng)地方面同時(shí)滿足兩座半潛平臺(tái)下浮體的合龍需求。國(guó)內(nèi)外船舶企業(yè)一般采用兩座平臺(tái)前后布置進(jìn)行合龍的方式。該方案的不足之處是浪費(fèi)場(chǎng)地，導(dǎo)致項(xiàng)目總體建造周期變長(zhǎng)，項(xiàng)目成本增加。

D90平臺(tái)長(zhǎng)122.5 m，型寬92.7 m。建造場(chǎng)地長(zhǎng)400 m，寬154 m。根據(jù)平臺(tái)主尺度和場(chǎng)地面積，采用常規(guī)方法無法實(shí)現(xiàn)兩座下浮體按理論尺寸布置、并行合龍的方案。

本文首先分析半潛式平臺(tái)常規(guī)建造工藝；然后根據(jù)D90平臺(tái)的具體參數(shù)，結(jié)合建造廠家設(shè)備和場(chǎng)地等情況，提出并行合龍建造的創(chuàng)新模式，即兩座平臺(tái)下浮體可同時(shí)在建造場(chǎng)地使用7 000 kN吊車進(jìn)行合龍作業(yè)的建造模式；最后實(shí)施浮體整體分段橫移方案，保證兩座平臺(tái)合龍按期完成。

1 半潛平臺(tái)合龍建造工藝介紹

D90項(xiàng)目建造企業(yè)借助2×105kN大型吊機(jī)、配套干船塢(長(zhǎng)360 m×寬120 m×深14 m)、2×105kN浮船塢等專用設(shè)備設(shè)施，形成了一套高效的半潛式平臺(tái)建造模式，即：

(1)第1階段，模塊陸地建造階段。半潛平臺(tái)上、下船體陸地平行建造成大型模塊。

(2)第2階段，模塊建造完工后用浮船塢將模塊下水運(yùn)到配套干船塢。

(3)第3階段，用吊機(jī)吊裝上船體模塊和下船體模塊合龍。

(4)第4階段，項(xiàng)目合龍完工出塢進(jìn)行碼頭舾裝、調(diào)試、交付。

2 模塊合龍生產(chǎn)線概況

(1)場(chǎng)地總尺寸：400 m(長(zhǎng)度)×154 m(龍門吊機(jī)軌道寬度)。

(2)主要設(shè)備：7 000 kN×154 m(跨度)龍門吊機(jī)1臺(tái)，提升凈高度70 m；600 kN龍門吊機(jī)1臺(tái)，450 kN龍門吊機(jī)2臺(tái)。

(3)碼頭長(zhǎng)度200 m，低潮位水深-6.5 m

3 D90平臺(tái)主要參數(shù)

D90平臺(tái)長(zhǎng)122.5 m，寬92.7 m，面積相當(dāng)于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)，可起降“Sikorsky-S61/92型”直升機(jī)。平臺(tái)正中有約為80 m高的雙鉆塔、雙井心井架。該平臺(tái)自重43 000 t，最大作業(yè)水深為3 650 m，最大鉆井深度可達(dá)15 km[3]。

D90平臺(tái)具體參數(shù)如下：

排水量

69 802 t

船舶總長(zhǎng)

122.5 m

垂線間長(zhǎng)

122.5 m

型寬

97.2 m

型深

43.5 m

作業(yè)吃水

24.5 m

船級(jí)社

★DNV(挪威船級(jí)社)

入級(jí)符號(hào)標(biāo)志

Crane，DRILL，HELDK-SH,

F-AM，ATA，ECO，DP-3，BWM-T

4 模塊并行建造各階段場(chǎng)地布置

并行建造模式下，兩個(gè)平臺(tái)在場(chǎng)地的建造分為3個(gè)階段：

第1階段是兩個(gè)平臺(tái)并行建造階段。1號(hào)平臺(tái)上下船體按照正常尺寸在場(chǎng)地上進(jìn)行布置。2號(hào)平臺(tái)下船體沿項(xiàng)目建造合龍線寬度方向和1號(hào)平臺(tái)浮體“緊挨”著布置，其中：2號(hào)平臺(tái)下船體的一個(gè)浮體的整體和另一個(gè)浮體的四分之三分段進(jìn)行合龍。2號(hào)平臺(tái)上船體靠1號(hào)平臺(tái)側(cè)后方布置，可以合龍三分之二的分段。兩個(gè)平臺(tái)所有小分段同時(shí)建造。兩個(gè)平臺(tái)場(chǎng)地布置見圖1。

圖1 兩座平臺(tái)并行建造合龍階段布置圖

第2個(gè)階段：1號(hào)平臺(tái)上下船體已經(jīng)下水；2號(hào)平臺(tái)的下船體進(jìn)行平移，然后在新位置進(jìn)行下船體合龍，上船體開始合龍剩余部分。2號(hào)平臺(tái)浮體平移階段見圖2。

圖2 2號(hào)平臺(tái)浮體平移階段圖

第3個(gè)階段：2號(hào)平臺(tái)的浮體移動(dòng)到最終位置。開始合龍2號(hào)平臺(tái)上下船體所有剩余分段，直至2號(hào)平臺(tái)整體最終下水。2號(hào)平臺(tái)浮體平移到最終合龍位置示意圖見圖3。

5 浮體大分段平移方案設(shè)計(jì)和實(shí)施

5.1 下浮體平移模塊頂升點(diǎn)強(qiáng)度評(píng)估

根據(jù)D90項(xiàng)目2號(hào)平臺(tái)下浮體預(yù)合龍后的模塊橫移方案，本次需要頂升后平移的模塊有3個(gè)：模塊①、模塊③自重均為1 822 t，模塊②自重為1 824 t 。3個(gè)大模塊都是類似長(zhǎng)方體的外形，幾何尺寸為：長(zhǎng)39.7 m×寬18.5 m×高12.5 m。

圖3 2號(hào)平臺(tái)浮體平移到最終合龍位置示意圖

浮體分段平移時(shí)，首先要在平移大模塊的質(zhì)心兩側(cè)對(duì)應(yīng)位置的底板下布置運(yùn)輸車。運(yùn)輸車的頂面支撐在船體外板上，運(yùn)輸車下端的輪子直接接觸在行走滑軌上。本次平移擬采用2 000 kN×2 雙缸運(yùn)輸車6 臺(tái)，運(yùn)輸車總的承載力為24 000 kN。

移位前，需要對(duì)平移的3個(gè)模塊的支撐點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，避免過大的載荷對(duì)浮體結(jié)構(gòu)造成破壞。因?yàn)閹讉€(gè)大模塊的結(jié)構(gòu)型式基本一致，頂升肋位的結(jié)構(gòu)和頂點(diǎn)布置相類似，因此根據(jù)頂升點(diǎn)的布置，對(duì)大模塊選取7 號(hào)肋位進(jìn)行有限元分析。對(duì)7 號(hào)肋位的每個(gè)頂升點(diǎn)施加2 000 kN的頂升力，共6 個(gè)頂升點(diǎn)，合計(jì)12 000 kN，在有限元分析模型中，進(jìn)行邊界條件和頂升力的施加，見圖4。

圖4 有限元模型中力的施加和邊界的約束

有限元分析結(jié)果見圖5，最大合成應(yīng)力為160.2 MPa，而大模塊對(duì)應(yīng)位置的材料許用應(yīng)力為355 MPa，則結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)為2.2。

通過以上評(píng)估認(rèn)為，浮體頂升點(diǎn)強(qiáng)度滿足要求。

5.2 浮體大模塊液壓臺(tái)車橫移方案實(shí)施

經(jīng)過有限元計(jì)算后證明該大模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足頂升和平移運(yùn)輸要求，可以進(jìn)行平移運(yùn)輸。

圖5 有限元分析結(jié)果—合成應(yīng)力圖

5.2.1 大模塊整體情況

模塊①：總段長(zhǎng)39 760 mm，寬18 500 mm；自重1 822 t。

模塊②：總段長(zhǎng)39 760 mm，寬18 500 mm，自重1 824 t。

模塊③：總段長(zhǎng)36 760 mm，寬18 500 mm，自重1 822 t。

模塊①、模塊②、模塊③的位置分布見圖6，平移模塊示意圖(俯視圖)黑色圓點(diǎn)為頂升運(yùn)輸車的頂升油缸的布置位置。

圖6 平移模塊示意圖(俯視圖)

另外，頂升運(yùn)輸車在大模塊下面的A-A位置的布置圖見圖7。

圖7 平移運(yùn)輸車布置圖(A-A斷面?zhèn)纫晥D)

5.2.2 平移運(yùn)輸使用設(shè)備

(1)平移中使用2 000 kN×2雙缸運(yùn)輸車6臺(tái)，總安全承載力24 000 kN。

(2)6臺(tái)運(yùn)輸車：4臺(tái)主動(dòng)，2臺(tái)從動(dòng)。主動(dòng)牽引車每臺(tái)牽引力為200 kN，運(yùn)輸車油缸中心距為2 800 mm。小車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載力滿足運(yùn)輸要求。運(yùn)輸車外形見圖8。

圖8 運(yùn)輸車外形圖

5.2.3 平移步驟

(1)模塊①平移

①鋪水泥滑道及布墩。

②運(yùn)軌鋪設(shè)、運(yùn)輸車到位頂起。

③開始平移，牽引速度為1.2 m/min，定中心點(diǎn)，調(diào)中心調(diào)平，落到位。

④模塊②到位后初步支墩，把運(yùn)輸車運(yùn)軌轉(zhuǎn)到模塊①位置。

⑤對(duì)到位后的模塊②測(cè)距離，調(diào)水平，就位后正式支墩。

(2)模塊②平移

①鋪水泥滑道及布墩。

②運(yùn)軌鋪設(shè),運(yùn)輸車到位頂起。

③開始平移，牽引速度為1.2 m/min，移動(dòng)到位、靠龍預(yù)計(jì)1天時(shí)間。

④模塊①到位后初步支墩，把運(yùn)輸車運(yùn)軌轉(zhuǎn)到模塊③位置。

⑤對(duì)到位的模塊①對(duì)位位置調(diào)整，調(diào)水平，就位后正式支墩。

(3)模塊③平移

①鋪水泥滑道及布墩。

②運(yùn)軌鋪設(shè)、運(yùn)輸車到位頂起。

③開始平移，牽引速度1.2 m/min，移動(dòng)到位、靠攏預(yù)計(jì)1天時(shí)間。

④模塊③到位后調(diào)整對(duì)位位置，調(diào)水平，就位后正式支墩。平移結(jié)束。

6 結(jié)論

通過方案的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了兩座平臺(tái)在同一吊機(jī)下并行建造的目標(biāo)，使建造場(chǎng)地利用率得到最大化，很好地運(yùn)用了大型吊機(jī)的優(yōu)勢(shì)。通過項(xiàng)目的實(shí)施，發(fā)現(xiàn)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)平臺(tái)分段劃分不受建造場(chǎng)地的影響。

(2)下船體浮體可以制作成環(huán)形分段，壓載艙形成完整艙室，提高舾裝率。

(3)可以有效避免壓載艙實(shí)施PSPC特涂標(biāo)準(zhǔn)而引起的重新沖砂涂裝風(fēng)險(xiǎn)。

總之，通過研究成果的實(shí)施，確保D90項(xiàng)目建造周期，降低了項(xiàng)目成本，建立了半潛平臺(tái)大型模塊建造的新模式，可供后續(xù)或相似項(xiàng)目參考運(yùn)用。