張力腿平臺筋腱安裝與臨時浮筒設(shè)計

袁玉杰， 胡春紅， 阮勝福， 史 睿

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

張力腿平臺(tension leg platform， TLP)采用垂直方式系泊，利用筋腱將平臺固定于海底[1]。目前已建成的張力腿平臺中，最大工作水深為1 585 m。由于其優(yōu)良的運動性能，在海洋油氣開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。典型的張力腿平臺一般包括上部組塊、船體、頂張力立管系統(tǒng)、張力筋腱系泊系統(tǒng)、錨固基礎(chǔ)等五部分。張力腿平臺通過船體深吃水的形式將產(chǎn)生遠(yuǎn)大于上部組塊和船體重量的浮力，剩余浮力與筋腱的預(yù)張力平衡，使得張力筋腱始終處于張緊狀態(tài)。這種受力狀態(tài)使得平臺的橫搖、縱搖和垂蕩近于剛性，而平面內(nèi)運動橫蕩、縱蕩和首搖則顯示出柔性，使得張力腿平臺在各個自由度上的運動固有周期都遠(yuǎn)離常見的海洋能量集中頻帶[1]。

張力腿平臺根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，通常布置6～16根張力筋腱。上部與船體連接，下部與樁基礎(chǔ)連接。構(gòu)成張力腿平臺系泊系統(tǒng)的張力筋腱由厚壁鋼管組成，貫穿整個水體，在平臺服役期間承擔(dān)著巨大的張力，將平臺牢牢地固定在設(shè)計位置上。

中國南海某張力腿平臺采用傳統(tǒng)的張力腿平臺形式，立柱直徑為19. 5 m，中心距為61 m，平臺吃水為31 m，在操作工況下的排水量為50 132 t。每根立柱設(shè)置2根共8根張力筋鍵。張力筋鍵鋼管直徑為40 in(1 in=25.4 mm)，底部分段和頂部分段壁厚為1.6 in，主體分段壁厚為1.5 in，張力筋腱預(yù)張力為2 103 t。每根張力筋鍵各包含1個頂部段和底部段、若干主體段，其中頂部段用來將張力筋鍵固定到船體的Porch位置，主體段貫穿平臺水深，底部段將張力筋鍵連接至下部樁基礎(chǔ)接收裝置。

該張力腿平臺筋鍵系統(tǒng)包含1個頂部段(包括張力監(jiān)測系統(tǒng))、4個主體段和1個底部段，如圖1所示。每一段的詳細(xì)描述如下：

(1) 頂部段：位于張力筋腱頂部，上部與船體Porch相連，下部與主體段相連，包括頂部連接器、筋腱鋼管、耦合連接器、臨時浮筒抱夾機構(gòu)、張力監(jiān)測系統(tǒng)、手鐲式陽極等。

(2) 主體段：是張力筋腱的主要組成部分，從上至下包括耦合連接器、張力筋鍵鋼管、耦合連接器和手鐲式陽極等。

(3) 底部段：位于張力筋腱底部，上部與主體段相連，下部與樁基礎(chǔ)相連，包含耦合連接器、筋鍵鋼管、底部延伸段、轉(zhuǎn)動鎖緊機構(gòu)等，張力筋腱接收裝置位于樁基礎(chǔ)的頂部。

圖1 張力腿平臺筋腱分段及硬件組成[2]Fig.1 TLP tendon segment and component

1 張力筋腱安裝方法

張力筋腱由厚壁鋼管組成，內(nèi)部不充水，其重量略大于浮力，一是可以盡可能減小上部平臺載荷，二是方便海上安裝，降低對浮吊的能力要求。

張力筋腱在陸地分段建造，每段兩端分別焊接耦合連接器，建造工作完成后，筋腱整體裝船，運輸至施工場地進(jìn)行海上安裝。該平臺張力筋腱的安裝就采用該方法進(jìn)行海上安裝，其中頂部段長度為52.4 m，主體段長度為70.6 m，底部段長度為48.7 m。在張力筋腱安裝前，應(yīng)對浮吊進(jìn)行適應(yīng)性改造，在船側(cè)設(shè)置筋腱組對塔及臨時浮筒安裝塔，張力筋腱海上安裝步驟如圖2所示。

步驟1：起吊扶正張力筋腱底部段

步驟2：將底部段移動至組對塔

步驟3：將底部段固定至組對塔

步驟4：起吊下一分段，使用專有工具進(jìn)行機械連接，順序完成其他分段連接

步驟5：筋腱束移至臨時浮筒安裝塔

步驟6：筋腱束與臨時浮筒連接

步驟7：張力筋腱束下放

步驟8：與底部樁基礎(chǔ)連接，完成安裝

2 臨時浮筒設(shè)計要求

張力筋鍵在平臺安裝前一直保持自由站立狀態(tài)，由于張力筋腱重量略大于浮力，安裝完成后需要借助筋腱臨時浮筒提供向上的張力，從而保持筋腱強度和屈曲滿足要求。

臨時浮筒通常為圓柱形結(jié)構(gòu)，一側(cè)設(shè)有馬蹄形槽口，槽口的寬度需要與筋腱直徑匹配，槽口深度需保證筋腱與臨時浮筒連接后，臨時浮筒的浮心與張力筋腱重心接近，盡可能地避免在筋腱上產(chǎn)生額外的彎矩。臨時浮筒直徑和高度需要根據(jù)張力筋腱安裝強度和干涉分析得到，在波浪和海流的影響下，需為筋腱自由站立提供足夠的浮力，保證筋腱強度滿足要求，同時避免鄰近張力筋腱或臨時浮筒發(fā)生碰撞。典型的臨時浮筒形式如圖3所示。

圖3 張力筋腱臨時浮筒外形圖

張力筋腱臨時浮筒通常劃分為若干艙室，艙室之間采用水密隔板分隔，防止相連艙室連通。當(dāng)某個艙室進(jìn)水導(dǎo)致浮力喪失時，臨時浮筒仍能提供足夠的浮力，在降低的環(huán)境條件下保證筋鍵有足夠的張力而不發(fā)生干涉。同時配備充水和排氣系統(tǒng)，實現(xiàn)臨時浮筒的壓排載控制。

為滿足功能和操作要求，張力筋腱臨時浮筒主要設(shè)計了如下幾個系統(tǒng)。

2.1 卡子系統(tǒng)

臨時浮筒卡子系統(tǒng)由張力筋腱夾具、張力筋腱上的凸起結(jié)構(gòu)、臨時浮筒頂部的對中系統(tǒng)組成。在張力筋腱的安裝過程中，將已經(jīng)連接完成的張力筋腱束移動至臨時浮筒安裝塔，利用卡子系統(tǒng)將臨時浮筒固定到筋腱上，對臨時浮筒進(jìn)行充水下放并與樁基礎(chǔ)相連，連接完成后，給臨時浮筒艙室充氣，排出壓載水，為筋腱提供向上的浮力。

臨時浮筒底部的卡子主要用來傳遞張力、彎矩和剪切力，臨時浮筒頂部的對中系統(tǒng)保持浮筒整體浮心與張力筋腱共線，給張力筋腱留有一定空間，可以抵抗波浪和海流導(dǎo)致的水平作用力。

臨時浮筒安裝完成后通常位于水面以下40～70 m，在張力腿平臺回接完成后，需要拆除臨時浮筒。因此，卡子系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成易于拆卸的形式，通常采用液壓控制系統(tǒng)，首先對浮筒進(jìn)行充水，使重力稍大于浮力，然后在ROV的配合下，實現(xiàn)卡子系統(tǒng)的快速解脫，利用浮吊將浮筒吊裝至駁船上。

2.2 充放氣系統(tǒng)

臨時浮筒可以設(shè)計成密閉結(jié)構(gòu)，此時浮筒會承受較大的靜水壓力，需要增加內(nèi)部支撐用來抵抗靜水壓潰，會導(dǎo)致用鋼量增加，經(jīng)濟(jì)性不好。此外，臨時浮筒也可以設(shè)計成底部開口的結(jié)構(gòu)，通過計算張力筋腱和浮筒自由站立期間最大的轉(zhuǎn)角，確定浮筒內(nèi)部艙室的壓力變化，設(shè)計排水孔、充氣孔的垂直位置，該形式浮筒的優(yōu)點是可以保證浮筒內(nèi)外壓力平衡，最大限度地降低結(jié)構(gòu)用鋼量。

通常臨時浮筒的每個艙室均會設(shè)置多個排水充氣孔，其中2個可以作為充氣孔，一用一備，位于浮筒外側(cè)。排水孔和充氣孔結(jié)構(gòu)上沒有差別，但充氣孔會設(shè)計專門的供ROV操作的裝置，來實現(xiàn)艙室的充氣，當(dāng)艙室被氣體充滿時，臨近氣孔或?qū)γ鏆饪子袣馀菝俺?，證明內(nèi)部海水已經(jīng)全部排出。

排氣閥門控制機構(gòu)一般統(tǒng)一放置在臨時浮筒頂部，當(dāng)控制閥門打開時，浮筒外部海水通過排水孔進(jìn)入艙室，反之，關(guān)閉控制閥門，通過充氣孔向艙室注入空氣，則可將內(nèi)部海水通過排水孔排出。控制閥門需配備ROV長手柄，方便進(jìn)行水下開關(guān)，閥門的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)容易快速識別。

2.3 吊裝固定系統(tǒng)

為滿足臨時浮筒的功能要求，需設(shè)計多套吊裝吊點和綁扎吊點，用于水面和水下操作、張力筋腱綁扎和運輸時的固定。

臨時浮筒頂部共設(shè)置有5個吊點，用于陸上吊裝、裝船、倒駁、水下到水上的拆除。其中4個點成90°分布，用于水面上四點吊裝。另一個吊點位于張力筋腱槽口的反方向，位于浮筒的強支撐框架，適用于臨時浮筒拆除時，將浮筒由水下吊裝至浮吊。

在臨時浮筒中部和底部同時配備綁扎固定索具系統(tǒng)，在拖航運輸過程中，用于固定臨時浮筒，同時也可以作為張力筋腱自由站立期間臨時浮筒的綁扎點。

2.4 梯子欄桿系統(tǒng)

在臨時浮筒安裝和操作環(huán)節(jié)，需經(jīng)常對浮筒頂部對中機構(gòu)、閥門組和索具進(jìn)行操作，對吊點進(jìn)行檢驗，為方便人員上下浮筒，使操作更為安全，需要在臨時浮筒上設(shè)置人員通道和梯子欄桿防護(hù)系統(tǒng)，在浮筒外側(cè)通常布置橡膠護(hù)舷對浮筒進(jìn)行保護(hù)。

2.5 支撐框架

由于浮筒最下側(cè)艙室的排水充氣管線位于浮筒正下方，同時為方便臨時浮筒的裝船和運輸，在臨時浮筒下部通常設(shè)計支撐框架，用于承受浮筒重量以及拖航過程中產(chǎn)生的運動荷載，同時不影響臨時浮筒和張力筋腱的連接。

3 張力筋腱站立期間的綁扎設(shè)計

該張力腿平臺每個立柱設(shè)有2根張力筋腱，相鄰筋腱的距離為8.95 m，為減少筋腱碰撞風(fēng)險，浮筒綁扎一般采用一高一低的布置方案。但此時浮筒和筋腱的距離也僅有5 m。由于運動相位不統(tǒng)一，需進(jìn)行張力筋腱干涉分析，確定張力筋腱是否需要進(jìn)行綁扎固定。

張力筋腱的綁扎就是通過索具，將同一側(cè)的兩根張力筋腱拉近，使得同一立柱上的兩根筋腱距離變大，避免發(fā)生相互碰撞，如圖4所示。該平臺張力筋腱的綁扎方案是將綁扎索具布置在浮筒下端，利用綁扎索具將兩根張力筋腱在索具點處的距離拉近了15 m，即每根張力筋腱偏離原位置7.5 m。當(dāng)張力腿平臺到達(dá)安裝地點，準(zhǔn)備與張力筋腱回接時，需要首先解除筋腱之間的綁扎固定，再進(jìn)行張力筋腱平臺與船體的回接。

圖4 張力筋腱自由站立期間浮筒綁扎狀態(tài)

Fig.4 TLP tendon tie-back arrangement plan

4 臨時浮筒設(shè)計實例

該張力腿平臺上每個立柱設(shè)有2根張力筋腱，相鄰筋腱臨時浮筒的垂向位置分別布置在距離筋腱頂端28.1 m和43.1 m處。臨時浮筒按照如下流程開展設(shè)計：

(1) 張力筋腱碰撞分析，確定臨時浮筒的完整浮力和破艙浮力要求，確定張力筋腱綁扎方案。

(2) 張力筋腱的總體布置方案，確定張力筋腱外形尺寸，艙室布置方案。

(3) 張力筋腱結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括在位強度分析、靜水壓分析、吊裝運輸分析、吊點設(shè)計。

(4) 張力筋腱系統(tǒng)設(shè)計，包括充水排氣系統(tǒng)設(shè)計、卡子固定系統(tǒng)設(shè)計。

張力筋腱安裝期間設(shè)計環(huán)境工況如表1所示。

表1 張力筋腱安裝設(shè)計環(huán)境工況

通過計算分析，最終確定臨時浮筒的直徑為8.1 m，高度為12 m，浮筒采用6個艙室的設(shè)計方案，臨時浮筒設(shè)計參數(shù)如表2所示，臨時浮筒俯視圖和主視圖如圖5所示。

表2 臨時浮筒設(shè)計參數(shù)

圖5 張力筋腱臨時浮筒總體示意圖Fig.5 TLP tendon temporary buoy general arrangment

根據(jù)確定的臨時浮筒設(shè)計參數(shù)及相應(yīng)的環(huán)境條件，計算張力筋腱在完整狀態(tài)和破艙狀態(tài)下的底部轉(zhuǎn)角，計算結(jié)果如表3所示。

表3 張力筋腱安裝狀態(tài)底部轉(zhuǎn)角

(續(xù)表)

在張力筋腱綁扎狀態(tài)下，同時還要對相連筋腱的間隙進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示筋腱之間不會發(fā)生碰撞，浮筒設(shè)計滿足要求，計算結(jié)果如表4所示。

表4 張力筋腱綁扎狀態(tài)下相互間隙

5 結(jié) 語

本文以中國南海某張力腿平臺設(shè)計為基礎(chǔ)，介紹了張力腿平臺筋腱安裝方法，以及張力筋腱臨時浮筒系統(tǒng)組成、設(shè)計要求和臨時浮筒設(shè)計方案。臨時浮筒對張力筋腱自由站立期間的安全性至關(guān)重要，需要特別關(guān)注以下兩個方面：

(1) 要求浮筒拆卸快捷，海上安裝窗口時間短，盡可能地采用液壓系統(tǒng)設(shè)計方案，在保證連接可靠的前提下，實現(xiàn)浮筒的快速連接解脫。

(2) 浮筒屬于臨時結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能減少鋼材用量，設(shè)計成內(nèi)外壓平衡的浮筒，優(yōu)化浮筒外板厚度和加強筋規(guī)格。

張力筋腱臨時浮筒設(shè)計是一項復(fù)雜的工程，涉及結(jié)構(gòu)、水動力、機械等跨專業(yè)內(nèi)容，今后還需在張力筋腱臨時浮筒設(shè)計方面開展更多的研究工作，為我國的張力腿平臺設(shè)計技術(shù)打下基礎(chǔ)。