大型組塊整體浮托安裝法研究

宋青武 王圣強(qiáng) 高本金 馬紅旗 王凱華

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

隨著人類對(duì)能源需求的日益增大,海洋油氣產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展,國內(nèi)海洋工程已逐步由淺水邁向深水海域,海洋平臺(tái)日趨綜合化、大型化、復(fù)雜化。導(dǎo)管架平臺(tái)是目前國內(nèi)海洋工程最常見的平臺(tái)形式,由導(dǎo)管架、鋼樁、上部組塊等組成,導(dǎo)管架與鋼樁聯(lián)合組成平臺(tái)的下部基礎(chǔ),承受并傳遞上部組塊各類動(dòng)荷載和靜荷載至海床。上部組塊包括甲板、各類油氣處理設(shè)施、消防安全設(shè)施、生活區(qū)、鉆井設(shè)施等,不同組塊根據(jù)平臺(tái)規(guī)模噸位差異很大,從幾百噸到上萬噸,目前國內(nèi)最大浮托安裝組塊已達(dá)30 000 t級(jí)[1]。

海洋平臺(tái)組塊安裝方式主要包括吊裝法和浮托安裝法兩種。吊裝是直接使用起重船從運(yùn)輸駁船吊起組塊直接放至導(dǎo)管架上,其應(yīng)用范圍取決于起重船的起重能力和跨距,單塊重量一般不超過6 000 t。浮托安裝法主要適用于大型組塊的安裝作業(yè)(10 000 t級(jí)及以上),由駁船整體運(yùn)輸至海上,通過駁船壓載的方式將組塊整體下放至導(dǎo)管架。對(duì)于大型組塊,可以選擇分塊建造、分塊吊裝方案,也可選擇整體安裝方案。浮托安裝法實(shí)現(xiàn)了組塊整體設(shè)計(jì)建造安裝，彌補(bǔ)了起重資源不足,具有耗時(shí)短、成本低等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于海洋工程建設(shè)[2-5]。在項(xiàng)目前期可研或預(yù)可研階段,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、海況等諸多因素確定安裝方案,在基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和安裝設(shè)計(jì)階段對(duì)方案進(jìn)一步細(xì)化。

1 浮托安裝法優(yōu)勢(shì)分析

大型海洋平臺(tái)組塊整體浮托安裝是一種高效的海洋平臺(tái)安裝技術(shù),成功解決了大型平臺(tái)海上安裝的難題[6-7]。按照整體設(shè)計(jì)的要求,在陸上建造階段安裝好所有的設(shè)備設(shè)施,包括生活樓、鉆機(jī)模塊、火炬臂等,由大型駁船將整體建造好的組塊運(yùn)輸至海上,與預(yù)先安裝于海上的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)實(shí)施對(duì)接,采用駁船壓載的方式結(jié)合潮汐變化將組塊下放至導(dǎo)管架上,組塊立柱與導(dǎo)管架導(dǎo)管腿連接形成整體結(jié)構(gòu)。浮托安裝法對(duì)于海況要求較高,組塊下方至導(dǎo)管架過程異常復(fù)雜。與吊裝法相比,浮托安裝法實(shí)現(xiàn)了整體設(shè)計(jì)、整體建造、整體運(yùn)輸和整體安裝,除了適用于大型/超大型組塊安裝外,還具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.1 節(jié)約船舶資源使用

大型組塊如采用分塊吊裝法,由于浮吊起重能力限制,需要將整體組塊拆分成多塊,如東組塊、西組塊、生活樓、鉆機(jī)模塊、火炬臂等,需要投入數(shù)條駁船,增加了駁船資源費(fèi)用。采用浮托安裝法進(jìn)行運(yùn)輸安裝,僅需要投入1艘大型駁船即可,顯著提高拖航運(yùn)輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟(jì)性。

采用浮托安裝法,浮吊僅負(fù)責(zé)安裝LMU和其他附件設(shè)施以及焊接支持等工作,不涉及大型結(jié)構(gòu)物吊裝作業(yè),對(duì)浮吊起重能力要求較低,一般3 000 t級(jí)浮吊即可滿足要求。而采用吊裝法,即使拆成多塊,單塊重量往往也超過4 000 t,需要投入大型浮吊,如7 500 t級(jí)浮吊。

由于分塊吊裝法遺留大量工作到海上進(jìn)行,海上連接調(diào)試工期長,平臺(tái)床位有限,往往需要投入1艘生活支持船配合進(jìn)行海上連接調(diào)試工作,增加項(xiàng)目成本。

1.2 縮短組塊海上安裝工期

對(duì)于采用分塊吊裝法的大型組塊,由于組塊拆分為多塊,起重船在吊裝過程中,需要逐塊吊裝就位,同時(shí)受跨距等限制,需要調(diào)整浮吊船位,導(dǎo)致安裝工期很長,遭遇壞天氣待機(jī)的概率增大。而采用浮托安裝法的組塊,浮吊可提前投入進(jìn)行LMU安裝等準(zhǔn)備工作,在組塊運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后且海況具備條件的情況下，即可快速開展浮托作業(yè),安裝工期大幅度節(jié)約。經(jīng)初步估算,以15 000 t級(jí)組塊為例,若采用分塊吊裝法,安裝工期預(yù)計(jì)長達(dá)1個(gè)月,而采用整體浮托安裝法,安裝凈工期約為12 d。

1.3 有利于質(zhì)量控制

分塊吊裝法由于在設(shè)計(jì)、建造過程中對(duì)整體組塊進(jìn)行了拆分,各個(gè)分塊之間連接處在建造過程中增加了諸多界面誤差,不利于質(zhì)量控制。同時(shí)在安裝過程中,分塊吊裝也不利于安裝精度誤差控制,容易造成誤差積累。浮托安裝法實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)組塊的集成化設(shè)計(jì),最大程度減少界面誤差,主要施工和調(diào)試工作均在陸地完成,對(duì)質(zhì)量管控十分有利。

1.4 大幅度縮短組塊海上連接調(diào)試工期

采用分塊吊裝法,組塊工藝系統(tǒng)在陸地?zé)o法得到完善,遺留大量工作到海上進(jìn)行,包括結(jié)構(gòu)的連接、管線的安裝試壓氣密、電纜的鋪設(shè)接線校線等,陸地調(diào)試僅能完成少量單機(jī)調(diào)試工作,導(dǎo)致海上連接調(diào)試工期至少3個(gè)月以上。而整體浮托組塊,則在陸地實(shí)現(xiàn)了完工狀態(tài)最大化,僅剩余少量必須在海上進(jìn)行的施工調(diào)試工作,海上工期至少節(jié)約2個(gè)月,使得平臺(tái)能夠快速實(shí)現(xiàn)投產(chǎn),大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2 整體浮托安裝法和一般步驟

浮托安裝法一般可分為三個(gè)階段:浮吊前期準(zhǔn)備、駁船進(jìn)船與退船浮托作業(yè)、浮吊后期進(jìn)行焊接生活支持。駁船進(jìn)船與退船浮托作業(yè)是浮托安裝的關(guān)鍵,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和對(duì)海況要求較高,對(duì)于常規(guī)浮托作業(yè)來說,浮托作業(yè)工況要求有義波高≤1.5 m,風(fēng)速≤10 m/s,流速≤0.6 m/s,以及72 h作業(yè)窗口期,如采用動(dòng)力定位駁船進(jìn)行浮托作業(yè),駁船壓載能力和精準(zhǔn)就位能力更強(qiáng),對(duì)作業(yè)工況要求相對(duì)較低,所需作業(yè)氣候窗更容易滿足,其作業(yè)工況應(yīng)根據(jù)駁船動(dòng)力定位系統(tǒng)級(jí)別、推進(jìn)器能力和油田環(huán)境條件等在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行詳細(xì)核算。浮托作業(yè)使用的主要設(shè)備包括錨泊系統(tǒng)(用于駁船就位)、浮托護(hù)舷系統(tǒng)(護(hù)舷系統(tǒng)主要包括船艉導(dǎo)向護(hù)舷、橫蕩護(hù)舷和縱蕩護(hù)舷,起到水平方向的定位和緩沖作用[8-10],分別安裝在導(dǎo)管腿或駁船上,用于協(xié)助駁船精確就位于對(duì)接位置,同時(shí)避免駁船與導(dǎo)管架發(fā)生劇烈碰撞)、樁腿對(duì)接耦合裝置LMU(保證浮托安裝成功的關(guān)鍵部件,用于減緩組塊對(duì)導(dǎo)管架的沖擊[11-12],可預(yù)安裝在組塊立柱上，通過倒插尖與導(dǎo)管腿連接,也可直接由浮吊在浮托作業(yè)前安裝在導(dǎo)管架導(dǎo)管腿上)、浮托分離緩沖裝置DSU(安裝在組塊支撐裝置DSF頂部四角,用于緩沖組塊與駁船分離時(shí)的碰撞)、照明系統(tǒng)(用于夜間作業(yè)照明)等。大型組塊浮托作業(yè)一般步驟見圖1。

圖1步驟中,浮托前checklist檢查是針對(duì)浮托作業(yè)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作進(jìn)行的細(xì)致檢查,由業(yè)主方、海事保險(xiǎn)、第三方、總包項(xiàng)目組、安裝項(xiàng)目組、施工單位以及船方聯(lián)合進(jìn)行檢查并簽字確認(rèn),包括人員/設(shè)備設(shè)施準(zhǔn)備情況、駁船調(diào)載、導(dǎo)管架導(dǎo)管腿水平度確認(rèn)、圖紙文件、技術(shù)交底、通訊指揮、現(xiàn)場(chǎng)海況及72 h和天氣預(yù)報(bào)等,確保浮托作業(yè)前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒,具備作業(yè)條件。在作業(yè)過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為浮托安裝提供直接的信息反饋,保障安裝的順利進(jìn)行[13]。

3 浮托安裝工期分析

根據(jù)組塊浮托安裝的一般步驟,相關(guān)的作業(yè)劃分、邏輯關(guān)系、預(yù)估工期見表1。

表1 組塊浮托作業(yè)劃分表

根據(jù)施工工序和邏輯關(guān)系,建立時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃見圖2。時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃是網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)的一種,將橫道計(jì)劃與網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來,工作箭線的長短直接代表該工作的持續(xù)時(shí)間,形象地把整個(gè)工程進(jìn)度用網(wǎng)絡(luò)圖表述出來,直觀地表達(dá)出網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的時(shí)間參數(shù),明確關(guān)鍵線路和關(guān)鍵工作,快速確定項(xiàng)目的總工期[14-17]。

圖2 浮托作業(yè)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖Fig.2 Time-coordinate network for float-over installation

根據(jù)圖2可知,浮托計(jì)劃關(guān)鍵路徑為A→B→C→F→G →H,期望工期為12 d。關(guān)鍵路徑是計(jì)劃中最長的路線,決定了項(xiàng)目的總實(shí)耗時(shí)間[18-19]。實(shí)際項(xiàng)目計(jì)劃編制時(shí),應(yīng)對(duì)各個(gè)工序根據(jù)不同海域、不同季節(jié)、不同作業(yè)船舶考慮一定的天氣待機(jī)系數(shù)。天氣條件是安裝施工計(jì)劃能否正常進(jìn)行的決定性因素[20]。

4 工程實(shí)例

東方13-2CEPB平臺(tái)為8腿12裙樁導(dǎo)管架平臺(tái),位于中國南海鶯歌海海域,水深63.7 m。組塊采用滑道高位建造方式進(jìn)行建造,共設(shè)三層甲板,分別是上層甲板、中層甲板和下層甲板。平臺(tái)上設(shè)有燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組、天然氣生產(chǎn)處理、增壓設(shè)施及公用系統(tǒng)、鉆機(jī)模塊和120人生活樓等。整個(gè)平臺(tái)浮托重量17 247 t,是中國南海西部海域迄今為止規(guī)模最大、重量最重、工藝流程最復(fù)雜的平臺(tái)。該組塊在陸地建造階段通過設(shè)計(jì)專門的工裝將LMU預(yù)安裝至立柱底部,有效節(jié)約了海上安裝工期,見圖3。

圖3 LMU預(yù)安裝示意圖Fig.3 LMU pre-assembly

2019年4月2日東方13-2CEPB平臺(tái)組塊順利拖拉裝船至“海洋石油229”船設(shè)計(jì)位置,4月10日出港航赴現(xiàn)場(chǎng);主作業(yè)船于4月11日抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行倒插尖安裝等準(zhǔn)備工作,4月16日組塊成功浮托安裝至導(dǎo)管架上,駁船復(fù)員,見圖4;4月20日組塊立柱與導(dǎo)管腿焊接完成,主作業(yè)船復(fù)員,組塊海上安裝工作全部完成,僅用時(shí)10 d,在大幅節(jié)約了安裝工期的同時(shí)有效規(guī)避了后續(xù)壞天待機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。平臺(tái)僅用時(shí)18 d即實(shí)現(xiàn)海上機(jī)械完工,為后續(xù)平臺(tái)按時(shí)開展鉆井工作和提前投產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

圖4 組塊浮托完成照片F(xiàn)ig.4 Topside float-over installation finished

5 結(jié)論

大型組塊整體浮托安裝作業(yè)受現(xiàn)場(chǎng)海況、駁船調(diào)載能力、人員經(jīng)驗(yàn)水平、方案成熟度、作業(yè)準(zhǔn)備情況等各種因素的影響,屬于重大風(fēng)險(xiǎn)作業(yè),是項(xiàng)目管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如何準(zhǔn)確把握作業(yè)窗口期順利完成浮托安裝工作，對(duì)于平臺(tái)海上連接調(diào)試和投產(chǎn)至關(guān)重要。在方案編制時(shí)充分考慮各種制約因素和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并采取有效措施,細(xì)致施工準(zhǔn)備,浮托安裝工作才能按期順利實(shí)施。

本文通過對(duì)大型組塊浮托安裝法的優(yōu)勢(shì)、方法和施工步驟進(jìn)行詳細(xì)分析,制定時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃,定量評(píng)估作業(yè)工期,并結(jié)合已成功實(shí)施的東方13-2CEPB平臺(tái)組塊浮托作業(yè)情況,為大型組塊浮托安裝工期的準(zhǔn)確評(píng)估提供了參考和依據(jù)。在后續(xù)研究中,應(yīng)重點(diǎn)評(píng)估各種制約因素和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)浮托作業(yè)的影響,以便更準(zhǔn)確地評(píng)估大型組塊浮托安裝工期。