深水半潛式生產(chǎn)平臺整體傾斜試驗技術(shù)研究及驗證

李 勇， 王 嘉， 朱傳超， 張慶營， 李長亮

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266500)

0 引 言

陵水17-2深水半潛式生產(chǎn)平臺是我國自主研發(fā)建造的全球首座十萬噸級深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺，用于開發(fā)我國首個1 500 m深水自營大氣田——陵水17-2氣田，為全球首創(chuàng)半潛平臺立柱儲油平臺，最大儲油量近2×104m3，實現(xiàn)了凝析油生產(chǎn)、儲存和外輸一體化功能[1]。傾斜試驗是船舶/浮式裝置交付之前需要進行的一項重要試驗，是通過調(diào)整移動重量使船體產(chǎn)生橫傾來求得該產(chǎn)品建造完工后實際重量和重心位置的一種有效方法，以便提供給作業(yè)者能在各種運營狀態(tài)下迅速而又簡便的方法校核平臺穩(wěn)性。深水半潛式生產(chǎn)平臺作為一種海上浮式裝置，同樣需要采用傾斜試驗的方式來確定平臺的實際重量和重心位置，由于平臺的結(jié)構(gòu)形式不同于常規(guī)船舶，有其自身的特點，本文就深水半潛式生產(chǎn)平臺傾斜試驗的技術(shù)關(guān)鍵點、試驗方案、試驗實施、試驗結(jié)果等方面進行了闡述。

1 技術(shù)關(guān)鍵點

1.1 試驗水深要求

該平臺由兩部分組成，一是由底部浮箱和4個立柱組成的船體部分，二是包含生活樓、透平發(fā)電機組、預(yù)熱回收裝置、干/濕氣壓縮機組、三甘醇再生裝置、乙二醇再生裝置、火炬臂以及凝析油、水處理、公共系統(tǒng)等的上部組塊，該平臺主要尺寸如表1和圖1所示。

表1 陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of Lingshui 17-2 semi-submersible production platform

圖1 陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺Fig.1 Lingshui 17-2 semi-submersible production platform

船體與上部組塊整體大合攏后，需要進行傾斜試驗，以確定該平臺的實際重量和重心位置。根據(jù)設(shè)計計算，本船的空船重量約為49 000 t，空船吃水為9 m，在不考慮其他因素的情況下，在保證船舶縱傾和橫傾符合試驗前提的條件下，傾斜試驗應(yīng)減少配載，降低自由液面對試驗數(shù)據(jù)的影響，按照此種情況考慮，傾斜試驗時吃水在9.5 m左右，試驗水深11 m即可以滿足要求。但該平臺的底部浮箱頂部安裝了6個SSIV閥門保護框架，尺寸較大，最大高度為4.8 m。這些保護框架的水線面面積將因船舶橫傾角度的變化而變化，如果試驗時框架處在水線面位置，由于試驗時水線面面積變化，將對傾斜試驗的數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大影響。為消除該影響，只有增加該平臺的試驗吃水，將保護框架完全浸沒在水中，為此，試驗時所需要的平臺吃水為

T=T1+H+h=9.0 m+4.8 m+1.5 m=15.3 m

式中，T1為浮箱吃水；H為保護框架最大高度；h為最大橫傾角時，保護框架不露出水面，框架頂部距水面的距離，h=(49.5/2+18)m×tan 2°≈1.5 m，最大橫傾角按照2°考慮。

根據(jù)CB/T 3035—2005《船舶傾斜實驗》4.3條“船舶四周(包括水下)應(yīng)有保證船舶在試驗過程中處于自由漂浮與自由橫傾狀態(tài)。不致觸及任何障礙物的空間”的要求，結(jié)合本船傾斜試驗時的最大角度和安全裕量，要求試驗時的最小水深為15.3 m+1.5 m=17.8 m。

1.2 多余和不足重量統(tǒng)計

多余和不足重量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)將直接影響傾斜試驗的結(jié)果，進而涉及傾斜試驗的成敗，因此在傾斜試驗前期，多余和不足重量的統(tǒng)計是最重要的一項工作，也是傾斜試驗的重要一環(huán)。

1.2.1 要求

根據(jù)各船級社以及船舶標準關(guān)于多余和不足重量的要求，試驗時，難以達到空船狀態(tài)時，可允許存在少部分的多余重量或不足重量，但均不應(yīng)超過設(shè)計空船排水量的1%，試驗所需移動的重量及必要的壓載和試驗人員不受上述多余重量的限制。

1.2.2 定義

根據(jù)中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》(2020年)，空船重量系指整個平臺的結(jié)構(gòu)重量連同永久安裝于平臺上的機械、設(shè)備和舾裝件，包括固定壓載、備件以及機械和系統(tǒng)中保持正常工作時的介質(zhì)，但不包括貯存在液艙或備用供應(yīng)艙內(nèi)的液體、消耗品或可變載荷、貯存物品、人員及其個人物品的重量?？沾亓堪ㄆ脚_上固定滅火系統(tǒng)中介質(zhì)(如淡水、二氧化碳、干粉、泡沫濃縮液等)的重量。

多余重量是指超出上述空船重量要求的所有物體的總重量，比如施工用工機具、腳手架、臨時施工用料等材料的重量[2]。尤其是艙室、各種罐體、工藝管道等內(nèi)的殘留液體，殘留液體會產(chǎn)生自由液面，將對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大的影響，多余的液體若無法清除，則需要將該液體的詳細數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，自由液面產(chǎn)生的結(jié)果統(tǒng)計到計算數(shù)據(jù)內(nèi)。試驗所需移動的重量及必要的壓載和試驗人員不受多余重量的限制，但需要進行詳細的統(tǒng)計，用于壓載的液體若有自由液面的存在，同樣需要在計算時進行考慮。

不足重量是指屬于船舶自身的設(shè)備/材料，但由于某種原因在傾斜試驗時未進行安裝的設(shè)備/材料的重量。傾斜試驗一般選擇在船舶完工狀態(tài)或接近完工狀態(tài)時進行，不足重量涉及的比較少，但也需要對照完工狀態(tài)，把未安裝或未施工的項目進行詳細統(tǒng)計。

1.2.3 與常規(guī)船舶的區(qū)別

(1) 海洋油氣平臺與常規(guī)船舶的陸地建造完工狀態(tài)是存在一些差別的，常規(guī)船舶完成碼頭系泊試驗、試航后，就可以交付給船東，直接投入運營，完工狀態(tài)較好。而海洋油氣平臺則有所不同，陸地交付后，在海上會有一些施工工作，這就造成海洋油氣平臺在陸地階段無法完全達到“空船狀態(tài)”，比如搭設(shè)的腳手架需要保留到海上施工完畢才能拆除等。

(2) 海洋油氣平臺上安裝大量的罐體設(shè)備，在平臺建造階段，部分罐體基于調(diào)試的需要，需要注入介質(zhì)，按照傾斜試驗的要求，這部分介質(zhì)屬于“多余重量”部分。由于涉及的罐體比較多，罐體的存液狀態(tài)統(tǒng)計不清楚的話，將對傾斜試驗產(chǎn)生很大影響。

1.2.4 統(tǒng)計時的策略

多余重量和不足重量的統(tǒng)計是一項煩瑣而又細致的工作，稍有差錯，將對試驗結(jié)果產(chǎn)生很大影響。根據(jù)多條船傾斜試驗的經(jīng)驗，對于多余重量和不足重量的統(tǒng)計采取如下策略，將會事半功倍。

(1) 嚴格按照《傾斜試驗大綱》給出的統(tǒng)計模板進行統(tǒng)計填寫，并且將多余重量和不足重量分開進行統(tǒng)計。

(2) 分專業(yè)、分類別進行統(tǒng)計，并提前由建造板塊各專業(yè)負責人進行初步統(tǒng)計。

(3) 每次進行現(xiàn)場狀態(tài)檢查時，有針對性地檢查，而不是看到什么記錄什么。

(4) 統(tǒng)計時“前松后緊”，空船狀態(tài)檢查一般在傾斜試驗前3～4周開始進行，前期檢查時，只需要進行粗略的記錄和統(tǒng)計，并將檢查結(jié)果通知相關(guān)方，并要求施工單位在傾斜試驗前進行整理，該施工的進行施工，多余的物品進行清理。最后一周或最后兩次的檢查，則需要詳細的記錄多余或不足物品的位置、重量、重心等信息。最后一次的檢查，是船東、第三方、設(shè)計、建造等各方的一次聯(lián)合檢查，檢查完畢后，需要各方在統(tǒng)計表格上簽字。

(5) 艙室、罐體內(nèi)的多余殘留液體的檢查和清理，需要進行專項安排，該項工作宜提前進行。為減少殘留液體的清理工作量，需要結(jié)合設(shè)備調(diào)試、艙室試驗等調(diào)試項目的需求，統(tǒng)籌考慮，減少艙室、罐體進水的數(shù)量。

2 試驗方案

2.1 重量轉(zhuǎn)移方式

該試驗采用水壓載的重量作為試驗的移動重量的方法，通過調(diào)載不同壓載艙中的壓載水，使平臺產(chǎn)生橫傾角并記錄數(shù)據(jù)，進而計算出平臺的重心位置[3]。壓載水的調(diào)載使用平臺自身的海水提升泵、排載泵、管線和閥門控制系統(tǒng)，因此在傾斜試驗前，涉及調(diào)載的相關(guān)設(shè)備、管線等需要完成調(diào)試，具備使用狀態(tài)。每次轉(zhuǎn)移的壓載水重量，根據(jù)需要達到的橫傾角度計算得出，轉(zhuǎn)移重量為100 t、 70 t……交替進行。

2.2 調(diào)平配載

該平臺空載狀態(tài)下的吃水為9 m，傾斜試驗吃水為15.3 m，需要進行壓載以滿足試驗吃水的要求。全船共28個壓載艙，24個壓載艙分布在底部環(huán)段，4個壓載艙位于立柱內(nèi)。為達到試驗吃水及橫傾要求，可通過配載計算，采用如下配載方案：

(1) 選取5個底部壓載艙注滿海水進行壓載，艙室注滿水的目的是避免試驗時產(chǎn)生自由液面。

(2) 使用4個底部橫面積較小的壓載艙作為重量轉(zhuǎn)移的艙室，結(jié)合每個艙室的最大轉(zhuǎn)移重量以及排載泵的性能，4個艙室內(nèi)加注同等重量的壓載水。4個艙室壓載水的自由液面產(chǎn)生的力矩在最終計算時需要考慮在內(nèi)。

(3) 使用4個立柱內(nèi)的壓載艙作為調(diào)載艙室，艙室內(nèi)的注水量一是滿足平臺吃水達到試驗吃水的要求，二是平臺橫傾在試驗要求的范圍之內(nèi)。4個艙室壓載水的自由液面產(chǎn)生的力矩在最終計算時需要進行考慮。

2.3 測量工具

該試驗測量工具采用擺錘+油槽的方式，共設(shè)置3套，分別布置于平臺的前中后3個位置。擺錘懸線的長度應(yīng)滿足傾斜時擺錘至少向一邊發(fā)生150 mm的位移，相關(guān)要求可以參見MSC.267(85)《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》中關(guān)于傾斜實驗的相關(guān)要求[4]。懸掛擺錘的擺線應(yīng)使用不易伸縮的鋼絲線，擺錘四周安裝上翼板并完全浸沒在介質(zhì)中，另外，油槽中的介質(zhì)最好使用黏度系數(shù)大的油品，其目的是平臺橫傾后擺錘能迅速停止擺動，便于讀得精確位移值。調(diào)整擺線、油槽以及油槽上刻度尺的位置，確保在試驗過程中，擺線不與刻度尺和油槽發(fā)生碰撞，擺錘不觸底。另外，油槽、刻度尺、擺線的掛點進行適當?shù)墓潭?，確保在整個傾斜試驗過程中均不能有任何移動。

2.4 試驗水域及帶纜方案

根據(jù)試驗吃水的要求，傾斜試驗水域要求水深至少17.8 m，且平臺四周(包括水下)應(yīng)留有充分的空間，保證在試驗的過程中平臺不觸及任何障礙物。

為保證傾斜試驗時的船舶穩(wěn)定，不發(fā)生漂移，試驗過程中需要進行系纜，并且需要拖輪進行全程協(xié)助。系泊纜的布置原則是在滿足安全要求的情況下盡量減少纜繩數(shù)量，系泊纜的方向應(yīng)沿著船長方向進行布置，同時系泊點應(yīng)盡量靠近中縱剖面，纜繩高度盡量靠近水線面，該平臺的系泊圖如圖2所示。為減少纜繩對試驗數(shù)據(jù)讀取的影響，在試驗過程中的數(shù)據(jù)讀取階段，纜繩必須是松弛的，不能受力[5]。

圖2 帶纜示意圖Fig.2 Platform with mooring line

圖3 力矩曲線圖Fig.3 Torque curve

3 試驗過程及結(jié)果

在準備工作完畢后，空船檢查狀態(tài)符合傾斜試驗的條件，在風力不超過三級的條件下進行傾斜試驗。按照船級社批準的《傾斜試驗大綱》要求的試驗步驟進行該試驗，主要過程如下：

(1) 組織業(yè)主、設(shè)計、船級社等各方對多余和不足重量進行現(xiàn)場檢查和確認。

(2) 按照壓排載方案將該半潛平臺調(diào)載到要求的吃水，對于本平臺而言，需要將吃水調(diào)載到15.3 m。

(3) 按照帶纜方案進行系纜，將半潛平臺拖至試驗水域。每次讀數(shù)時，必須在纜繩松弛、不受力的狀態(tài)下讀?。辉趬狠d水調(diào)載過程中，為保持半潛平臺的位置，纜繩可以受力。

(4) 記錄初始狀態(tài)下擺錘的位置，以及讀取半潛平臺的四角吃水。

(5) 按照《傾斜試驗大綱》要求的試驗步驟進行壓載水的調(diào)載及讀取擺錘的數(shù)據(jù)，共8個階段。每一步調(diào)載完畢后，待擺錘穩(wěn)定后方可讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完畢后，由技術(shù)人員進行計算，確定數(shù)據(jù)合理無誤后方可進行下一步。

(6) 所有步驟完成以后，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)進行初步計算，取得參與試驗各方的認可后，傾斜試驗結(jié)束。

通過該試驗得到的移動重量力矩曲線圖如圖3所示，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，進而得到該平臺的實際重量和重心位置，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

深水半潛式平臺與常規(guī)船舶的傾斜試驗在試驗原理、方法、計算等方面是一樣的，本文通過對深水半潛式平臺傾斜試驗的研究和驗證，在技術(shù)關(guān)鍵點、試驗方案、實施時的關(guān)注點等方面對后續(xù)該類型平臺的傾斜試驗提供了參考，有利于我國海洋石油深水裝備建造的順利實施。