深水導(dǎo)管架下水駁船適用性改造技術(shù)研究

崔廣亮，何 敏，魏佳廣，陳凱超，邱 煒

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

樁基式導(dǎo)管架平臺(tái)是海上油氣田開發(fā)應(yīng)用最為廣泛的固定式平臺(tái)[1]。在我國，通過幾十年的發(fā)展，對(duì)樁基式導(dǎo)管架平臺(tái)的研究取得了長足的進(jìn)步，積累了大量的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。目前，我國已經(jīng)能夠完全掌握200 m水深樁基式導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造及安裝技術(shù)。近年來，隨著油氣田的勘探開發(fā)逐步走向深水，200～300 m水深的可開采油藏被相繼發(fā)現(xiàn)，從技術(shù)難度及經(jīng)濟(jì)性角度來看，此水深范圍的油氣田開發(fā)應(yīng)用樁基式導(dǎo)管架平臺(tái)仍舊是比較經(jīng)濟(jì)的選擇[2]。

深水導(dǎo)管架建造完工后，采用下水駁船將導(dǎo)管架運(yùn)輸?shù)接吞锸┕がF(xiàn)場，通過滑移下水的方式進(jìn)行海上安裝。由于深水導(dǎo)管架具有結(jié)構(gòu)尺寸大、重量大及重心高等特點(diǎn)，因此對(duì)下水駁船有著較高的技術(shù)要求。以陸豐15-1DPP導(dǎo)管架為例，施工現(xiàn)場水深約286 m，導(dǎo)管架尺寸為95 m×95 m×300 m，設(shè)計(jì)質(zhì)量約30 500 t，世界范圍內(nèi)有能力完成該導(dǎo)管架安裝下水的駁船僅有荷蘭的“H-851”船和我國的“海洋石油229”船，而“H-851”船在同時(shí)段另有施工計(jì)劃，不能滿足陸豐項(xiàng)目的工期要求，因此“海洋石油229”船將成為陸豐15-1DPP導(dǎo)管架海上安裝的唯一駁船資源。

“海洋石油229”船是30 000 t級(jí)導(dǎo)管架下水駁船，運(yùn)輸陸豐15-1DPP導(dǎo)管架已達(dá)到船舶性能的極限。本項(xiàng)目以陸豐15-1DPP導(dǎo)管架為例，對(duì)“海洋石油229”船完成深水導(dǎo)管架運(yùn)輸下水的適用性進(jìn)行分析，并對(duì)船舶局部改造進(jìn)行可行性技術(shù)研究。

1 船舶主要技術(shù)參數(shù)

“海洋石油229”船為T型下水駁船，主要技術(shù)參數(shù)見表1[3]，駁船船體形式見圖1。

表1 “海洋石油229”船主要參數(shù)

圖1 “海洋石油229”下水駁船

2 “海洋石油229”船適用性分析

2.1 導(dǎo)管架裝船布置

陸豐15-1DPP導(dǎo)管架采用臥式建造，總長度達(dá)到300 m，導(dǎo)管架裝船布置方案如圖2所示。裝船時(shí)導(dǎo)管架底部需要探出船首，以減小船尾處導(dǎo)管架探出部分對(duì)船體的集中載荷。

圖2 導(dǎo)管架裝船布置示意

2.2 導(dǎo)管架運(yùn)輸工況穩(wěn)性計(jì)算分析

依據(jù)導(dǎo)管架裝船布置方案，應(yīng)用MOSES專業(yè)計(jì)算軟件對(duì)陸豐15-1DPP導(dǎo)管架及“海洋石油229”船進(jìn)行建模，選取駁船首吃水8.0 m，縱傾角0.133°，風(fēng)速100 kn為輸入數(shù)據(jù)，對(duì)導(dǎo)管架運(yùn)輸工況船舶穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 船舶穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果（運(yùn)輸工況）

上述計(jì)算分析表明，下水駁船在導(dǎo)管架運(yùn)輸工況下有良好的穩(wěn)性，各項(xiàng)分析結(jié)果滿足DNV規(guī)范要求。

2.3 導(dǎo)管架下水前工況穩(wěn)性計(jì)算分析

導(dǎo)管架滑移下水前，駁船將通過調(diào)整各個(gè)艙室的壓載水容量，使駁船調(diào)整至縱傾4.0°，此時(shí)船中吃水11.22 m，船舶吃水狀態(tài)見圖3。

圖3 導(dǎo)管架下水前駁船吃水示意

根據(jù)DNV規(guī)范要求，選取50 kn風(fēng)速作為環(huán)境輸入工況，對(duì)導(dǎo)管架滑移下水前駁船的穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 船舶穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果（下水前工況）

根據(jù)導(dǎo)管架下水前穩(wěn)性計(jì)算分析結(jié)果可以看出：面積比為0.92，小于DNV規(guī)范要求。由此可知，導(dǎo)管架滑移下水前駁船的動(dòng)穩(wěn)性不足，“海洋石油229”船下水能力無法滿足項(xiàng)目需求，應(yīng)進(jìn)行適用性改造。

2.4 “海洋石油229”船總縱強(qiáng)度計(jì)算分析

根據(jù)船舶穩(wěn)性計(jì)算時(shí)的船舶吃水狀態(tài)及環(huán)境條件，對(duì)“海洋石油229”船運(yùn)輸工況、導(dǎo)管架下水前工況以及導(dǎo)管架下水翻轉(zhuǎn)工況進(jìn)行總縱強(qiáng)度計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表4及表5。

表4 船舶彎矩計(jì)算結(jié)果

表5 船舶剪力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)導(dǎo)管架下水前穩(wěn)性計(jì)算分析結(jié)果可以看出：在下水翻轉(zhuǎn)工況下駁船距離船頭95 m位置最大彎矩值超出船舶設(shè)計(jì)許用值，船舶需進(jìn)行適用性改造，改造中應(yīng)當(dāng)對(duì)總縱強(qiáng)度進(jìn)行提升。

3 “海洋石油229”船適用性改造方案研究

影響船舶穩(wěn)性的外因主要是傾斜力矩的作用，例如風(fēng)浪作用、貨物移動(dòng)、拖船急牽以及船舶回轉(zhuǎn)等；內(nèi)因則主要是復(fù)原力矩，取決于排水量、重心和浮心的相對(duì)位置等因素[4]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，外因是不可避免且無法改變的，只能從內(nèi)因的主要影響因素進(jìn)行分析。陸豐15-1DPP導(dǎo)管架的長度和體積都較駁船大，調(diào)整裝船位置對(duì)導(dǎo)管架自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，并且不能有效地改善運(yùn)輸穩(wěn)性，因此只能通過增加船舶寬度和調(diào)整排水量來提高船舶穩(wěn)性。“海洋石油229”船是獨(dú)特的楔形結(jié)構(gòu)，船尾寬度65 m，增加船尾的寬度會(huì)大幅增加運(yùn)輸過程中的拖航阻力，鑒于實(shí)際拖航船舶資源限制和安全考慮，因此考慮在船舶中部楔形型寬變化處增加臨時(shí)浮箱以提高船舶穩(wěn)性是更為合適的方案。通過多次迭代計(jì)算分析，在船舶左右兩舷對(duì)稱位置各增加一個(gè)長50 m、寬11.5 m、高14.25 m的浮箱，能夠滿足穩(wěn)性要求。如圖4所示：浮箱布置在船中部船寬過渡位置，關(guān)于中軸線對(duì)稱分布，高度與型深相等，頂部與駁船甲板平齊，底部與駁船龍骨平齊，浮箱采用焊接方式與船體連接，同時(shí)新增浮箱分艙并兼作壓載艙使用。新增浮箱正處于船舶彎矩值超出設(shè)計(jì)許用值位置，新增浮箱的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)充分考慮能夠提升船舶總縱強(qiáng)度。

圖4 增加浮箱后的船舶總布置示意

3.1 駁船改造后導(dǎo)管架運(yùn)輸穩(wěn)性計(jì)算分析

原有導(dǎo)管架裝船布置方案不變，調(diào)整壓載方案，使下水駁船船首吃水8.3 m，縱傾角0.133°。以風(fēng)速100 kn為環(huán)境條件，對(duì)駁船改造后的導(dǎo)管架運(yùn)輸工況船舶穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 駁船改造后穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果（運(yùn)輸工況）

上述計(jì)算分析表明：導(dǎo)管架運(yùn)輸工況下駁船穩(wěn)性較改造前有所提高，各項(xiàng)分析結(jié)果能夠滿足DNV規(guī)范要求。

3.2 駁船改造后導(dǎo)管架下水前穩(wěn)性計(jì)算分析

駁船改造后導(dǎo)管架下水前駁船浮態(tài)：駁船船中吃水11.22 m，縱傾角4.0°。選取50 kn風(fēng)速作為環(huán)境輸入工況，對(duì)導(dǎo)管架滑移下水前駁船的穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 駁船改造后穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果（下水前工況）

上述計(jì)算分析表明：導(dǎo)管架下水前工況下駁船穩(wěn)性較改造前明顯提高，各項(xiàng)分析結(jié)果能夠滿足DNV規(guī)范要求。

3.3 駁船改造后導(dǎo)管架下水翻轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)性計(jì)算分析

駁船改造后導(dǎo)管架下水翻轉(zhuǎn)時(shí)駁船狀態(tài)：駁船縱傾8.78°，船舶吃水狀態(tài)如圖5所示。選取50kn風(fēng)速作為環(huán)境輸入工況，對(duì)導(dǎo)管架滑移下水翻轉(zhuǎn)時(shí)駁船的穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表8。

圖5 導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)時(shí)駁船吃水示意

表8 駁船改造后穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果—翻轉(zhuǎn)工況

上述計(jì)算分析表明，導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)工況下駁船穩(wěn)性能夠滿足DNV規(guī)范要求。

3.4 駁船改造總縱強(qiáng)度計(jì)算分析

新增浮箱結(jié)構(gòu)形式參照原船邊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)駁船總縱強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。下水翻轉(zhuǎn)工況下，駁船距離船頭95 m位置彎矩最大，許用值由5 941 387 kN·m提升至9 166 695 kN·m，大于彎矩理論值，百分比為70.9%，新增浮箱后的船舶總縱強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

導(dǎo)管架下水駁船的船舶能力是制約深水導(dǎo)管架安裝的一個(gè)關(guān)鍵因素。本文以陸豐15-1DPP導(dǎo)管架為例，對(duì)30 000 t級(jí)導(dǎo)管架下水駁船“海洋石油229”船進(jìn)行了可行性研究，并針對(duì)“海洋石油229”船穩(wěn)性及總縱強(qiáng)度提升方案進(jìn)行了可行性分析，為“海洋石油229”船運(yùn)輸陸豐15-1DPP導(dǎo)管架提供了理論依據(jù)。除此之外，在改造設(shè)計(jì)實(shí)施階段還需對(duì)“海洋石油229”船的局部強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，并對(duì)船體薄弱位置進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)。目前，此項(xiàng)技術(shù)研究已經(jīng)作為技術(shù)基礎(chǔ)應(yīng)用到“海洋石油229”船升級(jí)改造項(xiàng)目中，用于指導(dǎo)“海洋石油229”船升級(jí)改造詳細(xì)設(shè)計(jì)的開展。

深水導(dǎo)管架下水駁船適用性改造技術(shù)研究旨在提升現(xiàn)有船舶裝備的能力，有效地解決船舶資源制約海洋工程發(fā)展的問題，使深水導(dǎo)管架下水駁船發(fā)揮更大的效能，更好為深水導(dǎo)管架安裝服務(wù)[5]。