陵水17-2半潛平臺(tái)組塊建造技術(shù)

劉新宇，陳邦敏，劉康，王娟

(1.中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司，廣東 湛江 570100；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028;3.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266555)

陵水17-2氣田位于南海北部大陸架西區(qū)的瓊東南盆地內(nèi)，處于瓊東南盆地中央坳陷帶陵南低凸起北部的陵水凹陷中央峽谷內(nèi)，距離海南省三亞市約150 km，距離西北側(cè)已生產(chǎn)的崖城13-1氣田約160 km，距崖城13-1氣田至香港輸氣管線約87 km。陵水17-2氣田是湛江分公司2014年發(fā)現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)大氣田。為開發(fā)陵水17-2氣田，將新建一座帶有凝析油儲(chǔ)油功能的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)(LS17-2 SEMI)及其系泊系統(tǒng)，1套水下生產(chǎn)系統(tǒng)和海底管線。其中，根據(jù)半潛平臺(tái)整體設(shè)計(jì)，陵水17-2平臺(tái)組塊為目前世界上最大的半潛平臺(tái)桁架式組塊。鑒于浮式平臺(tái)的疲勞比較敏感，為了獲得充足的疲勞設(shè)計(jì)余量，組塊關(guān)鍵區(qū)域的打磨要求較高，建造錯(cuò)皮要求也較高。同時(shí)，為了避免焊疤對(duì)主結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的影響，組塊結(jié)構(gòu)在疲勞關(guān)鍵影響區(qū)域，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置等設(shè)置了不可焊接區(qū)域，在此區(qū)域不可焊接任何設(shè)備支架，附屬結(jié)構(gòu)，電纜橋架，管線支架等結(jié)構(gòu)，這對(duì)組塊的整個(gè)建造流程造成了一定的影響。另外，由于陵水17-2組塊采用吊裝合龍，通過插尖對(duì)接的方式合龍。為了滿足合龍時(shí)插尖對(duì)位的要求，組塊的建造精度要求非常高，包括卷管精度，立柱定位精度等。因此整體而言，組塊的建造難度較固定式平臺(tái)大幅提高，如何高效高質(zhì)量地完成組塊的建造是開發(fā)氣田的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。

1 組塊建造場(chǎng)地資源

陵水17-2組塊為目前世界上最大的桁架式半潛平臺(tái)組塊，其包含120人生活樓、透平發(fā)電機(jī)組、干濕氣壓縮機(jī)組、TEG、MRU系統(tǒng)、余熱回收裝置、凝析油、水處理、公用系統(tǒng)等近200套設(shè)備。結(jié)構(gòu)主尺度：91.5 m×49.5 m、總甲板面積：11 300 m2(含夾層)、主甲板標(biāo)高:+70.5 m、夾層甲板標(biāo)高：+65.5 m、生產(chǎn)甲板標(biāo)高:+60.5 m、組塊吊裝重：16 535 t。(見圖1)。

圖1 陵水17-2半潛式平臺(tái)

組塊建造的首要任務(wù)是選擇符合設(shè)計(jì)能力的建造場(chǎng)地。陵水17-2平臺(tái)組塊在海洋工程青島場(chǎng)地5#滑道西側(cè)進(jìn)行建造(見圖2)。

根據(jù)組塊重量情況要求場(chǎng)地地基承載能力需不低于55 t/m2。為保證地基承載力滿足建造需求，實(shí)際選取場(chǎng)地內(nèi)6點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果顯示，所有測(cè)量點(diǎn)均滿足組塊的建造承載力需求(見表1)。

表1 5#滑道承載力 t/m2

陵水17-2上部組塊擬采用陸地滑移裝船，數(shù)字軸平行于滑道上，ROW A軸平行并靠近碼頭前沿，ROW A軸距離碼頭前沿的距離為170 m?；缐K布置于 2軸和5軸，并與陵水船體的2軸和5軸的滑道保持平齊。場(chǎng)地需準(zhǔn)備兩層滑道塊，第一層尺寸為1 500 mm(高)×4 000 mm(寬)，按照相關(guān)要求進(jìn)行鋪設(shè)，第二層滑道塊尺寸高和寬分別為800和2 000 mm，鋪設(shè)時(shí)上、下2層滑道塊中心線對(duì)正。兩層滑道塊之間用30～50 mm的砂漿找平并墊實(shí)，保證滑道塊總高度為2 400 mm。這有利于在船體完成裝船滯后，組塊的滑移裝船。

同時(shí)，為了滿足組塊的建造，場(chǎng)地需準(zhǔn)備配套的組塊結(jié)構(gòu)預(yù)制車間，配套車間，準(zhǔn)備各類吊機(jī)(主要考慮1 600 t和750 t)，SPMT運(yùn)輸車等相關(guān)建造資源。

2 組塊分片建造方案

2.1 組塊分片原則

組塊分片建造為目前世界上海洋平臺(tái)建造的最常規(guī)做法。組塊分片建造方案需要結(jié)合總裝方案、施工場(chǎng)地資源能力、平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)等各方面需求綜合考慮。良好的分片方案集合較好的一體化建造技術(shù)能非常高效的提高組塊的建造效率[1-2]。通常組塊的分片建造方案考慮因素主要如下。

1)組塊的功能性需求以及項(xiàng)目進(jìn)度等各方面考慮。陵水組塊采用桁架式結(jié)構(gòu)，組塊和船體之間最后通過8根立柱對(duì)接，因此要求立柱的定位、梁的定位精度較高，組塊分片計(jì)劃優(yōu)先要考慮依據(jù)軸線進(jìn)行劃分，以保證每一片甲板的完整度更好。對(duì)于部分外突的小甲板，由于設(shè)計(jì)進(jìn)度等各方的影響，可以考慮散裝。

2)場(chǎng)地建造施工資源因素。組塊的分片還需要綜合考慮場(chǎng)地的施工資源，包括分片建造廠房施工資源，涂裝施工資源，運(yùn)輸施工資源的影響。分片大小要滿足施工廠房車輛運(yùn)輸能力的要求。同時(shí)也要重點(diǎn)考慮分片上安裝立柱的高度，防止分片無法出車間或無法進(jìn)噴涂車間進(jìn)行噴涂?？傮w原則來講，只要場(chǎng)地資源允許，分片越大，建造效率約高。結(jié)合青島建造資源的情況，最大分片為36 m×24 m左右。

3)組塊的總裝方案。組塊的分片需要綜合考慮組塊的總裝方案及場(chǎng)地施工能力。陵水17-2組塊平臺(tái)采用滑道分片總裝，滑移裝船的建造方案。需要綜合考慮組塊的尺度以及組塊場(chǎng)地總裝高度，場(chǎng)地施工吊機(jī)的能力。為了提高建造效率，陵水17-2組塊分片較大，為保證總裝的可實(shí)施性，特租用了2臺(tái)1 600 t履帶吊，已滿足較大的甲板片吊裝的需求。

結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)度以及部分設(shè)備到貨進(jìn)度情況，陵水17-2組塊將生產(chǎn)甲板分為8片，夾層甲板分為7片，主甲板分為8片建造，見圖3。

圖3 陵水17-2平臺(tái)組塊分片情況

2.2 組塊分片預(yù)制步驟

為了提高施工效率，甲板片通常在車間內(nèi)進(jìn)行預(yù)制，充分的發(fā)揮車間內(nèi)配套機(jī)具的優(yōu)勢(shì)。甲板片預(yù)制主要包括以下幾個(gè)步驟[3-5]。

1)擺放墊墩或臨時(shí)支撐。墊墩或臨時(shí)支撐的主要目的是確保甲板片梁的最低點(diǎn)距離地面700 mm以上，這有利于后續(xù)對(duì)甲板底部桿件進(jìn)行焊接或打磨作業(yè)，也是充分考慮甲板片后續(xù)運(yùn)輸SPMT小車進(jìn)出的需要。

2)安裝主結(jié)構(gòu)梁。根據(jù)加工設(shè)計(jì)圖紙，在墊墩或臨時(shí)支撐上擺放主結(jié)構(gòu)梁，并點(diǎn)焊固定，在主梁上畫出小梁的位置，以便后續(xù)的小梁安裝。

3)小梁安裝。根據(jù)加工設(shè)計(jì)圖紙，在主梁上劃線位置將焊接區(qū)域打磨處理好，定位小梁，與主梁進(jìn)行點(diǎn)焊固定。

4)型材焊接固定。主要結(jié)構(gòu)梁完成定位后，開始焊接固定。為了便于焊接尺寸控制，焊接原則上自中間向四周焊接，先焊接腹板與翼板焊縫，在焊接腹板與腹板，最后焊接翼緣與翼緣。

5)甲板板鋪板焊接。安裝甲板板鋪板圖在焊機(jī)好的梁格上進(jìn)行鋪板。

6)安裝立柱。在立柱吊裝到定位位置，進(jìn)行焊接固定。

7)安裝其他附件。完成其他筋板，欄桿等附件的安裝。

待甲板片完成所有相關(guān)工作后，通過SPMT小車將甲板片倒運(yùn)到涂裝廠房進(jìn)行噴涂。噴涂完畢，甲板片就具備上滑道總裝的條件。

3 組塊總裝方案

3.1 常規(guī)組塊總裝原則

為了便于精度控制，常規(guī)組塊的總裝原則基本上是考慮從下往上，從中間往四周。這有利于組塊的定位和控制，也便于吊機(jī)走位吊裝。其基本步驟是[6-7]：

1)布置滑道塊、在滑道塊上布置滑靴[8]。清理滑道，滑道處理完畢后，將滑塊按照?qǐng)龅卦O(shè)計(jì)圖及技術(shù)要求擺放，滑靴按照滑靴布置圖布置好。建造過程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑靴墊木變形情況。在滑靴上布置稱重腳鞋，用于后期組塊稱重。擺放臨時(shí)支撐，當(dāng)甲板片未成形是起到臨時(shí)支撐作用。

2)由中間往四周吊裝下層甲板,見圖4。

圖4 下層甲板的總裝順序

3)由下往上吊裝其余甲板。與下層甲板的總裝原則一致，在下層甲板設(shè)備完成安裝后，順序往上吊裝其余甲板片。最終完成整個(gè)組塊的總裝建造。

陵水平臺(tái)組塊的總的建造原則與常規(guī)平臺(tái)的總裝大體一致，但是由于陵水平臺(tái)設(shè)計(jì)固有的特點(diǎn)以及項(xiàng)目運(yùn)行中的實(shí)際需求，在部分總裝方案及精度控制上也體現(xiàn)出了不同的特點(diǎn)，下文中將詳細(xì)介紹這些區(qū)別。

3.2 陵水組塊總裝精度要求

陵水組塊的跨距較大，主結(jié)構(gòu)尺度91.5 m×49.5 m。桁架式組塊結(jié)構(gòu)與船體進(jìn)行對(duì)接時(shí)，僅有8根立柱與船體連接(4根主立柱，4根輔立柱)。絕大部分荷載都經(jīng)過這8根立柱進(jìn)行傳遞，由于疲勞的影響，為降低應(yīng)力集中系數(shù)，在建造過程中，對(duì)組塊的建造精度和船體的建造精度均要求非常高。部分關(guān)鍵的總裝公差要求如下,見圖5。

圖5 組塊總裝公差

1)A軸D軸，2軸5軸之間的距離公差不超過±10 mm。

2)1軸2軸，5軸6軸之間的距離公差不超過±6 mm。

3)2軸5軸的對(duì)角線距離公差不超過±13 mm。

4)1軸2軸，5軸6軸之間的對(duì)角線距離公差不超過±6 mm。

5)數(shù)字軸與船體之間水平誤差不超過±13 mm。

6)字母軸與船體之間的水平公差不超過±13 mm。

與國(guó)內(nèi)固定式平臺(tái)組塊相比，陵水平臺(tái)在主要的建造公差要求上均較嚴(yán)格，見表2。因此在組塊的建造及總裝方案中需要重點(diǎn)關(guān)注建造精度的要求，制定合理的建造和總裝方案，采取必要的管理措施確保組塊精度符合要求。

表2 組塊建造精度對(duì)比

3.3 陵水組塊立柱后插方案

常規(guī)固定式平臺(tái)組塊建造通常立柱在甲板片預(yù)制時(shí)就安裝到甲板片上，車間內(nèi)安裝立柱效率較高，也利于組塊的整體噴涂和總裝。但是由于陵水組塊的跨距較大，且由于桁架式組塊結(jié)構(gòu)與船體進(jìn)行對(duì)接時(shí)，僅有8根立柱與船體連接。絕大部分荷載都經(jīng)過這8根立柱進(jìn)行傳遞，因此立柱的定位要求極高，其中最長(zhǎng)的對(duì)角跨度總長(zhǎng)70 m，僅允許誤差13 mm?？紤]到組塊的分片建造以及焊接收縮的影響，無法保證總裝后的整體立柱定位精度。

經(jīng)過詳細(xì)論證，陵水組塊與船體連接的立柱采用生產(chǎn)甲板全部完成連接后，進(jìn)行后安裝的方式進(jìn)展總裝。在組塊分片預(yù)制過程在，相關(guān)立柱位置的環(huán)板余量出50 mm的加工余量，供立柱總裝安裝時(shí)用于調(diào)整(圖6)，隨后在逐根吊裝8根立柱，見圖7。

圖6 調(diào)整環(huán)板及腹板尺寸

圖7 吊裝立柱

由于主立柱壁厚90 mm，輔立柱壁厚75 mm，二則厚度均較大，焊接過程中焊接變形較大。為保證焊后的尺寸，在整體焊接工序?qū)?根立柱分四批焊接，第一步焊接D2立柱，以此積累焊接收縮的變形量參數(shù)，以此參數(shù)考慮后續(xù)的焊接控制。第二步焊接D6、A5、A6立柱，控制滿足各立柱間的距離要求。第三步焊接D5立柱，可以通過D5立柱的焊接微調(diào)滿足以完成焊接立柱的距離要求。第四步焊接A2、A1、D1立柱，可以通過各立柱的焊接微調(diào)滿足以完成焊接立柱的距離要求。在焊接第一根立柱時(shí)需要雙人在對(duì)稱位置同時(shí)焊接，保證二則焊接熱輸入一致。保證各項(xiàng)焊接收縮一致。在焊接其余立柱時(shí)盡量保證雙側(cè)同時(shí)焊接，但是同時(shí)也需要根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整焊接位置已保證焊接收縮方向向有利于定位控制的位置變形。

最終所有立柱的焊后尺寸測(cè)量顯示，所有的立柱焊后尺寸控制完全合格，表明該后插立柱以及立柱的焊接方案制定的合理可行。

3.4 陵水組塊斜撐及夾層總裝方案

由于半潛平臺(tái)疲勞的影響，為了減少焊接對(duì)于主結(jié)構(gòu)的影響，降低建造過程中焊縫的檢驗(yàn)級(jí)別，組塊的夾層以及房間墻皮等在設(shè)計(jì)過程中有意避開主桁架，同時(shí)夾層房間通過在主桁架上伸出兩個(gè)短節(jié)，夾層結(jié)構(gòu)直搭接坐落在短節(jié)上，以此方式獲得支撐，見圖8。

圖8 桁架穿越夾層

受此設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)的影響，夾層的總裝方案與固定式平臺(tái)不同。如果先安裝斜撐，夾層將無法穿過斜撐完成吊裝。因此在建造過程中需要先在生產(chǎn)甲板上設(shè)置臨時(shí)支撐，將夾層吊裝到臨時(shí)支撐上，然后吊裝斜撐從夾層預(yù)留的空隙中插入，待斜撐完成焊接后，安裝斜撐上的支撐短節(jié)，夾層重量轉(zhuǎn)移到支撐短節(jié)上滯后才能拆除夾層的臨時(shí)支撐。

4 結(jié)論

本文通過說明傳統(tǒng)固定式平臺(tái)的總裝方案，分析陵水半潛式平臺(tái)組塊的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說明了陵水總裝方案的不同。根據(jù)陵水組塊的特點(diǎn)詳細(xì)說明了陵水組塊的分片方案及建造步驟。根據(jù)陵水平臺(tái)建造精度的詳細(xì)要求，提出了后插立柱方案，焊后測(cè)量結(jié)果表明后插立柱的方法有效可行，在大跨度下能將立柱定位在毫米級(jí)別，極大的提高了建造的精度。同時(shí)還根據(jù)桁架式組塊夾層設(shè)計(jì)的獨(dú)有支撐特點(diǎn)，制定了先總裝夾層，后安裝斜撐和支撐短節(jié)的形式，很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)長(zhǎng)達(dá)一年的建造，最終組塊依據(jù)建造方案于20年10月順利完成組塊建造，證明了本文提出的大型桁架式組塊的建造方法很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求，也使得海洋工程的建造精度和質(zhì)量更上了一個(gè)臺(tái)階。