動力定位浮托組塊裝船方案設(shè)計(jì)

劉波,毛程亮,梁瑜,劉旭平,張法富

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

從1982年Statfjord B 深水混凝土重力式平臺平臺第一個在近海采用“浮托法”進(jìn)行安裝[1]到現(xiàn)在為止，浮托安裝已經(jīng)走過了40年的發(fā)展歷程。國內(nèi)常規(guī)浮托安裝項(xiàng)目涉及高位浮托、低位浮托、動力定位浮托和雙船浮托等多種作業(yè)方式[2]。自2005年以來，海洋石油工程股份有限公司已經(jīng)累計(jì)完成24個國內(nèi)浮托安裝項(xiàng)目，浮托安裝組塊重量從6 000 t提高到3.1萬t，作業(yè)海域也從渤海拓展至南海開闊水域[3]，具備了全系列、全海域、全天候浮托安裝技術(shù)[4]。南海氣候環(huán)境較為惡劣，若采用動力定位船進(jìn)行浮托作業(yè)，可以減少錨系布置費(fèi)用，節(jié)約施工時(shí)間，增加施工天氣窗口[5]。故考慮針對動力定位船浮托組塊裝船方式，分析縱向裝船及橫向裝船等方案優(yōu)缺點(diǎn)及可行性，為后續(xù)同類項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)參考及數(shù)據(jù)支持。

1 設(shè)計(jì)思路

浮托法裝船分析主要考慮滑移裝船方法，運(yùn)輸船浮靠碼頭，隨著組塊向船上移動必須對壓載艙進(jìn)行排載，同時(shí)由于潮位升高又需要對壓載艙進(jìn)行壓載，兩種反向操作均為了實(shí)現(xiàn)船上滑道與碼頭滑道保持平齊[6-7]。

常規(guī)組塊裝船方案評估流程見圖1，分為縱向裝船與橫向裝船，在保證船舶穩(wěn)性前提下均需校核其總縱強(qiáng)度以及對應(yīng)場地裝船許用潮位，同時(shí)橫向裝船由于組塊沿船體橫向拖行，裝船過程中壓載變化較大，是否可行還取決于船舶壓載系統(tǒng)調(diào)載能力[8]，需單獨(dú)進(jìn)行校核。

圖1 組塊裝船可行性評估流程

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 組塊縱向裝船方案

以珠海碼頭作為裝船作業(yè)場地，碼頭縱向裝船各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 碼頭縱向裝船各項(xiàng)參數(shù) m

組塊縱向裝船，船上滑道沿船長縱向布置，見圖2，滑道標(biāo)高需與碼頭滑道標(biāo)高保持一致，通過動力牽引系統(tǒng)牽引組塊從碼頭滑移至安裝船舶指定位置。

圖2 縱向裝船立面示意

2.2 組塊橫向裝船方案

橫向裝船組塊放置方向與縱向裝船方向相垂直，船上滑道改設(shè)計(jì)為沿船寬方向布置。為了避免裝船過程中組塊重心跨越船舶中心線，造成大量壓載艙壓載變化影響船舶浮態(tài)與穩(wěn)性，同時(shí)也為了降低裝船作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中考慮始終將組塊偏心側(cè)(即重量較大一側(cè))滑靴后上船，見圖3。

圖3 組塊橫向裝船示意(船艏視圖)

為匹配不同船舶型深，橫向裝船各項(xiàng)參數(shù)與縱向裝船相比(見表1)，船上滑道高度作相應(yīng)調(diào)整，橫向裝船方案船上滑道高度為3.0 m。

3 裝船方案數(shù)值分析

3.1 縱向裝船原始方案(整體浮托縱向裝船)

組塊整體浮托重量為18 500 t，以組塊滑靴后排腿剛上船作為控制工況進(jìn)行分析，計(jì)算許用潮位(許用最低潮位、許用最高潮位)及總縱強(qiáng)度見表2。

表2 整體浮托艉裝船許用低潮汐及總縱強(qiáng)度

碼頭潮汐分布與許用潮位對比見圖4。

船體總縱強(qiáng)度校核用下式。

UCBM=BMmax/BMmaxallow

(1)

UCSF=SFmax/SFmaxallow

(2)

式中:UCBM為彎矩許用安全系數(shù)；BMmax為總縱強(qiáng)度彎矩計(jì)算最大值；BMmaxallow為彎矩最大許用值；UCSF為剪力許用安全系數(shù)；SFmax為總縱強(qiáng)度剪力計(jì)算最大值；SFmaxallow為剪力最大許用值?？偪v強(qiáng)度UC值均要求小于1。

許用潮位計(jì)算方法用下式。

Tidemin=Tmin+Hq+Hsk-Hvsl-Dvsl

(3)

Tidemax=Tmax+Hq+Hsk-Hvsl-Dvsl

(4)

式中:Tidemin為許用低潮位；Tmin為船舶最小吃水；Tidemax為許用高潮位，Tmax為船舶最大吃水；其他參數(shù)含義見表1。

根據(jù)表2及圖4中數(shù)據(jù)，該方案裝船屬于低潮位受限工況，增加吃水到10.0 m后裝船剪力UC值仍不滿足要求，裝船所需最低潮位3.45 m，珠海碼頭全月最高潮為2.87 m，即使碼頭漲潮至最高潮位，船舶的吃水僅為9.42 m，該吃水下總縱強(qiáng)度也無法滿足要求；同時(shí)，船底與海底泥面間隙也無法滿足最小1 m要求，初步判斷該方案下裝船氣候窗不存在，需對方案進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 縱向裝船原始方案潮汐對比表

3.2 組塊假腿支撐方案縱向裝船(整體浮托)

考慮在組塊A、B軸兩腿外側(cè)增加假腿，盡量增加組塊重量沿船長方向分布范圍，見圖5。

圖5 組塊假腿支撐方案示意

增加假腿，組塊支撐結(jié)構(gòu)(DSF)增加500 t，組塊重量增重約500 t，支反力分布變化見表3。

通過計(jì)算不同吃水下總縱強(qiáng)度，9.5 m吃水下校核總縱強(qiáng)度彎矩及剪力最大UC值分別為1.15及1.28，表3中滑靴重量分布也表明，增加兩排假腿后組塊重量增加1 000 t，新增腿釋放原腿重量有限，總縱強(qiáng)度校核結(jié)果未得到改善。

表3 組塊增加假腿后滑靴重量分布變化 GN

3.3 組塊減重縱向裝船方案(去除部分模塊)

去除部分組塊結(jié)構(gòu)后(生活樓及鉆機(jī)模塊浮托后海上吊裝)，組塊浮托重量變?yōu)?4 800 t，組塊重量變輕后，碼頭滑道高度可以降為2.5 m(兩塊滑道塊疊加)，重新評估組塊裝船許用最小潮汐高度及總縱強(qiáng)度，結(jié)果見表4，碼頭潮汐許用潮汐對比見圖6。

表4 減重浮托縱向裝船許用低潮位及總縱強(qiáng)度

圖6 組塊減重縱向裝船潮汐對比

根據(jù)表4及圖6中數(shù)據(jù)，增加吃水到10.0 m后裝船剪力UC值雖然已滿足要求，但裝船所需最低潮高要求至少2.2 m，根據(jù)全月碼頭潮汐統(tǒng)計(jì)曲線，裝船氣候窗仍然幾乎不存在(即當(dāng)日潮汐統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中漲至2.2 m以上并維持至少10 h時(shí)間)，因此，組塊減重縱向裝船方案仍不可行，需考慮采用橫向裝船形式。

另一個影響因素是碼頭滑道高度，由于本項(xiàng)目碼頭承載力不足，導(dǎo)致需要墊高碼頭滑道，若能降低碼頭滑道高度至2.5 m，則最低潮位要求將降低到0.96 m，縱向裝船許用潮汐氣候窗將得到較大改善。

3.4 組塊減重橫向裝船方案

根據(jù)滑靴上船長度將橫向裝船劃分為0～7步，見圖7。各步滑靴在船上位置描述見表5。

圖7 組塊橫向裝船各步滑靴位置變化示意

表5 橫向裝船各步滑靴位置描述

根據(jù)組塊上船后滑靴重量分布，同時(shí)保證船上滑道和碼頭滑道在裝船過程中保持水平，分別計(jì)算各步所需的最小吃水，以此推出裝船所需潮汐范圍，結(jié)果見表6，與潮汐變化對比見圖8。

圖8 組塊減重橫向裝船潮汐對比

表6 各步驟最小吃水及許用潮位 m

組塊減重并改用橫向裝船后，許用潮汐范圍得到較大改善，根據(jù)珠海碼頭潮汐曲線，全月均可以滿足24 h裝船氣候窗。

圖10 組塊橫向裝船靜水剪力計(jì)算值

組塊滑靴橫向滑移過程中，計(jì)算各步船舶總縱強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求，彎矩及剪力結(jié)果見圖9、10。組塊橫向裝船過程中最大彎矩及剪力UC值分別為0.52及0.57，滿足規(guī)范要求。

圖9 組塊橫向裝船靜水彎矩計(jì)算值

3.5 組塊橫向裝船調(diào)載能力評估及優(yōu)化

橫向裝船由于組塊重量左右舷分布變化大，對船舶調(diào)載能力要求較高，需單獨(dú)進(jìn)行校核，取碼頭全月潮差范圍最大的一天作為潮汐數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，見圖11。

圖11 碼頭單日潮汐變化

以最高潮位置點(diǎn)作為組塊拖拉完成點(diǎn)，動力牽引系統(tǒng)拖拉速度可調(diào)節(jié)范圍為最大15 m/h，根據(jù)各步組塊裝船拖拉速度反推出各步潮位高度及船舶吃水，數(shù)據(jù)見表7。

表7 橫向裝船各步操作基本參數(shù)

本安裝船共有4套空壓機(jī)系統(tǒng)，按照3用1備原則進(jìn)行壓載系統(tǒng)能力評估。空壓機(jī)系統(tǒng)壓排載能力為253 t/min，船舶艙室上下共分為3層，為了保障船舶穩(wěn)性，盡量使用中下層艙室進(jìn)行調(diào)載，考慮開啟部分兩端艙室以利于控制總縱強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中需盡量減少艙室頻繁開啟關(guān)閉，降低整體壓排載工作量。

通過計(jì)算組塊滑靴各段上船后船舶在有限時(shí)間內(nèi)空壓機(jī)系統(tǒng)可以壓排載的壓載水總量，對比滑靴位置前后變化需要調(diào)整的壓載水總量，最終得到空壓機(jī)調(diào)載系統(tǒng)能力，表8中顯示空壓機(jī)系統(tǒng)最低調(diào)載能力系數(shù)為1.26。

理論上調(diào)載能力系數(shù)只要大于1即可滿足裝船壓載需求，但為了獲取更大的調(diào)載能力冗余度，可以通過調(diào)整滑靴上船后拖拉過程各步之間拖拉速度，延緩關(guān)鍵工況拖拉時(shí)間，增加某段滑靴重量拖拉上船過程中空壓機(jī)系統(tǒng)可完成的總壓載量。重新調(diào)整各段滑靴上船拖拉速度后空壓力調(diào)載能力評估結(jié)果見表8，通過放慢關(guān)鍵步驟拖拉速度可以增加船舶調(diào)載系統(tǒng)能力，保障裝船作業(yè)安全。

表8 組塊橫向裝船各步空壓機(jī)系統(tǒng)調(diào)載能力

表9 不同拖拉速度調(diào)載系統(tǒng)能評估對比

4 結(jié)論

動力定位浮托裝船設(shè)計(jì)中，若采用縱向裝船形式，需綜合考慮碼頭標(biāo)高、滑道高度、潮汐及船舶信息匹配性等因素，通過校核裝船潮汐氣候窗及總縱強(qiáng)度等關(guān)鍵工況論證可行性。通過對比常規(guī)縱向裝船布置、增加假腿分散組塊重量分布、部分模塊后裝降低組塊重量等多種設(shè)計(jì)方案，分析各方案可行性，推薦使用橫向裝船方式進(jìn)行組塊裝船作業(yè)，該方式通常滿足全月存在24 h裝船氣候窗，船體強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，針對動力定位船組塊橫向裝船調(diào)載能力適應(yīng)性問題，可以通過降低關(guān)鍵步驟動力牽引系統(tǒng)拖拉速度，達(dá)到增加船舶調(diào)載能力目的。

此外，對于組塊偏心可能引起的橫向裝船橫傾風(fēng)險(xiǎn)，可根據(jù)組塊重心位置進(jìn)行優(yōu)化，讓偏心一側(cè)(即重量較大一側(cè))滑靴最后上船，確保整個橫向裝船過程中組塊重心始終處于靠近碼頭一側(cè)，避免壓載過程中發(fā)生傾覆風(fēng)險(xiǎn)。