“深海一號”半潛式生產(chǎn)儲油平臺大敞口船體滑移橫向裝船技術(shù)

蔡元浪,楊亮,楊小龍,梁瑜

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

“深海一號”能源站上部模塊采用桁架式結(jié)構(gòu)，下部船體采用板殼式結(jié)構(gòu)，二者采用上部模塊整體吊裝的方式進(jìn)行合攏。其中船體為4立柱加環(huán)形浮箱的形式，空船重量達(dá)3萬 t以上，在陸地滑道上進(jìn)行建造并采用滑移裝船至半潛駁船的方式下水?！吧詈Ｒ惶枴蹦茉凑旧喜磕K為超大跨距的桁架式結(jié)構(gòu)，船體在滑移裝船時在立柱頂部為超大敞口結(jié)構(gòu)，隨著建造臨時支撐的拆除，船體只依靠幾組位于立柱下方的滑靴鋼制抬梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，受力的變化使船體發(fā)生變形并導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)承受更大的載荷。船體主尺度為91.5 m×91.5 m×59 m，用于下水的駁船采用10萬 t級半潛駁船“新光華“號，其船寬只有68 m，而船體的重量主要集中在4個21 m×21 m×59 m的立柱上，2個立柱中心線71.5 m，導(dǎo)致立柱的重心懸在駁船外側(cè)，也給裝船方案的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為此，基于“深海一號”能源站船體建造方案及其重量大、大敞口的特點(diǎn)，對該平臺船體總裝方案選擇、不同裝船方案、駁船的及臨時支撐結(jié)構(gòu)選擇等關(guān)鍵因素進(jìn)行分析論證，探討平臺船體裝船的注意事項(xiàng)，為平臺裝船下水方案的實(shí)施提供技術(shù)保障。

1 半潛式生產(chǎn)平臺船體方案概述

該半潛式生產(chǎn)平臺總體結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 船體總體結(jié)構(gòu)形式及尺寸(單位：m)

其上部組塊采用桁架式結(jié)構(gòu)，船體采用板殼式結(jié)構(gòu)提供浮力。船體為4立柱、4浮箱的結(jié)構(gòu)形式。船體長、寬均為91.5 m；立柱采用方形截面，水平截面長、寬均為21 m，高度為59 m；浮箱同樣采用方形截面，橫截面寬21 m，高9 m；立柱與浮箱連接位置稱為節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)作業(yè)海域?yàn)橹袊虾? 500 m水深海域氣田，作業(yè)吃水37 m，總排水量10.5萬 t，最大凝析油儲存能力2萬 t。設(shè)計(jì)海況為氣田所在海域百年一遇臺風(fēng)，并可以在千年一遇臺風(fēng)海況下自存。

2 半潛式生產(chǎn)平臺船體總裝方案比選

2.1 船塢總裝

船塢同期可進(jìn)行1或2座船體在船塢進(jìn)行總裝工作，特點(diǎn)和限制條件如下。

1)船塢無法長期被某個項(xiàng)目占用。不同項(xiàng)目的工期要求，導(dǎo)致單座船體不能長期占據(jù)船塢資源，往往需要二次進(jìn)出塢及坐底作業(yè)，而生產(chǎn)半潛平臺的下浮體采用陽極保護(hù)系統(tǒng)，船底布滿了陽極鋅塊，給二次坐底造成了潛在的風(fēng)險。

2)吊裝搭載資源的使用。船塢龍門吊資源是制約項(xiàng)目進(jìn)度的關(guān)鍵因素之一，多座平臺在塢內(nèi)會進(jìn)一步降低單個項(xiàng)目的龍門吊可使用效率，而在船體總裝搭載階段對吊裝作業(yè)有長時間集中使用的需求。

3)船塢承載力。船塢設(shè)計(jì)原則是承受面壓，局部承受集中載荷的能力較弱?！吧詈Ｒ惶枴卑霛摯w重量3萬 t以上，且大部分重量都集中在4個立柱，導(dǎo)致立柱下方塢墩承重非常大，在總裝搭載中后期時難以滿足承載力的要求，需要在塢內(nèi)注入海水提供一定的浮力來減少塢墩承載力。導(dǎo)致后續(xù)的總裝及設(shè)施集成工作效率降低。

2.2 滑道總裝

陸地滑道常用于柱穩(wěn)式平臺總裝搭載工作?；绤^(qū)域可以承受較大的集中載荷，可以保證在滑道區(qū)域的承載力滿足大噸位船體重量集中的要求；同時滑道外側(cè)空間充足，可以動用履帶吊資源在4個立柱同時開展集成工作；船體布置在臨海側(cè)，可以動用浮吊進(jìn)行大分段合攏來提升效率。

基于以上對比，綜合工期、資源使用等多個因素，最終選擇采用滑道進(jìn)行總裝搭載。

3 船體滑移裝船下水方案比選

3.1 裝船下水方案的選擇

為滿足“深海一號”船體陸地建造、滑道分段合攏、裝船下水方案，需要選擇合適的裝船方案，對業(yè)內(nèi)常用的海洋工程裝船設(shè)施進(jìn)行比選。

1)SPMT小車裝船。SPMT即自行式模塊運(yùn)輸車，可自由拼接、運(yùn)行靈活、同步性好，能自動對路面情況做出補(bǔ)償?shù)?。傳統(tǒng)海洋工程結(jié)構(gòu)物，采用整體或者分段的形式可以通過SMPT支撐運(yùn)輸抬梁滾裝到下水駁船進(jìn)行裝船。但SPMT裝載能力有限，在駁船與碼頭之間只能采取登船跳板的形式，對于高度方向精度控制較差，無法滿足本項(xiàng)目3萬 t以上船體重量的裝船要求。

2)傳統(tǒng)滑靴。傳統(tǒng)大型海洋工程結(jié)構(gòu)物，尤其是桁架式結(jié)構(gòu)物的裝船通常采用鋼制滑靴、絞車牽引的方式裝船，國內(nèi)完成過大型桁架式結(jié)構(gòu)物的裝船工作，但其精度較低，不同組滑靴之間的垂向位移同步性也很差。傳統(tǒng)滑靴的垂向精度通常只能控制在±25 mm，一旦某一個立柱下的滑靴達(dá)到最大精度偏差將導(dǎo)致另外3個立柱下的載荷急劇增加，對于板殼式結(jié)構(gòu)的船體來說，局部承受很大的集中載荷，將需要對船體進(jìn)行大范圍的永久性加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致船體在位重量大幅增加，影響船體的重控及平臺的穩(wěn)性與運(yùn)動性能。

3)液壓滑靴。液壓滑靴(見圖2)具有更好的精度控制能力，可達(dá)到±10 mm，其同步性也更好，在海洋工程浮式平臺裝船中經(jīng)常被使用，但對于3萬 t以上的上部大敞口船體還沒有工程業(yè)績。目前單個液壓滑靴的能力在650～800 t之間，通過制定詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合工程計(jì)算分析，可以控制風(fēng)險，滿足本項(xiàng)目的裝船要求。

圖2 典型液壓滑靴構(gòu)成示意

綜上所述，液壓滑靴是最適合本項(xiàng)目特點(diǎn)的裝船措施。

3.2 下水駁船的選擇

1)普通下水駁船。對于普通下水駁船，目前是船廠在陸地建造浮體，通過駁船下水的主要方式。通常下水駁船為方形駁船，在四角設(shè)置浮箱，來滿足下潛入水要求。目前國內(nèi)船廠常用的下水駁船尺寸無法滿足本項(xiàng)目的要求，需要進(jìn)行改造，增加寬度尺寸至110 m以上。而此類駁船吃水較淺，下水時穩(wěn)性較差，需要在碼頭進(jìn)行坐底作業(yè)，才能滿足船體滑移裝船的穩(wěn)性要求。駁船坐底作業(yè)需要對碼頭前沿進(jìn)行沙土填埋，完成裝船后再進(jìn)行清理，給項(xiàng)目工期及投資帶來很大的挑戰(zhàn)。

2)大型半潛駁船。目前大型半潛駁船如中遠(yuǎn)海特的“新光華”號(見圖3)和DOCKWISE的VANGUARD等可以達(dá)到10萬 t的載重能力，可以完成大型海洋結(jié)構(gòu)物的裝船下水及運(yùn)輸工作。半潛駁船通常配有空氣壓載系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)載作業(yè)，保證裝船速度和下水穩(wěn)性。

圖3 “新光華”號半潛式駁船運(yùn)輸大型海工結(jié)構(gòu)物

根據(jù)項(xiàng)目方案，船體還要運(yùn)至煙臺進(jìn)行后續(xù)的集成合攏工作，半潛駁船裝船過后可以直接干拖運(yùn)輸至煙臺海域，完成浮卸后進(jìn)行后續(xù)的施工作業(yè)。

3.3 裝船方向的選擇

通常運(yùn)輸船舶中部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較強(qiáng)，以抵抗“船體梁”在波浪條件下在船體中部產(chǎn)生的彎矩和剪力，而首尾區(qū)域結(jié)構(gòu)則相對較弱。

結(jié)構(gòu)物半潛駁船裝船可以采取尾部縱向裝船和舷側(cè)橫向裝船兩種方式，如采用縱向裝船，半潛船體上駁船后，半潛船體重量直接作用在駁船船尾，會短時間內(nèi)形成很大的載荷，駁船首部需要進(jìn)行壓載保持平衡，導(dǎo)致駁船承受非常大的縱向彎曲載荷，并在船尾產(chǎn)生大的剪切應(yīng)力，而“新光華”號船體尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則無法承受這樣大的載荷。

綜上，采用“新光華”號進(jìn)行橫向裝船作業(yè)。

4 船體滑移裝船方案設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

“深海一號”船體裝船是國內(nèi)首次實(shí)施超大型板殼式結(jié)構(gòu)物滑移裝船，也是世界最大噸位橫向滑移裝船。船體上部為大開口開敞式結(jié)構(gòu)，撤除建造臨時支撐后，船體只依靠幾組抬梁結(jié)構(gòu)支撐，受力的變化會使船體發(fā)生變形并導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)承受更大的載荷，同時建造場地港池的潮差大、水深受限，給船舶調(diào)載及水平控制帶來挑戰(zhàn)。

4.2 液壓滑靴系統(tǒng)的布置

陸地建造采用6條水泥滑道，12組鋼制抬梁，鋼制抬梁位于滑道上，船體在抬梁上進(jìn)行建造(見圖4)，為了防止千斤頂對船底板產(chǎn)生較大的集中載荷，抬梁與船底板之間采用高抗壓強(qiáng)度墊木用于分散作用在底板的載荷，同時船底其他位置采用臨時建造支撐，保證船體建造“0變形”。

圖4 液壓滑靴及支撐結(jié)構(gòu)布置示意

每個立柱下方設(shè)置12個800 t和6個650 t液壓滑靴，分成3組進(jìn)行控制，滑移裝船前完成液壓滑靴系統(tǒng)設(shè)備的安裝工作。

4.3 半潛駁船的布置

半潛駁船“新光華”號船寬只有68 m，而船體2個立柱中心線為71.5 m，導(dǎo)致立柱的重心懸在駁船外側(cè)；同時橫向裝船方式下駁船的穩(wěn)性很差，駁船船體運(yùn)動控制難，這些都給裝船方案帶來了很大的不確定性。

“新光華”上同樣需要布置12條鋼制滑道，與陸地上滑道相對應(yīng)，用于滑移裝船及后續(xù)干拖運(yùn)輸?shù)闹?，見圖5。

圖5 駁船鋼制滑道布置

隨著液壓滑靴的頂升滑移，當(dāng)載荷轉(zhuǎn)移至半潛駁上后，如果采用橡膠靠船件與半潛駁船舷側(cè)靠攏，可能造成半潛駁橫傾的突然變化，導(dǎo)致部分液壓滑靴的載荷突然增加，給船體和滑靴造成損傷。為了避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象，在船體首尾與碼頭前沿各設(shè)置一套鋼制靠船件，同組靠船件之間剛性接觸，可避免半潛駁船橫傾延遲現(xiàn)象的產(chǎn)生。

同時為了保證滑移的連續(xù)性，陸地滑道與駁船滑道之前需要安裝一定長度的跨接梁，跨接梁分別與兩側(cè)滑道上的鉸接點(diǎn)相連接，陸地上鉸接點(diǎn)為固定端，駁船上的鉸接點(diǎn)允許一定的水平滑動，可以向駁船一側(cè)滑動，可避免因?yàn)轳g船橫傾產(chǎn)生的位移。

4.4 船體及支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評估

裝船前，撤除建造臨時支撐后，船體的重量靠各組抬梁進(jìn)行支撐，立柱重心外懸(見圖6)，由重心產(chǎn)生的額外彎矩會給船體與抬梁位置的結(jié)構(gòu)造成非常大的載荷。

圖6 船體與半潛駁船橫向位置示意

為此，在設(shè)計(jì)過程中利用節(jié)點(diǎn)分艙的水密艙壁位置進(jìn)行抬梁支撐，并對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，包括對底板增加板厚至50 mm、對高應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)骨材穿越孔進(jìn)行封堵等措施，保證船體結(jié)構(gòu)既滿足裝船的強(qiáng)度要求，又不至于增加大量的加強(qiáng)和永久結(jié)構(gòu)重量，對在位性能產(chǎn)生影響。對半潛駁船增加臨時加強(qiáng)結(jié)構(gòu)加大船寬(見圖7)、增加抬梁長度來滿足立柱重心在駁船內(nèi)部的方案進(jìn)行評估，結(jié)果顯示對船體變形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果影響不大，由于對駁船的改造也需要大量的費(fèi)用和工期，因此最終采用不增加船寬的方案。

圖7 半潛駁船增加臨時加強(qiáng)的方案示意

受船寬限制，抬梁尺寸為17.5 m×4 m，布置在NODE的水密艙壁強(qiáng)結(jié)構(gòu)下方。按照液壓滑靴的支撐范圍及極限能力對鋼制抬梁及船體強(qiáng)度進(jìn)行評估，滿足拖拉過程的載荷要求和意外工況的發(fā)生，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對于結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度的要求。

4.5 裝船過程中的駁船穩(wěn)性評估

4.6 裝船作業(yè)風(fēng)險識別和管控

大型結(jié)構(gòu)物橫向裝船屬重大風(fēng)險作業(yè)，風(fēng)險的管控和識別貫穿于設(shè)計(jì)階段和執(zhí)行階段始終，是保障項(xiàng)目順利執(zhí)行的關(guān)鍵一環(huán)。除在設(shè)計(jì)源頭保障裝船作業(yè)本質(zhì)安全外，從管理上組建專題組推進(jìn)工作，引入專業(yè)風(fēng)險管理理念和工具，通過腦風(fēng)暴識別風(fēng)險矩陣，識別出重大風(fēng)險8項(xiàng)，并由專人負(fù)責(zé)維護(hù)和風(fēng)險處置狀態(tài)的更新。

5 船體滑移裝船現(xiàn)場實(shí)施

5.1 裝船實(shí)施步驟

1)預(yù)牽引作業(yè)，在裝船前挑選合適的時間和氣候窗開展，包括液壓滑靴油缸加壓將船體頂起，液壓滑靴保持油缸壓力同時觀察基地沉降情況，開始船體的陸地預(yù)牽引并完成5個爬行行程，停止預(yù)牽引，關(guān)閉液壓滑靴的油艙閥門及動力站完成預(yù)牽引工作。同時在上述過程中記錄各過程中的油缸壓力并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比。

2)正式牽引裝船作業(yè)，主要步驟包括：

(1)根據(jù)天氣預(yù)報選擇合適的裝船日期和時間，確認(rèn)天氣和潮汐滿足設(shè)計(jì)工況下的作業(yè)要求。

(2)確認(rèn)船體行進(jìn)路線上不和其他結(jié)構(gòu)物之間連接和干涉。

(3)清理滑軌上所有障礙物，并在滑軌上涂抹潤滑脂。

(4)開始船體頂升作業(yè)，液壓滑靴油缸加壓至設(shè)計(jì)壓力并將船體頂起。

(5)船體開始滑移，滑移至第一排液壓滑靴至陸地鉸接點(diǎn)前。

(6)船體繼續(xù)滑移，液壓滑靴開始上船，半潛駁船同時配合調(diào)載，調(diào)載過程中岸上設(shè)置全站儀，全程觀察半潛駁船的橫傾和縱傾狀態(tài)。

(7)船體滑移至半潛駁船上的設(shè)計(jì)位置。

(8)船體下放，釋放20%的載荷至半潛駁船鋼制滑道上，對墊墩及滑道進(jìn)行外觀檢查。

(9)船體完全下放之至半潛駁船，對船體、抬梁、墊墩及滑道進(jìn)行外觀檢查。

(10)液壓滑靴油缸完全收回，進(jìn)行船體的干拖固定，完成全部裝船作業(yè)。見圖8。

圖8 滑移裝船完成后現(xiàn)場

5.2 裝船實(shí)施情況

最終半潛式生產(chǎn)平臺船體裝船在海油工程青島場地順利進(jìn)行，歷時16 h，完成了包括頂起、滑移、上船、下落至駁船、載荷全部轉(zhuǎn)移、初步固定等所有預(yù)計(jì)步驟。所有步驟的實(shí)測數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)方案范圍內(nèi)，證明裝船方案合理、可靠。