南海百米級(jí)水深大型平臺(tái)浮托安裝設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李新超

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

隨著我國(guó)海洋油氣開發(fā)的規(guī)模化、深水化，浮托技術(shù)將越來(lái)越多地應(yīng)用于百米級(jí)及以上水深的平臺(tái)建設(shè)工程，而目前國(guó)內(nèi)同類型浮托設(shè)計(jì)及施工案例較少。為此，考慮以南海百米級(jí)水深重約15 500 t的上部平臺(tái)進(jìn)行浮托安裝為例，對(duì)運(yùn)用浮托技術(shù)進(jìn)行大型組塊海上安裝的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，給出關(guān)鍵計(jì)算結(jié)果，介紹實(shí)踐過(guò)程中的實(shí)地監(jiān)測(cè)情況。

1 平臺(tái)基本情況

1.1 上部組塊

陸豐14-4鉆采平臺(tái)位于中國(guó)南海水深約144.5 m區(qū)域，該平臺(tái)組塊浮托重量約為15 500 t，包括組塊支撐框架結(jié)構(gòu)(deck support frame， DSF)、滑靴等。平臺(tái)有8個(gè)主腿，其外形尺寸約為76.8 m×42.3 m×18.7 m。甲板結(jié)構(gòu)采用由梁板柱和斜撐構(gòu)成的空間鋼構(gòu)架，主要分為4層，標(biāo)高分別為EL.(+)35.5 m，EL.(+)31.0 m，EL.(+)26.5 m，EL.(+)20.0 m。DSF尺寸約為33.85 m×26.0 m×10.15 m，不包含組塊浮托分離緩沖裝置(deck separation unit， DSU)高度為0.25 m，DSF重量約為1 300 t。組塊與DSF分開建造，DSF建造完成之后通過(guò)拖拉方式，滑移到組塊下方就位，然后組塊通過(guò)重量轉(zhuǎn)移的方式與DSF對(duì)接并固定，最后整體拖拉裝船至海洋石油228船，并采用高位浮托方式于2021年5月18日完成了海上安裝作業(yè)。該平臺(tái)組塊及導(dǎo)管架的三維模型見圖1。

圖1 平臺(tái)三維模型

1.2 下部導(dǎo)管架

該平臺(tái)導(dǎo)管架共有8主腿、12裙樁，6個(gè)水平層，標(biāo)高分別為

EL.(+)9.1 m，EL.(-)16.0 m，

EL.(-)43.0 m，EL.(-)73.0 m，

EL.(-)108.0 m，EL.(-)142.5 m。

該平臺(tái)導(dǎo)管架重量約為15 600 t，工作點(diǎn)標(biāo)高為EL.(+)10.0 m，工作點(diǎn)尺寸64.0 m×18.0 m，浮托槽口軸間距尺寸為48 m×18 m。

1.3 浮托駁船

浮托駁船海洋石油228為T型非自航甲板駁船，駁船共32個(gè)壓排載艙室。駁船垂線間長(zhǎng)為180.0 m，型寬52.5/36.0 m，型深12.75 m。上部組塊及駁船的基本重量數(shù)據(jù)見表1。

表1 上部組塊及駁船基本重量數(shù)據(jù)

1.4 作業(yè)海況條件

浮托作業(yè)分為工況1、2兩個(gè)主要工況進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。其中工況1是待命工況，浮托駁船在主拖船拖航下運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，然后開始進(jìn)行各項(xiàng)浮托前的準(zhǔn)備工作，包括：錨系拋設(shè)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)、切割設(shè)備布置、照明系統(tǒng)布置及各設(shè)備的聯(lián)調(diào)等。在浮托駁船完成錨系拋設(shè)后，進(jìn)入待命工況，此時(shí)需滿足錨纜張力不大于2 500 kN、端部上拔力小于150 kN(大抓力錨自重)以及錨纜與海底管線之間的距離大于10 m等設(shè)計(jì)要求，不會(huì)發(fā)生走錨等現(xiàn)象。工況2是作業(yè)工況，相關(guān)作業(yè)內(nèi)容包括：進(jìn)船、固定切除及下放、載荷轉(zhuǎn)移、退船等。兩種工況的海況條件見表2。

表2 環(huán)境條件

浮托作業(yè)的施工過(guò)程歷時(shí)較長(zhǎng)，南海海域浮托待命工況一般歷時(shí)10～14 h，作業(yè)工況歷時(shí)6～10 h，總歷時(shí)約16～24 h。鑒于此，浮托現(xiàn)場(chǎng)適合作業(yè)氣候窗一般要求為72 h，不能小于48 h?，F(xiàn)場(chǎng)一般需提供2個(gè)及以上獨(dú)立來(lái)源每12 h一次的48 h氣象預(yù)報(bào)，且需對(duì)72 h以內(nèi)的氣象進(jìn)行展望。氣象預(yù)報(bào)內(nèi)容至少包括：風(fēng)速、風(fēng)向，浪高、浪向以及波浪周期等。

2 浮托設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

陸豐14-4鉆采平臺(tái)浮托安裝采用的是傳統(tǒng)高位浮托方法，并采取8點(diǎn)錨系方式進(jìn)行駁船定位。錨系系統(tǒng)包括：8臺(tái)150 t錨機(jī)、2套可翻轉(zhuǎn)式導(dǎo)向滑輪、10個(gè)固定式水平導(dǎo)向滑輪、8個(gè)導(dǎo)纜鉗、8個(gè)15 t大抓力錨，以及浮筒若干等。其他主要浮托設(shè)備包括：①護(hù)舷系統(tǒng)，分為導(dǎo)向護(hù)舷、橫檔護(hù)舷和縱蕩護(hù)舷，其中導(dǎo)向護(hù)舷用于協(xié)助船舶進(jìn)入導(dǎo)管架，橫蕩護(hù)舷和縱蕩護(hù)舷則用于緩沖船舶與導(dǎo)管架之間碰撞并協(xié)助駁船精確就位；②浮托縱向擋板，安裝于導(dǎo)管架進(jìn)船側(cè)主腿上，用于協(xié)助駁船精確就位于對(duì)接位置；③樁腿對(duì)接耦合裝置(leg mating unit， LMU)，安裝于導(dǎo)管架上，主要用于緩沖組塊插尖與導(dǎo)管架對(duì)接時(shí)的碰撞力；④組塊浮托分離緩沖裝置，安裝在組塊支撐結(jié)構(gòu)頂部四角，主要用于緩沖組塊與船舶分離時(shí)的碰撞力。

浮托駁船海洋石油228裝載組塊運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后，主拖輪將收短拖纜并與現(xiàn)場(chǎng)另外兩艘拖船一起協(xié)助浮托駁船進(jìn)行穩(wěn)船訓(xùn)練。待可有效控制浮托駁船運(yùn)動(dòng)后，3艘拖船協(xié)助駁船靠近并距離導(dǎo)管架約300 m位置，將駁船穩(wěn)定在此位置，然后采用3艘拖船逐一拋設(shè)駁船浮托錨系用鋼纜(共8根，直徑76 mm、長(zhǎng)度1 500 m)。如圖2所示，浮托駁船完成錨系布設(shè)后進(jìn)入浮托待命狀態(tài)，此時(shí)駁船船首距離導(dǎo)管架約300 m，需注意調(diào)整駁船與導(dǎo)管架之間的對(duì)中度，并將浮托駁船由拖航狀態(tài)調(diào)整至浮托進(jìn)船狀態(tài)，橫傾及縱傾均為0°，整船吃水為7.0 m。

圖2 駁船待命狀態(tài)

浮托駁船進(jìn)入待命狀態(tài)后，將進(jìn)一步確認(rèn)天氣、海況條件是否滿足浮托設(shè)計(jì)要求。若現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作完成情況和氣象狀況都良好，將正式開始浮托作業(yè)，并開始切除運(yùn)輸固定。駁船絞船逐步靠近導(dǎo)管架，距離導(dǎo)管架槽口附近時(shí)需注意駁船船艏運(yùn)動(dòng)情況，待船艏水平運(yùn)動(dòng)滿足進(jìn)船間隙要求(小于2 m)并保證駁船對(duì)中后，繼續(xù)進(jìn)船，船頭進(jìn)入導(dǎo)管架槽口約15 m,啟動(dòng)可翻轉(zhuǎn)式滑輪，船頭2根錨纜由船頭轉(zhuǎn)至船中位置，見圖3。

圖3 駁船進(jìn)入導(dǎo)管架槽口

繼續(xù)進(jìn)船，組塊對(duì)接插尖準(zhǔn)備跨越LMU前，需確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)潮水不低于平均海平面(MSL0.95 m)后再進(jìn)行跨越，此時(shí)垂直進(jìn)船間隙1.2 m，然后繼續(xù)進(jìn)船至最終設(shè)計(jì)位置，見圖4、5。

圖4 駁船進(jìn)船立面示意

圖5 駁船設(shè)計(jì)位置就位

駁船最終設(shè)計(jì)位置就位后，調(diào)整錨機(jī)纜繩張力，以確保組塊腿插尖在LMU捕捉半徑0.6 m之內(nèi)。再次確認(rèn)完成運(yùn)輸固定切除后，開始?jí)狠d浮托駁船并利用落潮完成荷載從駁船轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架上，見圖6。

圖6 載荷轉(zhuǎn)移完成

繼續(xù)壓載駁船至退船吃水10.6 m，此時(shí)駁船干舷2.15 m，DSU頂部與組塊底部間隙1.2 m，船底部與導(dǎo)管架水平層間隙4.35 m，見圖7。

圖7 駁船壓載至退船吃水

如圖8所示，開始絞動(dòng)錨纜，浮托駁船逐步退出導(dǎo)管架槽口至安全位置，陸續(xù)回收錨系系統(tǒng)并進(jìn)行LMU放沙、焊接及檢驗(yàn)等，完成浮托安裝作業(yè)。

圖8 駁船退出導(dǎo)管架槽口

2.2 計(jì)算分析

選用商業(yè)軟件MOSES對(duì)組塊浮托作業(yè)的待命狀態(tài)、進(jìn)退船、載荷轉(zhuǎn)移等階段的錨纜受力、LMU&DSU受力和運(yùn)動(dòng)情況、駁船運(yùn)動(dòng)情況以及護(hù)舷受力和運(yùn)動(dòng)情況等進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

駁船錨纜數(shù)值模擬模型如圖9所示。完整工況的最大錨纜張力為1 290 kN，錨纜安全系數(shù)為3.1，滿足不小于2.0的設(shè)計(jì)要求；斷纜工況的最大錨纜張力為2 580 kN，錨纜安全系數(shù)為1.55，滿足不小于1.43的設(shè)計(jì)要求。

圖9 駁船錨纜數(shù)值模擬模型

整個(gè)浮托進(jìn)退船及載荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值模擬分析結(jié)果匯總于表3。其中，載荷轉(zhuǎn)移工況共分為0%，5%、25%、50%、75%、95%和100%等7個(gè)不同階段進(jìn)行了模擬分析，對(duì)應(yīng)的浮托駁船吃水分別為8.7、8.78、9.02、9.11、9.16、9.39和9.4 m。

從表3數(shù)據(jù)可以看出，各作業(yè)工況的浮托參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。其中，載荷轉(zhuǎn)移95%工況的LMU水平力最大，最大值約為5 410 kN；載荷轉(zhuǎn)移100%工況的LMU垂向力最大值為17 790 kN，計(jì)算值與設(shè)計(jì)值最為接近；LMU垂向運(yùn)動(dòng)最大值為0.58 m，發(fā)生在載荷轉(zhuǎn)移50%工況；LMU水平運(yùn)動(dòng)最大值為0.34 m，發(fā)生在載荷轉(zhuǎn)移75%工況；DSU垂向運(yùn)動(dòng)最大值也比較接近設(shè)計(jì)限值；退船階段的橫檔護(hù)舷受力較大，最大值約為7 870 kN；進(jìn)船初始階段的進(jìn)船導(dǎo)向護(hù)舷水平運(yùn)動(dòng)為0.51，滿足不大于2 m的設(shè)計(jì)要求。

表3 浮托計(jì)算分析結(jié)果匯總

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)浮托準(zhǔn)備階段及整個(gè)浮托施工過(guò)程包括浮托前待命、進(jìn)船、載荷轉(zhuǎn)移、退船4階段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括潮位、風(fēng)、波浪、流、LMU&DSU運(yùn)動(dòng)、船舶及組塊重心運(yùn)動(dòng)等。詳見表4。

表4 各工況對(duì)應(yīng)時(shí)間段

3.1 潮位數(shù)據(jù)分析

潮位高度及變化趨勢(shì)是浮托安裝技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵制約因素，是進(jìn)退船以及載荷轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)選取的參考依據(jù)。浮托準(zhǔn)備過(guò)程中及正式實(shí)施前，需至少完成1～2個(gè)完整周期潮位變化的數(shù)據(jù)采集以及與理論潮位的對(duì)比分析。5月17日—18日共39 h的潮位實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)理論值變化趨勢(shì)比較見圖10。由圖10可見，實(shí)測(cè)潮位與預(yù)測(cè)潮位的變化趨勢(shì)基本保持一致，數(shù)值上也相差較小，最大差值不大于32 mm。

圖10 5月17—18日潮汐對(duì)比

3.2 波浪數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)采用Datawell-GPS波浪騎士進(jìn)行波浪測(cè)量，測(cè)量位置距離浮托駁船約2 000 m；測(cè)量時(shí)通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)傳回駁船監(jiān)測(cè)室，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：波浪的最大和有義波高及對(duì)應(yīng)的周期、波浪方向等，見圖11。

圖11 波高、周期、波浪方向的實(shí)測(cè)結(jié)果

圖11a)、b)是5月16日19∶00—18日07∶00(共37 h)的波高、波浪周期的實(shí)測(cè)值，圖11c)給出了相應(yīng)的波浪方向。由圖11可見，5月17日15∶00前(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的前21 h)，波浪的有義波高基本穩(wěn)定在0.43 m，15∶00之后(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的后16 h)開始略有降低并基本穩(wěn)定在0.36 m，整個(gè)浮托準(zhǔn)備及施工過(guò)程中有義波高均不超過(guò)0.48 m；波浪的平均周期在監(jiān)測(cè)前期最大值約5.8 s，后有所降低，中期又略有升高并基本穩(wěn)定在4.7 s，5月18日02∶00后降低并穩(wěn)定在4.3 s；5月17日15∶00前，波浪方向基本穩(wěn)定在178°，即尾迎浪；5月17日15∶00后，波浪方向基本穩(wěn)定在220°，接近左舷尾側(cè)浪。

3.3 風(fēng)數(shù)據(jù)分析

施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向等進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，圖12是5月16日00∶00—18日12∶00(共60 h)的風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從浮托駁船拋錨準(zhǔn)備開始直到浮托完成，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速基本穩(wěn)定在4.2～5.3 m/s之間，風(fēng)級(jí)不超過(guò)3級(jí)。平均風(fēng)向與浪向相一致。

圖12 5月16—18日波浪方向

3.4 流數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)浮托進(jìn)船、載荷轉(zhuǎn)移及退船等主要作業(yè)階段的流速流向統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表5。分析可知，主要施工階段現(xiàn)場(chǎng)的主流向?yàn)?02.5°，流向比較穩(wěn)定，平均流速為1.16 m/s，最大流速1.64 m。流速略大于設(shè)計(jì)值1.01 m/s。鑒于海流流向基本保持不變，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)整錨纜張力的方式消除了其對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的相關(guān)影響。

表5 流向及流速

3.5 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)浮托待命、進(jìn)船、對(duì)接以及退船等主要作業(yè)階段LMU插尖和DSU處的運(yùn)動(dòng)、駁船及組塊中心位置運(yùn)動(dòng)等的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表6、7。

表6 LMU插尖及DSU處運(yùn)動(dòng) m

表7 船舶及組塊重心位置運(yùn)動(dòng)

整個(gè)浮托作業(yè)施工過(guò)程中，LMU插尖垂向運(yùn)動(dòng)不超過(guò)0.221 m、水平運(yùn)動(dòng)不超過(guò)0.256 m，分別滿足垂向不大于0.7 m、水平向不大于0.6 m的設(shè)計(jì)要求；在退船階段，DSU處的最大垂向運(yùn)動(dòng)為0.175 m，滿足不大于0.7 m的設(shè)計(jì)要求；另外，退船階段駁船的橫搖較大，最大值為0.72°。駁船保持較低的運(yùn)動(dòng)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足浮托設(shè)計(jì)要求。

3.6 實(shí)測(cè)結(jié)果匯總分析

根據(jù)本次實(shí)測(cè)結(jié)果，在項(xiàng)目施工準(zhǔn)備及正式實(shí)施浮托作業(yè)期間，并未出現(xiàn)影響現(xiàn)場(chǎng)施工的惡劣環(huán)境條件，整體海況條件比較溫和。盡管海流流速超出了設(shè)計(jì)限值，但鑒于流向基本保持不變，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)整錨纜張力的方式消除了相關(guān)影響。該海域的實(shí)際潮位與理論潮位的潮高及變化趨勢(shì)基本保持一致，可按照預(yù)定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行浮托作業(yè)。施工現(xiàn)場(chǎng)波浪周期較小，且多為尾迎浪或尾側(cè)浪，并沒有出現(xiàn)橫浪現(xiàn)象，浮托駁船始終保持較低的運(yùn)動(dòng)水平。駁船運(yùn)動(dòng)、LMU插尖和DSU處運(yùn)動(dòng)等實(shí)測(cè)值均遠(yuǎn)小于浮托設(shè)計(jì)限值。

4 結(jié)論

1)浮托作業(yè)的整個(gè)施工過(guò)程歷時(shí)較長(zhǎng)，南海海域浮托待命工況一般歷時(shí)約10～14 h，作業(yè)工況歷時(shí)6～10 h，總歷時(shí)約16～24 h。

2)浮托作業(yè)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)潮位等海況情況的依賴性較強(qiáng)，通過(guò)對(duì)海況條件以及駁船運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為現(xiàn)場(chǎng)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)整個(gè)浮托作業(yè)是否能夠安全有效地實(shí)施意義重大。

3)受臺(tái)風(fēng)影響除外，南海海域5月份項(xiàng)目施工周期內(nèi)海況條件整體比較溫和?，F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力不超過(guò)3級(jí)，有意波高最大值為0.48 m，波浪平均周期最大值為5.8 s，最大流速約1.64 m/s?，F(xiàn)場(chǎng)流向比較穩(wěn)定，可通過(guò)調(diào)整錨纜張力的方式消除流對(duì)駁船運(yùn)動(dòng)的影響。潮位實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值吻合較好，可為浮托進(jìn)船和調(diào)整船舶壓載水提供技術(shù)依據(jù)。

4)通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，駁船橫搖最大值發(fā)生在退船階段，約為0.72°，垂蕩最大值發(fā)生在待命階段，約為0.15 m；整個(gè)施工過(guò)程中駁船始終保持著較低的運(yùn)動(dòng)水平。

5)LMU插尖處垂向運(yùn)動(dòng)最大值0.221 m，水平運(yùn)動(dòng)不超過(guò)0.256 m，DSU處最大垂向運(yùn)動(dòng)為0.175 m，均遠(yuǎn)小于浮托設(shè)計(jì)限值。

6)可為今后南海海域百米級(jí)及相關(guān)浮托工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考，使得大型平臺(tái)浮托安裝得到更有效安全的實(shí)施。