灘淺海大型浮托組塊的裝船設(shè)計(jì)方法

楊 嶺，鄭苗子，靳 嵩，楊涵婷，衛(wèi) 憲

(1.中國(guó)石油大港油田公司，天津 300280；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028)

0 引 言

海洋已成為全球油氣資源的戰(zhàn)略接替區(qū)，開發(fā)海洋油氣成為確保國(guó)家石油安全的重要途徑和必要手段。目前，海洋油氣可采儲(chǔ)量占全球油氣可采儲(chǔ)量的45%[1]，而我國(guó)的海洋油氣產(chǎn)量只占26%。因此，我國(guó)海洋油氣開發(fā)仍處于早中期階段。隨著海洋油氣開發(fā)從淺海逐步走向深海，海上的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。同時(shí)由于水深的增加和海域環(huán)境條件的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，大型或超大型綜合平臺(tái)越來越受到青睞，平臺(tái)上部組塊的結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜，平臺(tái)的組塊重量也由百噸級(jí)發(fā)展為萬噸級(jí)。

對(duì)于大型或超大型上部組塊，受結(jié)構(gòu)的重量限制，若選取吊裝裝船的方式，則只能采用超大型浮式起重機(jī)，不僅資源緊張，而且費(fèi)用昂貴。為了節(jié)約成本，滑移裝船成為更好的選擇。同時(shí)在安裝階段，上部模塊超出起重能力，需要多個(gè)起重船互相配合作業(yè)，如選擇浮托法代替浮吊法，即將組塊由運(yùn)輸駁船駛?cè)氚惭b位置，使上部組塊位于平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)的正上方，等待系泊穩(wěn)定后通過駁船的升降設(shè)施將組塊置于平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)上[2]。大型組塊的安裝工作對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及海上施工作業(yè)提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而裝船也有可能成為部分結(jié)構(gòu)的主控工況。因此，合理的裝船方案是上部組塊有效安裝的重要保障。

本文針對(duì)某灘淺海域萬噸級(jí)大型組塊進(jìn)行滑移裝船分析計(jì)算。目標(biāo)組塊裝船后將運(yùn)輸至指定海域采用浮托方式安裝，該海域水深較淺，與常規(guī)浮托相比，此處未考慮浮托支撐框架，采用組塊與整體滑靴配套的結(jié)構(gòu)形式。采用SACS軟件對(duì)裝船工況進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)校核，采用Abaqus軟件對(duì)滑靴部位進(jìn)行局部有限元分析，并根據(jù)此海域的環(huán)境條件及船舶選型對(duì)裝船氣候窗進(jìn)行可行性分析，對(duì)大型組塊的滑移裝船提供安全有效的設(shè)計(jì)方案，為灘淺海海洋工程開發(fā)提供參考借鑒。

1 裝船結(jié)構(gòu)分析

平臺(tái)組塊在陸上場(chǎng)地完成預(yù)制后，通過輔助設(shè)備拖拉至駁船上，進(jìn)而運(yùn)送至工作海域。為了保證組塊的整體結(jié)構(gòu)安全，需對(duì)裝船工況進(jìn)行計(jì)算分析，以保證組塊的安裝滿足相關(guān)規(guī)范要求。

裝船分析屬于主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)的主要規(guī)范為SpecificationforStructuralSteelBuildings[3]和RecommendedPracticeforPlanning,DesigningandConstructingFixedOffshorePlatforms-WorkingStressDesign[4]。

1.1 組塊載荷

在設(shè)計(jì)階段可進(jìn)行模型的建立及后續(xù)的載荷加載。組塊重量如表1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)模型

采用SACS軟件建立上部組塊裝船分析模型。平臺(tái)組塊共有3層甲板，分別為上層甲板EL(+)23 600，中層甲板EL(+)17 600和下層甲板EL(+)12 100，包括2座平臺(tái)起重機(jī)、容納120人規(guī)模的生活樓、DES鉆井設(shè)備系統(tǒng)組塊、DSM鉆機(jī)支持組塊。裝船支撐設(shè)置在下層甲板處，刪除模型在此高度以下的結(jié)構(gòu)單元如導(dǎo)管架、樁、靠船件等，并刪除海上后安裝載荷，如井口區(qū)隔水管、鋪板和活載荷等，不考慮設(shè)備的操作載荷。

表1 基本載荷 kN

坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1(a)所示，原點(diǎn)的水平位置與框架在工作點(diǎn)處的中心重合。坐標(biāo)系統(tǒng)x軸指向平臺(tái)東，y軸指向平臺(tái)北，z軸指向上方。1、2、3、4和A1、A、B、B1均為組塊的軸線。采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和平移的方式將組塊靜力分析結(jié)構(gòu)模型調(diào)整至裝船位置，考慮組塊浮托時(shí)的進(jìn)船方向(2、3軸方向進(jìn)船)，如圖1(b)所示。

圖1 組塊裝船分析模型

該模型為空間三維結(jié)構(gòu)，所有的梁?jiǎn)卧g的節(jié)點(diǎn)均為剛性連接。模型對(duì)所有與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度有較大影響的桿件進(jìn)行詳細(xì)模擬，包括主梁、次梁、甲板、起重機(jī)立柱、休息臂、滑靴等，附屬構(gòu)件如樓梯、欄桿則采用重量進(jìn)行模擬。設(shè)備載荷通過質(zhì)量單元的形式進(jìn)行模擬，并考慮一定的系數(shù)[5]。

1.3 分析工況

在組塊滑移裝船時(shí)，除重力載荷外，考慮3種受力工況。

(1) 由于裝船過程中可能存在不均勻裝船的情況，在每個(gè)支撐處施加±25 mm的指定位移以模擬支撐沉降變化，作為指定的強(qiáng)迫位移。

(2) 考慮在最前排支撐處施加啟動(dòng)力的情況，該力的大小等于支反力乘以0.20的摩擦因數(shù)。

(3) 考慮牽引力不均勻情況，牽引力大小取支撐處反力的0.15倍。

在上述各工況中，模型支墩處用GAP單元模擬。通過改變GAP單元“僅受壓”屬性實(shí)現(xiàn)支撐受力的模擬。

1.4 邊界條件

在計(jì)算分析中，組塊下方的4個(gè)滑靴用梁?jiǎn)卧M(jìn)行簡(jiǎn)單模擬，如圖2所示。支撐底部設(shè)置為001000，即只有z方向約束；支撐上部設(shè)置為110000，即x/y方向約束。

圖2 裝船模型支撐的邊界條件

1.5 計(jì)算結(jié)果

在裝船分析時(shí)，前后滑靴設(shè)置為整體連接，即將4個(gè)滑靴分別前后相連為一個(gè)整體，形成2個(gè)整體滑靴。這樣組塊的整體受力較好，應(yīng)力滿足要求，最大UC值0.788出現(xiàn)在滑靴的桿件上，如圖3所示。

圖3 組塊裝船分析計(jì)算結(jié)果

2 滑靴強(qiáng)度分析

2.1 滑靴有限元建模及分析

采用大型通用有限元軟件建立滑靴有限元模型，單元類型為C3D8R，單元總數(shù)為168 796個(gè)，在滑靴各部件完成建造后進(jìn)行裝配，裝配后整體模型如圖4所示。結(jié)合組塊的整體裝船分析，針對(duì)強(qiáng)制位移工況(強(qiáng)制位移施加在RP-1和RP-2位置)、拖拉工況中的最不利工況進(jìn)行分析。

圖4 整體模型網(wǎng)格劃分

計(jì)算分析中2個(gè)參考點(diǎn)分別與滑靴頂板兩邊的圓管耦合，載荷由滑靴頂板兩邊的圓管傳遞至滑靴，圓管與滑靴頂板焊接，上頂面齊平。對(duì)于強(qiáng)制位移工況，采用固定滑靴底部木質(zhì)墊塊實(shí)現(xiàn)約束；對(duì)于拖拉工況，通過設(shè)置滑靴底部木質(zhì)墊塊底面與底板頂面的接觸屬性的方式模擬摩擦，接觸屬性設(shè)置為法向硬接觸，切向采用罰函數(shù)法并設(shè)置0.15的摩擦因數(shù)?？紤]到滑靴水平拖動(dòng)拉環(huán)圓孔處在拉動(dòng)過程中可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，建立剛性體的拉銷，并設(shè)置拉銷和圓孔受壓部分綁定，設(shè)置拉銷的運(yùn)動(dòng)以模擬實(shí)際過程中拉銷拉動(dòng)滑靴運(yùn)動(dòng)，設(shè)定拉銷進(jìn)行2.78 mm/s的勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間為3 s。表2和表3為強(qiáng)制位移工況和拖拉工況的滑靴支反力。

表2 強(qiáng)制位移工況滑靴支反力

表3 拖拉工況滑靴支反力

2.2 分析結(jié)果

由圖5可知，滑靴在強(qiáng)制工況對(duì)應(yīng)的載荷作用下，最大應(yīng)力為300.726 MPa，超過許用應(yīng)力284 MPa，但應(yīng)力超值范圍沒有超過1倍單元格大小，為應(yīng)力集中區(qū)域，小于Q355鋼的屈服強(qiáng)度，其余區(qū)域應(yīng)力均未超過284 MPa，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。

圖5 強(qiáng)制位移工況計(jì)算結(jié)果

由圖6可知，滑靴主體及開孔部分在拖拉工況下摩擦因數(shù)為0.15時(shí)，最大應(yīng)力為272.009 MPa，小于許用應(yīng)力284 MPa。因此，在拖拉工況下摩擦因數(shù)為0.15時(shí)結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖6 拖拉工況計(jì)算結(jié)果

3 浮托裝船分析

采用浮托法安裝的平臺(tái)組塊，需提前在可行性研究和基本設(shè)計(jì)階段進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，以便根據(jù)導(dǎo)管架和平臺(tái)組塊的尺寸篩選所需的安裝資源。一旦駁船選定，組塊重量就須控制在駁船操作能力以內(nèi)，這是浮托法能夠?qū)嵤┑年P(guān)鍵因素之一[6]。

根據(jù)裝船方案校核裝船場(chǎng)地潮汐是否滿足要求，并使用MOSES軟件校核安裝船舶穩(wěn)性及總縱強(qiáng)度等。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1.1 運(yùn)輸船舶

運(yùn)輸船舶基本信息如表4所示。浮托安裝組塊的重量上限為10 500 t，滿足目標(biāo)組塊的運(yùn)輸要求。

3.1.2 壓載情況

裝船作業(yè)需要使用較多壓載艙，并在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同組塊重量上船后船舶艙室壓載水調(diào)整變化。通常考慮各艙壓載范圍為5%～95%，空艙考慮5%艙底水[7]。

表4 運(yùn)輸船舶基本參數(shù)

3.1.3 碼頭信息

組塊裝船場(chǎng)地位于山東省青島市，碼頭標(biāo)高為5.8 m，碼頭處水深為10.0 m，船上滑道高度為1.8 m。為配合浮托船舶裝船，裝船碼頭滑道高度要求為1.2 m。圖7為組塊裝船立面圖。

圖7 組塊裝船立面示例

3.2 裝船步驟

裝船設(shè)計(jì)共分為6步，各步狀態(tài)描述如表5所示。

3.3 組塊支反力

組塊由8個(gè)樁腿支撐裝置(Deck Supporting Unit，DSU)支撐，如圖8所示。主軸A/B腿外側(cè)各有一排假腿，用于分散組塊整體支反力，各DSU支撐點(diǎn)支反力數(shù)據(jù)(含DSU和滑靴重量)如表6所示。

表5 組塊裝船設(shè)計(jì)步驟描述

單位：m 注：SK_P1～SK_P4代表浮托駁船左舷的4個(gè)組塊支撐點(diǎn)；SK_S1～SK_S4代表浮托駁船右舷的4個(gè)組塊支撐點(diǎn)圖8 各腿DSU支點(diǎn)位置信息

表6 各DSU支撐點(diǎn)支反力數(shù)據(jù) t

3.4 分析結(jié)果

3.4.1 許用潮汐

通過計(jì)算組塊滑靴上船各步最小吃水可以獲取裝船所需潮汐范圍，計(jì)算中假定空艙有5%艙底水殘留，滿艙最大可達(dá)95%艙容。為了裝船過程中碼頭滑道與船上滑道標(biāo)高保持一致，需限制裝船過程中潮汐范圍，直至組塊最后一段支撐結(jié)構(gòu)完全上船。表7列出各步吃水及潮汐許用范圍。

表7 裝船各步吃水及潮汐許用范圍 m

3.4.2 總縱強(qiáng)度校核

裝船最大靜水彎矩發(fā)生在第2步，為-110 618 t·m；裝船最大靜水剪力也發(fā)生在第2步，為3 883 t。在裝船過程中彎矩與剪力最大UC值分別為0.69(第2步)和0.54(第2步)。圖9顯示了最大彎矩和允許值對(duì)比曲線，在裝船過程中最大彎矩和剪力在許用范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

圖9 裝船靜水彎矩對(duì)比曲線(第2步)

3.4.3 穩(wěn)性校核

裝船工況穩(wěn)性校核采用DNV規(guī)范[8]，不考慮破艙穩(wěn)性，最小干舷要求為1 m。表8為裝船穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果。裝船階段最小初穩(wěn)心高h(yuǎn)GM為6.28 m，滿足規(guī)范要求。

表8 穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.4.4 裝船氣候窗可行性分析

組塊裝船許用潮汐范圍為245～420 cm，根據(jù)青島碼頭潮汐曲線，如圖10所示，全月均無法滿足24 h裝船氣候窗。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，組塊裝船關(guān)鍵步驟第3步及第4步需至少滿足6 h連續(xù)氣候窗，要求全月滿足6 h連續(xù)作業(yè)氣候窗天數(shù)不少于15 d。經(jīng)核實(shí)，9月與10月滿足6 h裝船氣候窗天數(shù)均為19 d，滿足施工要求。

圖10 青島碼頭潮汐曲線

4 結(jié) 論

對(duì)灘淺海的大型浮托組塊的裝船問題進(jìn)行計(jì)算分析，內(nèi)容包括：裝船時(shí)組塊整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核，單獨(dú)滑靴強(qiáng)度的校核以及浮托法裝船的可行性分析，為灘淺海油田大型平臺(tái)安裝提供參考:

(1)在淺海安裝大型平臺(tái)組塊考慮采用2、3軸方向進(jìn)船的浮托安裝方式，組塊各桿件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均可滿足要求。

(2)考慮浮托水深限制，樁靴與組塊采用配套設(shè)計(jì)考慮，取消常規(guī)浮托組塊支撐框架。

(3)渤海海域的潮汐條件和氣候窗，可滿足組塊裝船分析的要求，船舶穩(wěn)性及強(qiáng)度均能滿足要求。