大型平臺浮托關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及效率提升技術(shù)

李新超, 李懷亮, 阮志豪

(1. 海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461;2. 能威(天津)海洋工程技術(shù)有限公司, 天津 300392)

0 引 言

浮托安裝法是海洋工程領(lǐng)域一種適用于大型平臺組塊海上整體安裝的方法，具有技術(shù)復雜、風險高、難度大等特點[1-3]。近年來，國內(nèi)累計完成30多個大型平臺組塊的海上整體浮托安裝。組塊重量從7 500到32 000 t，作業(yè)水深從不足8 m到190 m，施工海域從渤海灣到南海。從浮托技術(shù)成熟度、浮托方式和平臺重量等各方面，國內(nèi)已形成總體處于國際領(lǐng)先水平的、完整的浮托安裝技術(shù)體系[4-6]。如何在技術(shù)推廣中尋求新突破，以降低成本、提升浮托效率效益成為亟待解決的問題。

浮托作業(yè)駁船資源有限，目前國內(nèi)可滿足萬噸級以上的大型平臺組塊陸地縱向裝船，隨后在海上進行浮托作業(yè)的駁船只有海洋石油228、海洋石油229等。渤海灣曹妃甸6-4油田中心平臺重約12 800 t，南海海域陸豐14-4油田鉆采平臺重約15 500 t，渤海灣旅大6-2油田和渤中19-4油田的中心平臺分別重約12 500 t和13 500 t，4座平臺均采用高位浮托法于2021年先后完成海上安裝作業(yè)，浮托駁船均為海洋石油228。

統(tǒng)籌考慮諸浮托項目各自的特性及共性，進行浮托關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和施工效率效益提升工藝研究。自主研制新型斜拉筋快速下放裝置，設(shè)計出一套大型組塊較深水浮托錨系布設(shè)方案，提出一套護舷系統(tǒng)標準化創(chuàng)新設(shè)計方案，首次在浮托監(jiān)測中引入免換算、可視化界面，創(chuàng)新浮托駁船就位定位技術(shù)，全面實現(xiàn)浮托技術(shù)支持的書面化。在圓滿、高效地完成4個浮托項目的同時，提高國內(nèi)浮托技術(shù)在國際浮托安裝市場的競爭力。

1 運輸固定斜拉筋下放工藝技術(shù)創(chuàng)新

浮托法對自然環(huán)境的依賴性較強，主要利用潮汐變化和駁船調(diào)載系統(tǒng)完成平臺載荷從駁船到導管架的轉(zhuǎn)移，這造成其對作業(yè)窗口的選擇較為嚴苛，通常為8～10 h(包括浮托進船階段、跨越階段、最終對齊階段、載荷轉(zhuǎn)移階段和退船階段等)，使斜拉筋切除、下放時長成為浮托成敗的關(guān)鍵。然而，此項工作具有高度高(駁船甲板面以上約10 m)、重量重(約4 t)、下放困難等特點。

1.1 斜拉筋傳統(tǒng)下放工藝

如圖1所示，以往項目一般采用在平臺組塊大梁下方焊接吊點，通過在吊點上掛倒鏈或拉麻繩等方法下放斜拉筋。該斜拉筋下放方式是將斜拉筋切除后緩慢下放至駁船主甲板，下放前還需要完全拆除斜拉筋下方的腳手架，使下放路徑暢通無阻，這需要使用大量人力才能完成。而且此方式一般需要12～14 h，耗時較長，碰到突發(fā)惡劣天氣情況，只能強行下放，斜拉筋將直接砸落在駁船甲板上，這不僅對浮托作業(yè)自身造成影響，而且對駁船也存在安全隱患。

圖1 斜拉筋傳統(tǒng)下放工藝

1.2 斜拉筋創(chuàng)新下放工藝

如圖2所示，通過技術(shù)創(chuàng)新在斜拉筋下部切割線附近設(shè)計一個新型斜拉筋快速下放裝置，該鉸接裝置既可承受斜拉筋切除后的瞬間拉力，又可有效固定斜拉筋，使其不必下放至駁船主甲板。

圖2 斜拉筋創(chuàng)新下放工藝

新型斜拉筋快速下放裝置使斜拉筋切除、下放時間由原來的12～14 h壓縮至5～6 h，操作人員只需要完成斜拉筋切斷工作即可，不僅提高作業(yè)效率，為浮托爭得寶貴的潮水窗口，而且顯著提前整個浮托作業(yè)船隊(浮式起重機及其配套拖船、駁船及其主拖船、2艘港作拖船、2艘三用拖船)的復員時間，同時也降低人員的操作風險。

1.3 小 結(jié)

目前該創(chuàng)新下放工藝已在渤海灣3個浮托項目中實施應用。其中，曹妃甸6-4項目浮托作業(yè)時間壓縮至6 h 30 min，旅大6-2項目浮托作業(yè)時間壓縮至6 h 5 min，渤中19-4項目浮托作業(yè)時間壓縮至5 h 45 min。自主研制的新型斜拉筋快速下放裝置解決了浮托作業(yè)斜拉筋下放難題，大幅提升海上浮托施工效率，使浮托作業(yè)整體提前6～7 h完成，節(jié)約船天費約86萬元，渤海灣3個浮托項目節(jié)省約258萬元。

2 較深水浮托錨系設(shè)計及施工技術(shù)

陸豐14-4油田的鉆采平臺重約15 500 t，施工現(xiàn)場水深為144.5 m。該平臺的浮托作業(yè)為國內(nèi)水深第二、海洋石油228歷史最重、南海臺風季前后2個臺風間隙完成的首個長波浪周期浮托作業(yè)。

2.1 傳統(tǒng)錨系方案

在南海水深百米級以上海域進行浮托作業(yè)時，采用常規(guī)的布錨方案需要設(shè)置預布錨系，如圖3所示。通過預布錨系彌補浮托駁船自身錨泊系統(tǒng)錨纜長度不足的缺點，以滿足較深水浮托駁船系泊要求。按照常規(guī)做法，陸豐項目在進行浮托準備時需要提前布置8套預布錨系，每套錨系主要包括1根500 m主錨纜、2根220 m錨頭纜、1根4 m錨鏈及1根12 m錨鏈(直徑為76 mm，分別用于錨頭纜位置及主錨纜位置)、2個浮筒和若干卡環(huán)等。

圖3 預布錨系示例

如圖4和圖5所示，浮托駁船海洋石油228抵達施工現(xiàn)場后，由其主拖船和2艘輔助拖船協(xié)助穩(wěn)定船舶至設(shè)計預定的拋錨位置，再由三用拖船協(xié)助從海底撈出預布錨纜，最后與海洋石油228上自帶錨纜通過卡環(huán)進行連接，從而構(gòu)成整個浮托駁船系泊系統(tǒng)。

圖4 錨系連接過程示例

圖5 浮托錨系完整狀態(tài)

2.2 創(chuàng)新錨泊方案

進行錨泊方案創(chuàng)新設(shè)計，利用陵水項目剩余物料，將1根直徑為76 mm、長度為1 500 m的錨鏈截成若干根長度為150 m的錨鏈，取其中8根用于本項目錨泊系統(tǒng)。

創(chuàng)新錨泊方案如圖6所示。浮托駁船海洋石油228抵達現(xiàn)場并在拖船協(xié)助下在預定位置穩(wěn)住船位后，三用拖船直接從海洋石油228接過自身錨纜，通過卡環(huán)將自身錨纜與150 m錨鏈連接，隨后進行常規(guī)拋錨作業(yè)即可。使用長度為150 m、單位長度重量較重的錨鏈替代錨纜，相當于增加工作錨配重，使錨抓力滿足項目需求，且沒有產(chǎn)生上拔力，從而取消預布錨纜，既解決了較深水浮托時錨纜長度不足的問題，又很好地起到降本增效的作用。圖7為錨鏈及工作錨在三用拖船甲板上的布置。

圖6 創(chuàng)新錨泊方案示例

圖7 錨鏈及工作錨布置

2.3 小 結(jié)

該新型錨泊方案無須進行錨纜預布，節(jié)省浮式起重機1個船天、三用拖船3個船天、恒張力絞車20 d、鋼絲繩等物料若干，節(jié)省費用共約395萬元。

該較深水浮托錨系設(shè)計及施工技術(shù)具有可復制性，相關(guān)錨鏈等物資可回收后多次應用，可在其他類似項目進行推廣應用。目前該新型錨泊方案在完成陸豐14-4浮托項目后，已在恩平15-1組塊浮托項目中完成推廣，且施工效果良好，若能多次應用將帶來巨大經(jīng)濟社會效益。

3 護舷標準化創(chuàng)新設(shè)計

根據(jù)油田開發(fā)施工計劃，海洋石油228需要先后投入曹妃甸6-4、陸豐14-4、旅大6-2和渤中19-4等浮托項目。陸豐14-4為南海浮托項目，項目匹配的護舷間距為38.000 m，其與前置、后續(xù)渤海項目的導管架槽口間距不一致，渤海項目護舷間距常規(guī)設(shè)計為37.126 m，兩者的護舷間距相差0.874 m。浮托作業(yè)進退船間隙限值為每側(cè)0.1 m，此間隙增大或減小都將給項目實施帶來巨大的安全隱患。

3.1 傳統(tǒng)護舷方案

針對海洋石油228從渤海浮托項目施工模式轉(zhuǎn)換至南海浮托項目施工模式，傳統(tǒng)的護舷改造方案如圖8和圖9所示。需要將海洋石油228兩側(cè)橫蕩護舷從根部切除，然后通過吊裝分別向舷外兩側(cè)整體平移0.473 m，移位后再重新焊接固定，使其滿足陸豐14-4項目對進退船間隙的要求。此傳統(tǒng)方案工作量巨大，需要使用大量的人力、物力資源，且大多為舷外作業(yè)，既費時費力，又風險巨大。

圖8 橫蕩護舷整體布置示例

圖9 橫蕩護舷現(xiàn)場施工情況

3.2 標準化創(chuàng)新方案

統(tǒng)籌考慮南海浮托項目與渤海諸浮托項目各自的特點及共性，提出一套護舷系統(tǒng)標準化設(shè)計技術(shù)方案，如圖10和圖11所示。在陸豐14-4導管架槽口內(nèi)側(cè)的4條主腿上增加厚度為0.473 m、高度為7.9 m的間隙條，有效解決海洋石油228在進行渤海浮托項目與南海浮托項目之間的施工模式轉(zhuǎn)換時需要多次重復移位橫蕩護舷的難題。同時對導管架在位狀態(tài)進行計算分析，所增加的間隙條對導管架影響極小，可忽略不計。

圖10 導管架上間隙條安裝位置示例

圖11 導管架上間隙條實物

3.3 小 結(jié)

該護舷系統(tǒng)的標準化創(chuàng)新設(shè)計不僅大幅提升浮托作業(yè)準備效率，節(jié)省大量人力、物力(包括浮式起重機、履帶式起重機等)資源，而且使海洋石油228可隨時在不同海域的浮托項目間自由切換，項目整體工期有了充分的保障。

海洋石油228的護舷系統(tǒng)單次移位費用約726萬元，而增加間隙條費用不足200萬元，海洋石油228每在南海海域與渤海灣不同項目中進行一次施工模式轉(zhuǎn)換，該創(chuàng)新設(shè)計可為項目節(jié)省約1 252萬元建造成本。

4 浮托監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新

浮托安裝作業(yè)對海洋環(huán)境條件的依賴性較強，對海洋石油228、上部組塊等六自由度運動進行實時監(jiān)測，獲得寶貴的第一手資料，并通過分析駁船及組塊現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算結(jié)果的對比情況，為現(xiàn)場作業(yè)提供指導，可有效保障浮托作業(yè)的安全性和可靠性。

4.1 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)

如圖12和圖13所示，傳統(tǒng)的浮托監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測平臺組塊下部對接緩沖裝置(Leg Mating Unit，LMU)倒插尖處的坐標數(shù)據(jù)變化，然后通過人工換算的方式推導組塊倒插尖位置的水平運動和垂向運動數(shù)據(jù)，再根據(jù)實測的潮汐情況推斷此時安裝在導管架上的LMU頂部與倒插尖之間的垂向凈間隙是否滿足浮托進船凈間隙不大于0.5 m的限值要求[7-8]。此方案需要進行數(shù)據(jù)換算，時效性略差。

圖12 組塊下部LMU倒插尖位置坐標

圖13 進船凈間隙示例

4.2 創(chuàng)新監(jiān)測系統(tǒng)

如圖14所示，創(chuàng)新浮托監(jiān)測系統(tǒng)可直接處理浮托現(xiàn)場采集到的駁船運動數(shù)值，并將其通過三維可視化界面進行展示，可直接讀取組塊下部LMU倒插尖與導管架上部LMU頂端之間的垂向距離，在渤海海域則可同時直觀地獲知組塊下部與采油樹頂端之間的凈間隙。這種免換算、可視化的系統(tǒng)界面可為現(xiàn)場浮托作業(yè)決策提供即時數(shù)據(jù)參考，現(xiàn)場使用效果良好。

圖14 創(chuàng)新監(jiān)測系統(tǒng)界面

4.3 小 結(jié)

創(chuàng)新浮托監(jiān)測系統(tǒng)首次引入免換算、可視化界面，為浮托作業(yè)決策提供即時參考，保障浮托作業(yè)工期及施工安全性，為整個浮托作業(yè)保駕護航。2021年1月25日，該技術(shù)首次應用于曹妃甸6-4組塊浮托項目，協(xié)助順利完成國內(nèi)首個真正意義上的渤海灣冬季冰期大型組塊浮托安裝作業(yè)。2021年5月18日，在臺風間隙，該技術(shù)協(xié)助高效地完成陸豐14-4浮托組塊作業(yè)，成功克服長周期波浪對現(xiàn)場施工的影響。

5 浮托駁船就位定位技術(shù)

5.1 傳統(tǒng)就位定位技術(shù)

如圖15和圖16所示，常規(guī)浮托項目需要設(shè)置交叉纜、縱向纜。在浮托作業(yè)過程中，駁船海洋石油228逐漸靠近導管架，在距離導管架約30 m位置時穩(wěn)船待命，從駁船上引出交叉纜，并連接至導管架主腿上。交叉纜主要用來協(xié)助控制駁船進入導管架槽口過程中船首的橫搖，使駁船船首水平運動小于進船導向護舷的允許值2 m。待駁船進船至最終對齊位置，從駁船上引出縱向纜繩，并連接至導管架主腿上?？v向纜主要用來協(xié)助控制組塊載荷從駁船轉(zhuǎn)移至導管架的壓載過程中駁船與導管架的相對運動。

圖15 浮托進船過程錨系系泊示例

圖16 浮托最終對齊狀態(tài)錨系系泊示例

5.2 創(chuàng)新就位定位技術(shù)

在以降本增效為理念，保證施工質(zhì)量為目標的前提下，通過計算分析、方案論證，并借鑒以往項目施工經(jīng)驗，在曹妃甸6-4、旅大6-2和渤中19-4等浮托項目中取消交叉纜、縱向纜，現(xiàn)場浮托作業(yè)過程平穩(wěn)、安全、可靠，施工效果良好。

鑒于陸豐14-4組塊浮托處于南海臺風窗口間隙，現(xiàn)場波浪周期(最大約12 s)長，駁船運動大。如圖17所示，為在這一較短的時間窗口內(nèi)完成浮托作業(yè)，項目充分利用現(xiàn)場資源進行錨系定位優(yōu)化設(shè)計，取消常規(guī)交叉纜和縱向纜設(shè)置。利用現(xiàn)場支持船海洋石油201(該項目導管架施工主作業(yè)船，考慮到現(xiàn)場施工的連續(xù)性，同時避免船隊動復員產(chǎn)生額外成本，最終選定此船為浮托支持船)，使其在導管架另一側(cè)并采用動力定位模式就位，再從海洋石油201船側(cè)自帶絞車上引出2根纜繩并連接至海洋石油228船首，從而起到駁船進船交叉纜和縱向纜作用，控制駁船船首運動，協(xié)助駁船最終位置就位并持續(xù)定位，保障浮托順利完成。

圖17 海洋石油201在導管架另一側(cè)就位

5.3 小 結(jié)

上述技術(shù)提升浮托準備效率、節(jié)省施工資源、降低項目成本，現(xiàn)場施工效果良好。浮托駁船就位定位技術(shù)節(jié)省2×75 t絞車費用約45萬元，4個項目共約180萬元。隨著浮托平臺規(guī)模尺寸的逐漸增大，其導管架基礎(chǔ)也越來越大。這就使得采用錨系方式的大型作業(yè)船需要多次變換錨位才能完成不同位置的插打樁等作業(yè)，施工效率較低，特別是在南海臺風季進行作業(yè)，風險較大。越來越多的大型浮托導管架施工開始選取動力定位船作為主作業(yè)船，該就位技術(shù)具有一定的推廣價值。

6 結(jié) 論

對大型組塊浮托關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計及安裝過程效率提升工藝進行研究，較為詳細地介紹用到的施工技術(shù)、效益提升方法，并對實施效果進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)自主研制的新型斜拉筋快速下放裝置解決浮托作業(yè)斜拉筋下放難題，大幅提升海上浮托施工效率。

(2)設(shè)計一套大型組塊較深水浮托錨系布設(shè)方案，解決較深水浮托時錨纜長度不足的問題，并首次完成示范應用。

(3)提出一套護舷系統(tǒng)標準化創(chuàng)新設(shè)計方案，使海洋石油228可隨時在不同海域的浮托項目間自由轉(zhuǎn)換，避免移動橫蕩護弦，大幅提高浮托準備效率。

(4)首次在浮托監(jiān)測中引入免換算、可視化界面，顯著加快現(xiàn)場決策效率，保障作業(yè)安全性。

(5)創(chuàng)新浮托駁船就位定位技術(shù)，可解決浮托駁船就位定位難題，并提升浮托準備及施工效率。