范 模 李 達 馬巍巍 易 叢 白雪平

（中海油研究總院）

南海超大型組塊浮托安裝總體設計與關(guān)鍵技術(shù)

范 模 李 達 馬巍巍 易 叢 白雪平

（中海油研究總院）

通過南海荔灣項目超大型組塊浮托安裝的研究與設計，探索了在南中國海進行水深為190 m左右、浮托重量逾3.2萬噸組塊浮托安裝總體設計與關(guān)鍵技術(shù)措施，對浮托安裝技術(shù)由淺水向深水發(fā)展，以及浮托重量由萬噸級向幾萬噸級發(fā)展有重要意義，可為大型浮托安裝設計提供借鑒。

浮托安裝 超大型組塊 南中國海 設計與研究

國外海上組塊浮托安裝始于1992年，在不到20年時間內(nèi)國際上已有幾十個組塊安裝采用該技術(shù)，浮托重量也由初期幾百噸發(fā)展到現(xiàn)在的幾萬噸，蘇聯(lián)薩哈林半島油氣開發(fā)項目創(chuàng)下3.8萬噸浮托重量的世界紀錄。我國于2001年在渤海趙東油田引進該技術(shù)，實施了2座平臺組塊的浮托安裝。中海油于2005年在南堡35－2油田首次實施了浮托法安裝，此后又自主設計了渤中34－1油田中心處理平臺組塊的浮托安裝，到目前為止已完成了旅大、錦州和金縣3個油田4座平臺的浮托安裝，其中旅大27－2和32－2油田生產(chǎn)儲油平臺的浮托重量已達1.15萬噸，為亞洲之最。

南海荔灣項目的大型深水固定平臺設計水深190 m，組塊重量2.7萬噸，加上組塊支撐結(jié)構(gòu)0.5萬噸，浮托重量3.2萬多噸，這是中海油有史以來最重的浮托紀錄，其重量可列世界前列。實施該項目浮托設計有如下特點：重量大、作業(yè)水深、環(huán)境條件惡劣、首次設計、工期緊迫等；與渤海海域相比設計主要難點為：風大浪高的惡劣海況條件，可作業(yè)時間短；沒有現(xiàn)成的運輸船舶，需額外改裝駁船以適應浮托要求；深海大噸位船舶的多點定位系泊與對接碰撞力控制；大型組塊裝船和長距離運輸安全保障等。本文對南海超大型組塊浮托項目進行了總體設計，以期為大型浮托安裝設計提供借鑒。

1 總體設計

1.1 浮托方案設計

根據(jù)組塊安裝時駁船的數(shù)量，浮托安裝法可以分為單浮托（圖1）和雙浮托（圖2）兩類。目前大多數(shù)浮托法安裝是采用單浮托法，雙浮托法由于對環(huán)境條件和操作人員要求極為苛刻，且存在較大技術(shù)風險，除個別項目之外，很少被工業(yè)界所采用。南海由于環(huán)境條件非常惡劣，且需要長距離運輸，現(xiàn)有技術(shù)條件下不適宜采用雙船浮托安裝，因此本項目選用單船浮托安裝法。

在進行浮托安裝的大型平臺總體設計時，首先

考慮運輸駁船的船寬尺度，以確定導管架的進船槽口及組塊支撐腿跨距尺度，因此船寬尺度成為最先需要確定的首要尺度。導管架槽口尺寸大小決定了導管架結(jié)構(gòu)重量，也決定了組塊結(jié)構(gòu)重量，槽口大則平臺結(jié)構(gòu)重量大，反之則小。經(jīng)綜合論證，我們采用了國際上常用的46 m平臺槽口尺度。

1.2 運輸駁船選型設計

在選擇駁船資源時，主要考慮兩大因素：一是駁船安裝能力；二是駁船資源是否滿足項目的工期需要。駁船安裝能力與組塊重量、重心及駁船自身尺度等技術(shù)參數(shù)息息相關(guān)。駁船選型的主要參數(shù)包括吃水、穩(wěn)性、調(diào)載能力與總縱強度等。表1為國內(nèi)可用于浮托法安裝的駁船資源。經(jīng)綜合考慮選用海洋石油229為此次浮托安裝用駁船。

表1 國內(nèi)可用于浮托法安裝的駁船資源

1.3 組塊對接方式設計

導管架腿頂端安裝樁腿對接緩沖單元（LMU）；駁船甲板上設置一個支持框架（DSF）；支持框架頂端安裝組塊對接緩沖器（DSU），組塊對接示意圖見圖3。LMU與DSU主要起到緩沖對接過程中的碰撞力作用。DSF高度是影響駁船運動特性和穩(wěn)性的重要因素，初始設計時DSF高度H計算公式為

圖3 南海超大型組塊浮托安裝組塊對接示意圖

式（1）中：h1為組塊底層甲板標高，m；hs為底層甲板下方梁高，m；D為駁船型深，m；T為駁船進船前的初始吃水，m；h2為浮托作業(yè)時的潮位，m，假設潮位高于平均海平面；h3為LMU的插尖高度，m；h4為組塊進船間隙，m，常規(guī)為0.8 ～1.5 m；h5為LMU對接變形量，m。

如果DSF設計太高，則駁船重心升高，穩(wěn)性降低；如果DSF設計太小，則要求駁船調(diào)載能力要大，會增加駁船選型的難度。

1.4 施工作業(yè)氣候窗選擇

荔灣海域環(huán)境條件惡劣，夏季有臺風，百年一遇最大有效波高達到13.4 m，年平均波高為1.4 m，全年主浪向為ENE，該海域浮托安裝環(huán)境條件見表2，單個月份中可作業(yè)天數(shù)超過50%的累積概率見圖4。這些作業(yè)環(huán)境參數(shù)是國際上公認的開闊海域浮托設計的參數(shù)。進入9月之后，南海海域臺風頻發(fā)，所以該項目宜在6月之前完成浮托安裝作業(yè)。

表2 南海荔灣海域浮托安裝環(huán)境條件

圖4 南海荔灣海域適合浮托安裝的月份

2 關(guān)鍵技術(shù)與措施

2.1 超大型駁船改裝

海洋石油229駁船是目前中海油最大的運輸駁船，其主尺度見表1，該駁船原設計載重量為9萬t，可用于組塊浮托重量約3萬t。由于國內(nèi)外有能力運載并實施浮托重量達3.5萬t的駁船資源有限（也考慮到其他特殊因素），因此對海洋石油229駁船進行了改裝。由于使用的是46 m的平臺槽口尺度，為使駁船進入平臺槽口，需將駁船首部寬度切窄，具體做法為：首部寬度由52.5 m減少到42 m，此改動損失了一定浮力，使組塊浮托能力下降到2.5萬t以下，為提高浮托能力將駁船尾部寬度由52.5 m增加到65 m，此改裝方案使浮托能力提高到了3.5萬t，滿足了荔灣項目的需求。

2.2 深水定位系泊系統(tǒng)設計

南海海況惡劣且水深，定位系泊系統(tǒng)設計是本浮托法設計的關(guān)鍵。該系泊系統(tǒng)設計分為2種工況，第1種工況為駁船進入導管架槽口之前的等待工況，此時駁船距離導管架約300 m，為8根系泊纜布置，見圖5；第2種工況為牽引駁船進出導管架槽口行進過程中的系泊工況，此時為10根系泊纜布置，其中2根船首交叉系泊纜起牽引駁船和控制船首運動作用，見圖6。該定位系泊的特點是將4根系泊纜布置于駁船中部的左右兩舷，這樣就不會影響駁船進出導管架槽口作業(yè)；通過收緊系纜及放松系纜，控制駁船前進與倒退。

計算結(jié)果表明，進船前等待工況的系泊力比進船或退船工況的系泊力大，為系泊設計的控制工況。經(jīng)設計：系泊纜為錨鏈與鋼纜的組合系泊纜，錨鏈直徑76 mm，長度150 m；鋼纜直徑70 mm，長度2000 m；錨為Danforth型，重量18 t；錨機拉力300 t，該系泊系統(tǒng)可抵抗2.5 m有效波高的海況。

2.3 組塊對接力控制技術(shù)

組塊對接是組塊浮托安裝的重要工況，對接撞擊力的大小決定了作業(yè)環(huán)境條件的選取。對接力發(fā)生于LMU及DSU上，其大小與駁船運動和風浪方向有關(guān)。LMU起到約束甲板組塊垂向與水平位移的作用，DSU只約束組塊的垂向位移。在對接設計中，計算分析最終目的就是取得盡可能大的環(huán)境條件與結(jié)構(gòu)允許承受能力的平衡點。

對接安裝前，駁船垂向運動幅值應控制在0.3 m以內(nèi)；當組塊與LMU接觸后，其動態(tài)垂向力應小于2000 t，或者所有LMU垂向動態(tài)力之和應小于組塊總重量的30%，并控制水平撞擊力小于800 t。由于本項目海域環(huán)境條件惡劣且組塊尺寸大、重量重等原因，采用了2組LMU和DSU，以期能夠更好地控制對接碰撞力。針對每一個浮托項目，都須根據(jù)特定的承載組塊信息定制LMU與DSU。在本項目中，LMU最大水平力為854 t，垂向力為5849 t；DSU最大垂向力為3019 t。

在渤海海域DSF上常放置沙盤，以緩沖組塊與DSF之間的碰撞。在超大型組塊浮托設計中，我們將DSU頂部設計為平面，底部為橡膠墊墩，此構(gòu)造將更有利于減小撞擊力，見圖7。在保護駁船和導管架腿的橫蕩護舷設計上，我們采用了與以往不同的駁船變截面橫蕩護舷構(gòu)造形式，根據(jù)導管架腿與駁船之間的受力特性，其間隙設計為：初始狀態(tài)0.5 m；最終就位0.1 m，使駁船撞擊力由1000多噸下降到770 t，見圖8。

2.4 組塊裝船設計

組塊裝船總布置見圖9。設置多根系泊纜將駁船牽拉固定于碼頭邊，使駁船滑道位置與陸上滑道對齊，且滑道寬度應一致。

圖9 南海超大型組塊浮托安裝組塊裝船總布置圖

根據(jù)組塊裝船的特點，有如下3個方面的關(guān)鍵點：①裝船時間，即組塊第一排腿開始上船到最后一排腿上船的總時間，它是決定裝船是否可行的時間因素，按以往經(jīng)驗其總時間應控制在6 h之內(nèi)；②駁船壓排載泵的調(diào)載能力；③駁船靜水條件下的總縱強度。

常規(guī)最低潮位、最高潮位和駁船底部高程的參數(shù)有如下關(guān)系：最低潮位＝駁船最小吃水＋駁船底部高程；最高潮位＝駁船最大吃水＋駁船底部高程；駁船底部高程＝碼頭高程＋碼頭滑道高－駁船滑道高－駁船型深。該項目駁船吃水最小的變化范圍為8.4～11.6 m。

在整個裝船過程中，駁船最弱工況的總縱強度發(fā)生于組塊最后一排腿上船時，此時駁船吃水為8.4 m，最大應力發(fā)生于距首105 m的位置，剪力為5993 t，彎矩為690 028t·m，應力比值為0.941，該工況的總縱強度滿足規(guī)范要求，但已達到臨界值。

2.5 長距離運輸安全保障技術(shù)

從青島到指定安裝海域需要約10 d時間，導管架與組塊的拖航穩(wěn)性和駁船總縱強度須滿足船級社要求[1]。本拖航穩(wěn)性按中國船級社《海上拖航指南》要求設計，使用MOSES軟件計算，表3為導管架和組塊完整穩(wěn)性計算結(jié)果。

駁船拖航的總縱彎矩MT由靜水彎矩MS和波浪彎矩MV組成，MT＝MS＋MV。靜水彎矩是基于MOSES軟件獲得，波浪彎矩是基于SESAM三維線性勢流理論求得，波浪載荷參考文獻[2]中S4區(qū)選取，設計超越概率值取為10－8，并按文獻[3]進行波浪彎矩和波浪剪力的非線性修正。

表3 南海超大型組塊浮托安裝組塊和導管架完整穩(wěn)性計算結(jié)果

通過分析（取超越概率值為10－8）得到船中剖面波浪誘導垂向彎矩（MW），沿船長的波浪彎矩MV通過下式求得

式（2）、（3）中：MW為由長期分析所得的船中剖面處的波浪誘導垂向彎矩，k N·m；M 為彎矩，沿船長的分布系數(shù)，按《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》選?。籆HB、CSB為非線性修正系數(shù)，其中

式（4）、（5）中：Cb為駁船方形系數(shù)。

總縱彎矩為靜水彎矩和修正后波浪彎矩的疊加值。圖10為組塊拖航總縱彎矩圖，結(jié)果顯示海洋石油229駁船的總縱彎矩滿足設計要求。從圖10可看出，組塊拖航時中垂彎矩大于中拱彎矩。該計算結(jié)果符合實際情況，相對導管架而言，組塊作用于駁船更趨于向下的集中載荷。

圖10 南海超大型組塊浮托安裝組塊拖航總縱彎矩圖

3 結(jié)束語

與以往浮托安裝設計相比，本項目有如下方面的技術(shù)改進與完善：①提出了船首切窄與船尾加寬的創(chuàng)新駁船改裝方案，在保證駁船調(diào)載能力和拖航穩(wěn)性的情況下，可減小導管架槽口寬度，節(jié)省大型深水平臺的投資；②首次在深水采用多點定位系泊系統(tǒng)的浮托作業(yè)設計，可有效保證駁船抵抗惡劣海況的能力；③采用與渤海不同的橡膠形式對接緩沖單元，使它能更好地適應超大重量組塊的要求；④在駁船兩舷安裝了變截面的橫蕩橡膠護舷，可大大地降低駁船與導管架腿之間的撞擊力。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 中國船級社.船體結(jié)構(gòu)強度直接計算分析指南[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 方鐘圣.西北太平洋波浪統(tǒng)計集[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996.

The overall solution design and key technology for float over installation of ultra－large topside in South China Sea

Fan Mo Li Da Ma Weiwei Yi Cong Bai Xueping
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

Through the research and design of ultra－large topside float over installation for Liwan project in the South China Sea，the overall solution design and key technology have been discussed for float over installation of 32 thousand tons topside in 190 m deep waters，which is significant to promote the float over installation from shallow sea to deep sea and from 10000－ton class topside to 30000－ton class topside，and can be used as reference for design of ultra－large topside float over installation.

float over installation；ultra－large topside；South China Sea；design and research

范模，男，高級工程師，1982年畢業(yè)于上海交通大學船舶工程專業(yè)，主要從事生產(chǎn)儲油裝置系泊系統(tǒng)和船舶總體性能方面的設計工作。地址：北京市東城區(qū)東直門外小街6號海油大廈（郵編：100027）。

2010－11－04改回日期：2010－12－14

（編輯：葉秋敏）