鄒積山，張先鋒

(勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 東營(yíng)257026)

海洋平臺(tái)上部組塊浮托法安裝(簡(jiǎn)稱浮裝)就是利用潮差和駁船壓載完成大型上部組塊的安裝。該技術(shù)與傳統(tǒng)浮吊安裝相比，具有安裝重量大、調(diào)試時(shí)間短、安裝費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此在導(dǎo)管架平臺(tái)，重力式平臺(tái)，張力腿平臺(tái)以及Spar平臺(tái)等多種結(jié)構(gòu)型式中都有成功應(yīng)用［1］。國(guó)內(nèi)也有多座平臺(tái)采用浮托法進(jìn)行安裝［2-4］。

準(zhǔn)確模擬浮裝過(guò)程中導(dǎo)管架-駁船-上部組塊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和三者之間相互作用，是平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和浮裝關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［5-6］，也是進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式確定和各種浮裝間隙設(shè)計(jì)的前提［7-8］。

勝利海上埕島中心三號(hào)生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊設(shè)計(jì)安裝重量為4 500 t，采用浮托法安裝。本文利用MOSES軟件對(duì)埕島中心三號(hào)生產(chǎn)平臺(tái)浮裝過(guò)程進(jìn)行水動(dòng)力分析。

1 浮裝過(guò)程

上部組塊運(yùn)至安裝位置，待出現(xiàn)合適的潮位和氣象條件后，進(jìn)行正式的平臺(tái)浮裝作業(yè)，作業(yè)過(guò)程可分為三個(gè)階段。

1.1 駁船進(jìn)入階段

在錨纜、拖船等牽引下，駁船從導(dǎo)管架預(yù)留槽中間緩慢進(jìn)入。在此過(guò)程中，需要計(jì)算駁船護(hù)舷與樁腿的碰撞荷載及組塊插尖的豎向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。駁船護(hù)舷與樁腿的碰撞荷載是進(jìn)行導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和船體強(qiáng)度校核的重要參數(shù)。為避免駁船進(jìn)入過(guò)程中上部組塊插尖與樁腿耦合裝置(LMU)之間發(fā)生沖突，應(yīng)根據(jù)插尖豎向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)設(shè)計(jì)駁船進(jìn)入過(guò)程中插尖與LMU頂部的間隙。

在此過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)導(dǎo)管架預(yù)留槽與駁船相對(duì)位置確定該階段的關(guān)鍵狀態(tài)。第一關(guān)鍵狀態(tài)為駁船剛駛過(guò)導(dǎo)管架預(yù)留槽第一列樁腿，此時(shí)駁船僅與第一列樁腿發(fā)生碰撞，然后依此類推，直到駁船駛過(guò)導(dǎo)管架預(yù)留槽最后一列樁腿，此時(shí)駁船可與所有樁腿發(fā)生碰撞。最后一個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)為上部組塊插尖與LMU位置對(duì)正狀態(tài)。由此可知，若導(dǎo)管架預(yù)留槽有N列樁腿則需要計(jì)算N+1個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)。

1.2 荷載傳遞階段

組塊插尖與樁腿對(duì)正后，利用潮位下降和駁船壓載，將組塊重量逐漸從駁船轉(zhuǎn)移到樁腿上。在此過(guò)程中，需要計(jì)算兩個(gè)控制參數(shù):LMU與組塊插尖的碰撞荷載，甲板支撐裝置(DSU)與組塊支撐之間的碰撞荷載。這兩個(gè)控制參數(shù)是進(jìn)行LMU、插尖、DSU和組塊支撐設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

在此過(guò)程中，根據(jù)組塊重量由駁船轉(zhuǎn)移到樁腿的份額確定關(guān)鍵狀態(tài)，通常計(jì)算組塊重量傳遞0、25%、50%、75%和100%五個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)。其中0表示組塊插尖剛開(kāi)始與LMU接觸的臨界狀態(tài)，100%表示組塊重量完全從駁船轉(zhuǎn)移至樁腿，但DSU與組塊支撐還沒(méi)有脫離的狀態(tài)。

1.3 分離退船階段

上部組塊重量從駁船100%傳遞至樁腿后，駁船繼續(xù)壓載下沉，待駁船與上部組塊底部之間出現(xiàn)足夠的退船間隙，駁船即可從導(dǎo)管架預(yù)留槽中退出。在此過(guò)程中，需要計(jì)算兩個(gè)控制參數(shù):駁船護(hù)舷與樁腿的碰撞荷載，駁船豎向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值。為避免退船過(guò)程中駁船與導(dǎo)管架水下第一層水平撐的碰撞，應(yīng)根據(jù)駁船豎向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)管架水下第一層水平撐的設(shè)計(jì)。

該階段關(guān)鍵狀態(tài)的選取原則與駁船進(jìn)入階段相似，具有相同個(gè)數(shù)的關(guān)鍵狀態(tài)。

2 浮裝水動(dòng)力分析

2.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

該平臺(tái)下部基礎(chǔ)采用6腿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，樁腿矩形布置，工作點(diǎn)平面尺寸為32 m×34 m。導(dǎo)管架頂標(biāo)高為6.0 m，水下第一層水平撐標(biāo)高為-7.0 m，水下第二層水平撐(泥面處)標(biāo)高為-12.2 m，導(dǎo)管架預(yù)留槽平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)管架預(yù)留槽平面布置示意

上部組塊采用空間框架結(jié)構(gòu)，共設(shè)三層主甲板，各層主甲板面積為46 m×40 m，另設(shè)開(kāi)排甲板一層，開(kāi)排甲板與上部組塊主結(jié)構(gòu)一起進(jìn)行浮裝。上部組塊浮裝重量約4 500 t，重心坐標(biāo)為(-0.39，0.25，6.63)。

2.2 駁船模型和環(huán)境條件

浮裝駁船使用“重任1501”輪，該船有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。浮裝過(guò)程中的設(shè)計(jì)環(huán)境條件見(jiàn)表2。

表1 駁船參數(shù)

表2 浮裝設(shè)計(jì)環(huán)境條件

2.3 浮裝水動(dòng)力分析內(nèi)容

利用軟件MOSES對(duì)浮裝過(guò)程的幾個(gè)典型階段進(jìn)行時(shí)域分析。分析中用梁和桁架模擬導(dǎo)管架、駁船和上部組塊結(jié)構(gòu)。三者之間的相互作用通過(guò)MOSES的柔性連接件模擬。

根據(jù)1.3所述原則，駁船進(jìn)入階段共需分析4個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)，依次對(duì)應(yīng)駁船船艉距離導(dǎo)管架預(yù)留槽第一列樁腿10、20、35和76 m 4個(gè)位置，計(jì)算每個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)的組塊插尖豎向位移響應(yīng)，護(hù)舷碰撞荷載。

荷載傳遞階段共分析5個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)，分別為荷載傳遞0%、25%、50%、75%和100%5個(gè)狀態(tài)，計(jì)算每個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)的6套LMU的豎向和側(cè)向碰撞荷載，6套DSU的豎向和側(cè)向碰撞荷載。

與進(jìn)入階段對(duì)應(yīng)，分離退船階段同樣分析4個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)，依次對(duì)應(yīng)駁船船艉距離導(dǎo)管架預(yù)留槽第一列樁腿76、35、20和10 m 4個(gè)位置，計(jì)算每個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)導(dǎo)管架外側(cè)4個(gè)樁腿位置處駁船豎向位移響應(yīng)及駁船護(hù)舷與樁腿的碰撞荷載。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 駁船進(jìn)入階段

表3給出上部組塊外側(cè)4個(gè)插尖由駁船垂蕩、縱搖、橫搖引起的最大豎向運(yùn)動(dòng)幅值，表4給出護(hù)舷與樁腿碰撞荷載。

表3 插尖最大豎向運(yùn)動(dòng)幅值 m

表4 護(hù)舷與樁腿碰撞荷載 kN

由表4可知，橫浪條件下駁船護(hù)舷與樁腿的碰撞荷載最大，其值為817 kN。

3.2 荷載傳遞階段

表5給出了荷載傳遞過(guò)程中5個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)的插尖與LMU最大碰撞荷載。

由表5可見(jiàn)，插尖與LMU的最大豎向碰撞荷載為8 652 kN，發(fā)生在橫浪作用荷載傳遞100%時(shí)。最大側(cè)向碰撞荷載為1 534 kN，發(fā)生在橫浪作用荷載傳遞為0時(shí)。

表6給出了荷載傳遞過(guò)程中在5個(gè)狀態(tài)時(shí)的組塊支撐與DSU最大碰撞荷載。

表5 插尖與LMU最大碰撞荷載(豎向，側(cè)向) kN

表6 組塊支撐與DSU最大碰撞荷載(豎向，側(cè)向) kN

由表6可見(jiàn)，組塊支撐與DSU的最大碰撞荷載為6 575 kN，發(fā)生在橫浪作用荷載傳遞為0時(shí)。最大側(cè)向碰撞荷載為1 928 kN，發(fā)生在橫浪作用荷載傳遞100%時(shí)。

3.3 分離退船

退船階段護(hù)舷與樁腿的碰撞荷載見(jiàn)表7。

由表7可見(jiàn)，橫浪條件駁船護(hù)舷與導(dǎo)管架的碰撞荷載最大，最大值為938 kN。

在4個(gè)外側(cè)導(dǎo)管架樁腿位置駁船的最大豎向運(yùn)動(dòng)幅值見(jiàn)表8。

由表8可見(jiàn)，退船過(guò)程中駁船在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下的最大豎向運(yùn)動(dòng)幅值為0.48 m。

表7 護(hù)舷與樁腿碰撞荷載 kN

表8 駁船最大豎向運(yùn)動(dòng)幅值 m

4 結(jié)論

根據(jù)本文的浮裝分析結(jié)果，完成了埕島中心三號(hào)生產(chǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及該平臺(tái)上部組塊的浮裝。浮裝作業(yè)前應(yīng)對(duì)安裝海域進(jìn)行細(xì)致的海洋環(huán)境調(diào)查，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)浮裝作業(yè)窗口內(nèi)的潮位變化，有效利用潮位升降，創(chuàng)造充裕的駁船進(jìn)退空間，并盡量選擇風(fēng)浪較小的安裝作業(yè)條件，降低可能的各種碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

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