張廣磊, 杜 瑜， 楊小龍, 高慧穎, 胡海峰

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.中國船級社實業(yè)公司， 武漢 430022)

對接裝置在海洋平臺安裝中的設(shè)計和應(yīng)用創(chuàng)新

張廣磊1, 杜 瑜2， 楊小龍1, 高慧穎1, 胡海峰1

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.中國船級社實業(yè)公司， 武漢 430022)

針對平臺上部結(jié)構(gòu)海上浮托安裝，以減少安裝過程中的碰撞力為目的，研究了海上安裝過程中常用的對接裝置。重點闡述了對接裝置的工作原理、設(shè)計方法及在實際中的應(yīng)用與創(chuàng)新。以裝置在實際工程中的應(yīng)用為例，介紹了對接裝置中橡膠單元的性能分析方法，并建立主要結(jié)構(gòu)的有限元計算模型進行強度設(shè)計分析。該文對近期在海上安裝領(lǐng)域應(yīng)用過的對接裝置進行了分類，介紹了對接裝置的優(yōu)點，并對其未來的應(yīng)用前景進行了展望。

對接裝置；浮托法；海上安裝

0 引言

海洋平臺安裝中，平臺上部結(jié)構(gòu)和下部樁基基礎(chǔ)在海上進行組裝是常見的一種安裝方法，該方法主要包括吊裝和浮托安裝兩種形式。受到吊機吊重的限制，大型平臺上部組塊的海上安裝常采用浮托安裝技術(shù)，即通過調(diào)整運輸船上組塊相對于下部基礎(chǔ)的高度將上部組塊載荷轉(zhuǎn)移到下部樁基基礎(chǔ)上，如圖1所示。荷載轉(zhuǎn)移過程即上部組塊腿和樁基基礎(chǔ)的對接是浮托技術(shù)的核心，在對接過程中，樁基基礎(chǔ)和上部組塊腿部在接觸時會產(chǎn)生非常大碰撞力，這樣就需要一種方法或裝置來減少對接過程中的碰撞力。浮托對接裝置便是安裝在樁基基礎(chǔ)腿和上部組塊腿中間，在重量轉(zhuǎn)移時起到緩沖作用的樁腿對接裝置(LMU)。

1 對接裝置工作原理

對接裝置主要包括套筒、接收器、垂向橡膠、水平橡膠、加強筋板、沙箱、中心柱和插尖等結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖3為上部結(jié)構(gòu)腿和樁基腿對接完成后的示意圖。

圖1 浮托法安裝示意圖

在平臺上部結(jié)構(gòu)浮托安裝中，安裝駁船就位后，通過調(diào)整駁船壓載增加駁船吃水，降低上部結(jié)構(gòu)高度，減少上部結(jié)構(gòu)腿和對接裝置之間的距離，最終使插尖緩慢插入對接裝置，實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)和樁基基礎(chǔ)的對接。對接裝置各個結(jié)構(gòu)的作用及工作原理如下所述：

(1) 插尖

插尖位于上部結(jié)構(gòu)腿的底部，主要作用是增加對接過程中的捕捉范圍，調(diào)整上部結(jié)構(gòu)和樁基基礎(chǔ)的對接偏差，提高對接精度。

(2) 接收器

接收器位于樁基腿頂部，在上部結(jié)構(gòu)進行下放的過程中會受到環(huán)境條件的影響而產(chǎn)生水平運動，為了防止對接發(fā)生錯位，在上部結(jié)構(gòu)安裝插尖，并在對接裝置上放置接收器，擴大對接范圍。在環(huán)境條件惡劣時，可以增加接收器的開口范圍，以提高對上部插尖的捕捉范圍，提高對接精度。

圖2 對接裝置結(jié)構(gòu)圖 圖3 對接裝置完成示意圖

(3) 垂向橡膠單元

該單元是對接裝置的核心結(jié)構(gòu)，位于對接裝置內(nèi)部，垂向套在中心柱上。其作用是依靠垂向橡膠的彈性性能，吸收上部結(jié)構(gòu)在對接過程中由于駁船的垂向運動引起的碰撞載荷。

(4) 水平橡膠單元

該裝置位于對接裝置內(nèi)部，環(huán)形套在垂向橡膠外側(cè)，并保留與套筒內(nèi)側(cè)10 mm的間隙。該裝置的作用是減少上部結(jié)構(gòu)在對接過程中產(chǎn)生的水平荷載，對上部結(jié)構(gòu)腿和樁基結(jié)構(gòu)起到保護作用。

(5) 中心柱

中心柱主要作用是防止上部結(jié)構(gòu)下放的過程中對對接裝置的壓潰，并對橡膠單元起到支撐的作用。

(6) 沙箱

沙箱位于對接裝置的底部，在上部結(jié)構(gòu)完全放置到樁基結(jié)構(gòu)后，由于橡膠剛度的制造精度或安裝時產(chǎn)生的上部結(jié)構(gòu)重量重心偏離，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)腿和樁基腿不能完全的接觸或吻合。沙箱的作用就是采取放沙的方式使得兩者完成對接，同時可以釋放掉對接完成后存在垂向橡膠內(nèi)部的剩余應(yīng)力。

(7) 加強筋板

加強筋板位于對接裝置的底部，其主要作用是提高對接裝置的垂向強度。

2 對接裝置性能分析

對接裝置在實際工況中所受的載荷包括上部結(jié)構(gòu)腿靜態(tài)支撐力以及駁船運動引起的動載荷。其中橡膠單元主要作用是吸收對接過程中的動載荷，并承受一定的靜載荷，需要根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)承受的載荷能力選擇合適的橡膠單元彈性剛度，并根據(jù)對接過程中承受的最大載荷分析對接裝置的結(jié)構(gòu)強度。

2.1 橡膠單元彈性剛度設(shè)計

進行橡膠性能分析時，需要考慮橡膠承受的載荷，即在對接過程中橡膠承受的靜載荷。保證在上部結(jié)構(gòu)重量完全轉(zhuǎn)移后，上部結(jié)構(gòu)腿與樁基腿完成對接，一般考慮橡膠承受70%～80%的上部結(jié)構(gòu)的靜載荷。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)重量的70%或80%轉(zhuǎn)移到對接裝置時，上部結(jié)構(gòu)腿與樁基腿開始接觸，此后橡膠不再繼續(xù)壓縮。

橡膠剛度設(shè)計時，首先根據(jù)上部結(jié)構(gòu)各個腿部的支撐力，分析各個腿部對接裝置中橡膠需要承受的設(shè)計載荷。表1中，四腿支撐形式的上部結(jié)構(gòu)總重為20 000 t，橡膠承受80%的結(jié)構(gòu)重。由于各個腿部的支撐載荷不相同，為了保持在對接過程中上部結(jié)構(gòu)的平衡，需要各個腿垂向橡膠的壓縮量相同，則各個腿的橡膠垂向設(shè)計剛度不相同，為了在同一曲線中表示各個腿上對接裝置的橡膠剛度，使用了載荷百分比的形式進行表示，如圖4所示。其中水平橡膠的剛度是根據(jù)對接裝置的水平間隙和初步評估的水平碰撞載荷進行確定，剛度曲線如圖5所示。根據(jù)設(shè)計的剛度曲線加工完成橡膠產(chǎn)品制作后，需要對橡膠的彈性性能進行壓縮試驗，要求試驗結(jié)果與設(shè)計剛度曲線誤差在±5%以內(nèi)。

表1 各腿橡膠設(shè)計載荷及壓縮量分配表

圖4 對接裝置垂向橡膠彈性剛度曲線 圖5 對接裝置水平橡膠彈性剛度曲線

2.2 對接裝置整體結(jié)構(gòu)強度分析

進行結(jié)構(gòu)強度分析前需要得到對接裝置所受到的最大載荷。在平臺浮托安裝分析中，使用彈簧單元模擬對接裝置中的橡膠，進行時域分析，統(tǒng)計得出對接裝置受到的水平和垂向最大載荷，其中垂向載荷包括靜載荷和動載荷。把時域分析得到的外載荷加載到整體的對接裝置上進行有限元分析。有限元分析的主要單元包括插尖、對接裝置套筒、加強筋板、中心柱、垂向橡膠單元和水平橡膠單元等結(jié)構(gòu)。分析模型及分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 對接裝置有限元模型圖

3 對接裝置的應(yīng)用及推廣

對接裝置在大型平臺浮托安裝設(shè)計中應(yīng)用廣泛，并根據(jù)浮托安裝設(shè)計形式的不同，其結(jié)構(gòu)形式也相應(yīng)發(fā)生變化和創(chuàng)新?，F(xiàn)根據(jù)已經(jīng)使用過的對接裝置形式分成了三大類，主要包括樁基式對接裝置、內(nèi)嵌式對接裝置和倒插式對接裝置。

3.1 樁基式對接裝置

該裝置作為樁基基礎(chǔ)的一部分直接焊接在樁基腿上部。此形式的對接裝置自身高度大概為3 m～4 m，需要在上部結(jié)構(gòu)和樁基基礎(chǔ)之間預(yù)留3 m～4 m的空間。該裝置在浮托安裝前需要提前進行海上吊裝和焊接工序,受其他條件影響較小，結(jié)構(gòu)形式簡單，應(yīng)用最為廣泛，主要應(yīng)用于渤海大型平臺上部結(jié)構(gòu)的浮托安裝設(shè)計中。

3.2 內(nèi)嵌式對接裝置

內(nèi)嵌式對接裝置是將其放入樁基腿或上部結(jié)構(gòu)腿內(nèi)部，結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。該形式主要是利用限制加強環(huán)直接和樁基腿焊接，并在對接裝置套筒和樁基腿之間保留一定間隙，方便海上吊裝。該形式的主要優(yōu)點是可以節(jié)省樁基基礎(chǔ)頂部和上部結(jié)構(gòu)腿之間的空間。如果駁船的吃水受限或者上部結(jié)構(gòu)在駁船的布置位置高度受限時，使用該結(jié)構(gòu)可以解決空間受限的問題。但該結(jié)構(gòu)對對接裝置套筒的精度要求較高，且海上安裝和焊接程序較為復(fù)雜。

3.3 倒插式對接裝置

倒插式結(jié)構(gòu)形式是將對接裝置提前安裝在上部結(jié)構(gòu)腿的底部，接收器開口向下，插尖結(jié)構(gòu)安裝在樁基腿上部,結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。該結(jié)構(gòu)形式可以在浮托前在陸地進行安裝，減小了海上安裝對接裝置的風(fēng)險。只需在海上安裝插尖結(jié)構(gòu)即可，大大簡化了施工程序，減少了海上安裝時間。

在上述三種形式的對接裝置中，倒插式對接裝置的裝配和安裝較為復(fù)雜，現(xiàn)以該種形式的裝配和安裝流程舉例，倒插對接裝置裝配步驟如圖9所示。

步驟1：安裝限位結(jié)構(gòu)。

步驟2：對接裝置套筒與加強筋板組裝完成后吊裝放入限位結(jié)構(gòu)。

步驟3：吊裝放入垂向橡膠緩沖單元。

步驟4：水平橡膠、中心柱及接收器組裝后，將其吊裝插入中空垂向橡膠單元，即完成了整個對接裝置的裝配。

步驟5：將裝配好的對接裝置作為內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)插入下部基礎(chǔ)對應(yīng)位置，并將限制加強環(huán)結(jié)構(gòu)與下部樁基腿進行焊接。

以上前4個步驟為對接裝置的裝配流程，均在陸地上完成，第5步為對接裝置的安裝，需要海上進行操作。

圖7 內(nèi)嵌式對接裝置示意圖 圖8 倒插式對接裝置示意圖

圖9 倒插對接裝置裝配步驟示意圖

4 結(jié)論

該文對對接裝置的主要性能做了分析，同時對其工作原理和推廣應(yīng)用做了簡述?，F(xiàn)總結(jié)對接裝置的優(yōu)點如下：

(1) 對接裝置按照結(jié)構(gòu)形式分為三種形式，可根據(jù)項目實際需要選擇合適的種類，或?qū)ζ溥M行簡單改造以滿足海上安裝的需求。

(2) 使用對接裝置可以大大減少海上安裝產(chǎn)生的碰撞載荷，增加海上施工的安全性。

(3) 增加對接裝置可以擴大海上浮托安裝氣候窗口，提高海上施工的操作概率。

綜上所述，對接裝置在海洋平臺海上安裝中的作用非常突出，不僅使用于平臺浮托安裝中，同時適用于海上安裝過程中需要進行鋼結(jié)構(gòu)之間對接的所有作業(yè)工況。

[1] GL Nobel Denton.General guidelines for marine projects[S]. 2013.

[2] GL Nobel Denton.Guidelines for float-over installations/removals[S]. 2013.

[3] 楊小龍,高定全,董寶輝，等.T型駁運載超大型組塊運動特性分析[J]. 船海工程, 2013,42(1):129-131.

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[5] 許南,王飚,楊小龍,等.大型組塊橫向滑移裝船可行性分析[J].中國造船, 2013,66(6):133-139.

Design and Innovative Application of LEG Mating Unit in Offshore Installation of Platform

ZHANG Guang-lei1, DU Yu2, YANG Xiao-long1, GAO Hui-ying1, HU Hai-feng1

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China; 2.China Classification Society Industry, Wuhan 430022, China)

The leg mating unit (LMU) is used for reducing the impact force in offshore floatover installation of platform topsides. The paper describes the principle, design method and innovative application. For example of LMU applying in actual engineering, function of elastomeric pad is analyzed and finite element analysis is used for strength evaluation of the main structure of LMU. The kinds of LMU used in offshore installation recently are classified and summarized. At last, the advantage and good future of LMU are introduced.

LMU； floatover； offshore installation

2015-03-22

張廣磊(1984-)，男，工程師。

1001-4500(2015)04-0020-05

P75

A