張廣磊, 董寶輝, 楊小龍, 陳 峰， 鞏 雪

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

被動(dòng)式浮托結(jié)合牽引提升安裝南中國(guó)海大型平臺(tái)組塊

張廣磊, 董寶輝, 楊小龍, 陳 峰， 鞏 雪

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

針對(duì)南中國(guó)海平臺(tái)組塊海上安裝實(shí)際情況，開(kāi)創(chuàng)性地提出了大型組塊低位浮托結(jié)合牽引提升就位的安裝設(shè)計(jì)方法。綜合考慮組塊重量、南中國(guó)海域環(huán)境特征、安裝船舶特性等因素，對(duì)海上牽引提升的方式及被動(dòng)式低位浮托技術(shù)進(jìn)行了深入分析。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面，系統(tǒng)地闡述了組塊低位浮托安裝的適應(yīng)性和海上牽引提升的可操作性。該方法豐富了南中國(guó)海大型組塊安裝設(shè)計(jì)技術(shù)，其理論分析和海上安裝的順利實(shí)施對(duì)同型平臺(tái)的海上施工具有重要的指導(dǎo)意義。

海上牽引提升；被動(dòng)式；低位浮托

0 引言

隨著南海深水油氣開(kāi)發(fā)的穩(wěn)步推進(jìn)，平臺(tái)上部模塊也向著規(guī)模化、大型化、集約化方向發(fā)展，這對(duì)海洋平臺(tái)的制造和安裝提出了更大的挑戰(zhàn)，大型組塊的安裝技術(shù)成為了制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。浮托法安裝[6]由于在船舶資源和縮短海上調(diào)試時(shí)間等方面的巨大優(yōu)勢(shì)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其中，海洋石油工程股份有限公司(簡(jiǎn)稱海油工程)在近幾年中使用浮托法安裝了多個(gè)萬(wàn)噸級(jí)組塊。2013年使用浮托法完成了荔灣平臺(tái)三萬(wàn)噸組塊，創(chuàng)造了中國(guó)浮托法安裝重量之最；2014年使用動(dòng)力定位浮托法完成了惠州平臺(tái)15 000 t組塊，是國(guó)內(nèi)首次成功使用動(dòng)力定位浮托法進(jìn)行海上安裝作業(yè)。

在浮托安裝中，由于受到組塊重量、導(dǎo)管架槽口寬度和油田水深的影響，選擇合適的駁船是非常重要的，駁船選型的依據(jù)主要包括駁船的穩(wěn)性、強(qiáng)度以及主尺度等。由于現(xiàn)有浮托安裝法中，組塊設(shè)置在運(yùn)輸船上的位置較高，對(duì)運(yùn)輸和安裝過(guò)程中船舶的穩(wěn)性不利，同時(shí)，高位布置組塊要求所使用駁船的主尺度較大，導(dǎo)致安裝費(fèi)用較高。大型駁船也造成導(dǎo)管架槽口寬度相應(yīng)的增大，不利于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和制造成本的降低。

該文的主要目的是基于現(xiàn)有浮托技術(shù)提出了一種海洋平臺(tái)組塊被動(dòng)式浮托加牽引提升就位的安裝方法，其不僅能夠降低上部組塊在駁船上的高度，獲得更好的穩(wěn)定性，而且減少了安裝碰撞載荷，降低了環(huán)境要求，增加了駁船的選擇性，有利于節(jié)省海上安裝的工期。

1 主要安裝程序

浮托安裝的整個(gè)過(guò)程是把建造完成后的平臺(tái)上部組塊(如圖1所示)在碼頭裝船，由駁船運(yùn)載至井口導(dǎo)管架處，并安裝到導(dǎo)管架上。裝船與拖航作業(yè)與傳統(tǒng)浮托安裝類似[3-5]，浮托安裝(floatover) 一般指從安裝駁船到達(dá)指定海域等待到駁船撤離的整個(gè)階段，這也是海上浮托安裝最復(fù)雜的階段。如果氣象、水文條件合適，就正式進(jìn)入海上浮托安裝程序，海上安裝主要包括以下6個(gè)步驟：

圖1 組塊主體結(jié)構(gòu)圖

(1) 待機(jī)(Standby)

安裝駁船利用系泊系統(tǒng)停泊在距離導(dǎo)管架一定安全距離的區(qū)域等待合適的環(huán)境條件進(jìn)行安裝，待機(jī)系泊系統(tǒng)布置如圖2所示。這期間一般要進(jìn)行安裝準(zhǔn)備工作，如切除部分臨時(shí)固定綁扎、準(zhǔn)備快速壓載系統(tǒng)等。

(2) 進(jìn)船(Docking)

在準(zhǔn)備就緒和安全條件合適的情況下，駁船在進(jìn)船交叉纜的作用下緩慢進(jìn)入導(dǎo)管架槽口，并通過(guò)不同位置布置的錨纜控制其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，如圖3所示。在進(jìn)船的過(guò)程中，橫蕩護(hù)舷發(fā)揮緩沖碰撞作用，進(jìn)船的最終位置由駁船上的限位裝置(縱蕩護(hù)舷)碰到導(dǎo)管架樁腿確定，此時(shí)駁船上的組塊正好停留在導(dǎo)管架正上方，并且組塊腿部插尖與位于導(dǎo)管架樁腿的LMU(樁腿對(duì)接緩沖裝置)保持垂向?qū)χ小?/p>

圖2 待機(jī)示意圖 圖3 進(jìn)船立面示意圖

(3) 對(duì)接(Mating)

通過(guò)凋節(jié)駁船的壓載系統(tǒng)壓載下沉或利用潮差使駁船緩慢下降，期間需要通過(guò)駁船的精確定位，使組塊腿插尖和導(dǎo)管架樁腿上的LMU精確對(duì)中，如圖4所示。駁船繼續(xù)壓載下沉至組塊腿插尖與導(dǎo)管架上的LMU接觸，直到組塊插尖完全進(jìn)入LMU接收器內(nèi)，使得組塊重量從船上轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上，此時(shí)整個(gè)對(duì)接過(guò)程完成，如圖5所示。

圖4 進(jìn)船就位示意圖 圖5 對(duì)接完成示意圖

(4) 退船(Separation and Undocking)

繼續(xù)壓載駁船下沉，上部組塊與駁船分離，當(dāng)滑靴與上部組塊之間達(dá)到一定的安全間隙時(shí)，將駁船從導(dǎo)管架中拖出，駁船撤離，從而完成平臺(tái)組塊的海上安裝就位工作，圖6為退船后的組塊狀態(tài)。

(5) 組塊提升(Lifting)

駁船撤離后，利用牽引提升裝置，提升上部組塊至設(shè)定高度。其次，調(diào)節(jié)設(shè)在上部組塊外四腿的牽引提升裝置載荷，分配導(dǎo)管架外四腿的載荷。最后，將上部組塊與導(dǎo)管架在外四腿處采用焊接方式進(jìn)行連接，并釋放設(shè)在牽引提升裝置上的載荷。

(6) 載荷分配(Force Rebalance)

安裝內(nèi)四腿載荷分配頂升裝置，分配上部組塊在內(nèi)四腿上的載荷，將上部組塊與導(dǎo)管架的內(nèi)四腿采用焊接方式進(jìn)行連接，同時(shí)釋放頂升裝置上的載荷。至此，整個(gè)組塊低位浮托牽引提升安裝完成，如圖7所示。

圖6 退船完成示意圖 圖7 牽引提升和載荷分配示意圖

2 安裝關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵裝置

從低位浮托安裝基本步驟可以看出，裝船、拖航、待機(jī)、進(jìn)退船和對(duì)接步驟與常規(guī)浮托安裝基本類似，其關(guān)鍵技術(shù)為采用組塊低位布置在駁船進(jìn)行浮托安裝和使用牽引提升裝置進(jìn)行海上提升作業(yè)。

2.1 組塊在駁船上的低位布置

浮托法安裝中，從運(yùn)輸?shù)桨惭b是同一條駁船，駁船的設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇需要考慮運(yùn)輸和安裝兩方面。對(duì)于固定式平臺(tái)安裝，駁船浮托上部組塊對(duì)組塊在駁船上的高度有限制。同時(shí)，駁船需要進(jìn)入平臺(tái)樁腿之間，樁腿間隙制約駁船寬度。另外，駁船在最大吃水時(shí)底部要與平臺(tái)下部基礎(chǔ)中間的橫撐保持安全間隙，這對(duì)駁船型深有一定的要求。綜合考慮，首先根據(jù)上部模塊的重量和平臺(tái)下部基礎(chǔ)的高度，在滿足穩(wěn)性的前提下，挑選盡可能小的駁船型寬和型深，從而節(jié)省安裝費(fèi)用和導(dǎo)管架的制造成本。

從圖8、圖9對(duì)比來(lái)看，常規(guī)浮托法組塊底層甲板距離駁船甲板15 m，而低位浮托法中兩者只有5 m的距離，遠(yuǎn)小于常規(guī)浮托法。

圖8 低位浮托拖航立面圖 圖9 常規(guī)浮托拖航立面圖

基于低位浮托設(shè)計(jì)方法，組塊在駁船上的布置有以下四點(diǎn)考慮：

(1) 組塊低位布置在船上，在滿足駁船穩(wěn)性的情況下選用較小的駁船，節(jié)約成本，同時(shí)減少了海上安裝的碰撞載荷。

(2) 大大減少組塊在場(chǎng)地的建造高度，提高了建造效率，節(jié)約了建造成本。

(3) 減少了組塊在駁船上的大型支撐結(jié)構(gòu)和綁扎固定材料。

(4) 組塊重心降低，增加了裝船時(shí)的安全性。

2.2 組塊海上提升技術(shù)

組塊海上提升技術(shù)是該安裝方法的核心技術(shù)。常規(guī)浮托中，組塊在駁船上的布置高度是根據(jù)組塊在位狀態(tài)高度進(jìn)行設(shè)計(jì)，組塊和導(dǎo)管架對(duì)接后的狀態(tài)即為在位狀態(tài)，不需要進(jìn)行高度上的調(diào)節(jié)。在低位浮托中，組塊在駁船上的布置位置較低，完成組塊和導(dǎo)管架對(duì)接后，組塊的高度未達(dá)到在位設(shè)計(jì)高度，這樣就需要采用海上提升技術(shù)將組塊提升至設(shè)計(jì)高度。

海上提升操作中包含兩種機(jī)械裝置，分別是牽引提升裝置和載荷分配頂升裝置。這兩種裝置的工作原理如下：牽引提升裝置安裝在組塊外四腿上，如圖10所示,每個(gè)腿包括一個(gè)套筒和插入腿。套筒和組塊的整體結(jié)構(gòu)為一體，套筒和插入腿之間有牽引裝置進(jìn)行連接。套筒和提升裝置連接位置在頂層甲板腿部周圍，插入腿和提升裝置連接位置在每個(gè)外腿的頂部。組塊重量完全轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架后，插入腿和導(dǎo)管架連接，作為提升的支撐基礎(chǔ)，牽引提升裝置牽拉組塊進(jìn)行提升。組塊提升至設(shè)計(jì)高度后，調(diào)節(jié)外腿牽引提升裝置上的載荷至設(shè)計(jì)值，完成外腿載荷分配。

載荷分配頂升裝置位于組塊底層甲板內(nèi)腿周圍，如圖11所示。當(dāng)組塊提升至設(shè)計(jì)高度后，在組塊底層甲板內(nèi)腿周圍焊接頂升裝置支撐結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)頂升裝置載荷至內(nèi)腿的設(shè)計(jì)載荷，即完成組塊內(nèi)腿的載荷分配。

圖10 牽引提升裝置 圖11 載荷分配頂升裝置

3 實(shí)例

2014年5月位于南中國(guó)海某油田的鉆井平臺(tái)組塊采用該方法進(jìn)行安裝。此油田水深110 m，采用8腿導(dǎo)管架。上部組塊分為3層，標(biāo)高分別為19 m、24 m和29 m，安裝重量約為12 700 t。

3.1 設(shè)計(jì)模型

駁船主尺度及主要參數(shù)見(jiàn)表1、拖航裝載立面如圖12所示。

表1 駁船主尺度及主要參數(shù)

圖12 拖航裝載立面圖

3.2 分析方法

浮托安裝過(guò)程需要分析安裝駁船的運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)度，評(píng)估并預(yù)測(cè)系泊系統(tǒng)、LMU、滑靴和護(hù)舷等關(guān)鍵部位的受力。建立上部組塊、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、浮托安裝駁船和系泊系統(tǒng)的耦合多體分析模型。該模型主要分為駁船的PANEL模型，組塊和導(dǎo)管架的剛體模型和多體之間的耦合模型等。其中，多體耦合模型包括以下四部分：

(1) 駁船同上部組塊之間的耦合，兩者通過(guò)滑靴進(jìn)行連接。實(shí)例中使用的兩條滑靴位于駁船滑道上部與組塊底層甲板大梁之間。

(2) 駁船同海底之間的耦合。該耦合是通過(guò)系泊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，此次安裝實(shí)例使用了4根系泊纜。

(3) 駁船同導(dǎo)管架腿之間的耦合。駁船舷側(cè)裝有護(hù)舷裝置，包括橫蕩護(hù)舷和縱蕩護(hù)舷。護(hù)舷不僅減少駁船同導(dǎo)管架的碰撞力，同時(shí)起到駁船限位的作用。

(4) 組塊和導(dǎo)管架之間的耦合。組塊在下放過(guò)程中同導(dǎo)管架接觸是通過(guò)樁腿對(duì)接緩沖裝置(LMU)實(shí)現(xiàn)的，該緩沖裝置起到限位捕捉和減少碰撞力兩個(gè)作用。

3.3 提升操作

退船完成后進(jìn)行組塊提升工作，提升的步驟已在安裝程序中做了詳細(xì)說(shuō)明。

每個(gè)外四腿上的牽引提升裝置有六個(gè)拉力千斤頂，每個(gè)千斤頂能力為850 t，則每個(gè)腿的牽引裝置能力為5 100 t。根據(jù)表2所列，4個(gè)腿的牽引提升裝置中最小的安全系數(shù)為1.27。保證每個(gè)腿失效一個(gè)千斤頂，則安全系數(shù)仍大于1。

表2 組塊提升工況下外四腿設(shè)計(jì)載荷及提升裝置能力

每個(gè)內(nèi)四腿載荷分配頂升裝置包含四個(gè)千斤頂，每個(gè)千斤頂?shù)哪芰?00 t，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 組塊內(nèi)四腿設(shè)計(jì)載荷及頂升裝置能力

4 結(jié)論

隨著浮托法安裝技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在原有成熟的浮托技術(shù)基礎(chǔ)之上，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新的技術(shù)也越來(lái)越多，低位浮托技術(shù)就是成功案例之一?，F(xiàn)對(duì)此方法的五點(diǎn)闡述如下：

(1) 與傳統(tǒng)浮托方法相比，該方法降低了組塊在駁船上的固定高度，增加了船舶穩(wěn)性。

(2) 降低了組塊重心，減少對(duì)船舶穩(wěn)性的要求，在駁船選型上有了更大的空間，減少安裝費(fèi)用。

(3) 減小駁船尺度，降低對(duì)導(dǎo)管架槽口間隙的尺寸要求，有利于控制導(dǎo)管架的制造費(fèi)用。

(4) 減少了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和安裝時(shí)的碰撞載荷，降低了浮托環(huán)境要求，擴(kuò)大了安裝氣候窗，有利于海上安裝的工期選擇。

(5) 提升操作過(guò)程是在組塊重量完全轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上之后進(jìn)行的，屬于靜態(tài)提升，大大增加了海上提升操作的安全性。

此方法在施工上還存在部分缺點(diǎn)：

(1) 由于此方法采用了海上提升的操作，增加了海上施工的危險(xiǎn)性和復(fù)雜性，同時(shí)增加了提升和頂升等設(shè)備的費(fèi)用。

(2) 提升操作的設(shè)計(jì)要求增加了組塊腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

總體來(lái)說(shuō)，低位浮托方法具備了優(yōu)化船型和平臺(tái)結(jié)構(gòu)、增加海上操作安全性以及提高作業(yè)效率的特點(diǎn)，是對(duì)浮托技術(shù)的一種創(chuàng)新式的嘗試。該技術(shù)的應(yīng)用成功，為發(fā)展深海大型平臺(tái)的安裝提供了新的借鑒方法，進(jìn)一步鞏固了浮托法安裝在海洋石油工程領(lǐng)域的重要地位。

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Passive Floatover Installation Method with Lifting for Large Deck of Drilling Platform in South China Sea

ZHANG Guang-lei, DONG Bao-hui, YANG Xiao-long, CHEN Feng, GONG Xue

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

For offshore installation of drilling platform topsides in the South China Sea, low-deck floatover method is described and analyzed systematically based on the weight of topsides, environmental condition of the South China Sea and combined with ship characteristics. In this method, offshore strand-jack lifting technique is used. Moreover, from economic and security, this paper discusses the adaptability of the low-deck floatover installation and operability of strand-jack lifting technique. This method enriches the offshore installation technology for large deck in the South China Sea. Theoretical analysis of this method and successful implementation in offshore installation has an important guide and reference to the similar offshore platform installation.

offshore strand-jack lifting； passive； low-deck floatover

2014-09-22

張廣磊(1984-)，男，工程師。

1001-4500(2015)05-0013-06

P75

A