居惠紅

(1.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063;2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海200063)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲卸油系統(tǒng)(FPSO)、浮式儲卸油系統(tǒng)(FPU)、浮式生產(chǎn)系統(tǒng)(FPU)等浮式油田設(shè)備通常都是在干船塢內(nèi)用自下而上進(jìn)行模塊搭載的方式來建造的。而對于浮式的近海油田設(shè)施 (如FPSO，F(xiàn)PU)其下部的船體結(jié)構(gòu)在干船塢內(nèi)用傳統(tǒng)的造船方法建造，其上部結(jié)構(gòu)則是在舾裝碼頭用浮吊吊裝［1］。

然而這種建造方式受制于船廠緊張的制造流程和船塢時間安排，必須使下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的建造進(jìn)度互相匹配才能滿足整個項目的進(jìn)度要求。在這種情況下按照客戶的要求對任何一部分的設(shè)計進(jìn)行更改通常是很困難的?？紤]到上述因素，有必要開發(fā)一種新的建造方法來取代傳統(tǒng)的干塢建造方式。

為了縮短建造周期并增加建造過程中適應(yīng)設(shè)計變化的靈活性，在建造FPU 平臺工程中采用了平地建造方式。下部的船體和上部的結(jié)構(gòu)同時在平地上建造和裝配，完工后將完整的FPU 移上半潛船并完成下水。本文將介紹可應(yīng)用于平地建造的海工平臺移上半潛船完成下水的一套設(shè)計方法。

項目基地位于廣州南沙新區(qū)龍穴島，系我國華南地區(qū)最大的修造船及海工基地。基地岸線長4 500 m，縱深1 300 m，實(shí)際規(guī)劃面積556.5 公頃，整個基地圍繞挖入式內(nèi)港池布置有造船、修船、海洋工程、船舶配套和高新特種船舶等生產(chǎn)區(qū)域，基地效果圖如圖1所示。

圖1 中船龍穴造船基地效果圖Fig.1 CSSC LONGXUE Shipbuilding Base

1 海工平臺平地建造特點(diǎn)

采用平地方式建造海工產(chǎn)品的特點(diǎn)是:1)高空作業(yè)地面化，提高了安全性和勞動效率;2)利用Super Lift (超級起重)技術(shù)，最大限度地發(fā)揮鋼絲繩千斤頂?shù)钠鹬啬芰?，制造更大的分?3)人員進(jìn)出作業(yè)現(xiàn)場更方便，減少了時間損失;4)幾個大型分段工位同時作業(yè)，縮短了建造周期。采用該建造方法，F(xiàn)PU 平臺被分為二大部分建造，即上部的甲板模塊和下部的浮體結(jié)構(gòu)(含立柱)。這二部分在平地上串聯(lián)建造，當(dāng)這二部分完工后，利用鋼絲繩千斤頂技術(shù)，重達(dá)12 000 t的上部模塊被提升到預(yù)定高度，然后下部浮體結(jié)構(gòu)滑移到上部模塊甲板下預(yù)定位置，并將上部模塊下降到浮體結(jié)構(gòu)上完成對接［2］。該方式取代了傳統(tǒng)建造方法在海上完成甲板模塊與下部浮體對接的作業(yè)過程，效率更高。

2 總裝建造及移船下水系統(tǒng)設(shè)計

2.1 平地建造FPU 平臺的主尺度、重量等特征數(shù)據(jù)

FPU 平臺長度76 m，寬度76 m。拖航排水量約35 000 t，吃水10.2 m，基線以上總高度110 m(至鉆井塔頂部)。上部模塊重12 000 t，下部浮體重18 000 t。包括浮體4個，分別為長45.72 m，寬12.8 m，高8.53 m。立柱4個，分別長15.24 m，寬15.24 m，高度為58 m。

2.2 總裝建造場地布置

FPU 平臺總裝建造流程如圖2所示。

根據(jù)上述總裝建造流程，進(jìn)行場地布局規(guī)劃。建設(shè)場地位于船塢區(qū)西側(cè)，面向內(nèi)港池。出運(yùn)碼頭250 m，后方陸域設(shè)置滑道，頂高程同地坪標(biāo)高，為5.2 m (當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下?。滑道長度300 m，在70 m 寬度范圍內(nèi)設(shè)置4 根滑道，每根滑道寬度為10 m，滑道中心距20 m。大型組塊或平臺滑移時在滑道區(qū)內(nèi)設(shè)置4 組連續(xù)滑靴，寬度2.0 m。

圖2 FPU 平臺總裝建造流程圖Fig.2 FPU Platform assembly and erection flow chart

靠出運(yùn)碼頭陸域側(cè)前后串聯(lián)設(shè)置2個工位，分別為平臺總裝工位、下部浮體建造工位?？傃b區(qū)單根滑道設(shè)計荷載為800 kPa，浮體建造工位滑道設(shè)計荷載為400 kPa。建造場地墩木荷載1 200 kN/個，縱橫向間距2.5 m。

上述平面布置適應(yīng)自重30 000 t 以下，滑靴橫向可調(diào)間距12～68 m，且滑道荷載不大于800 kPa的產(chǎn)品的建造及下水，涵蓋了目前主流的半潛式、自升式平臺的建造要求。平地建造方案工藝布置及產(chǎn)品對接方案如圖3所示。

圖3 平地建造布置方案及產(chǎn)品對接示意圖Fig.3 Land Construction Arrangement and Launching General View

考慮提升模塊需增設(shè)懸臂及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，提升重量按16 000 t 計算，模塊兩側(cè)均設(shè)置6個提升立柱，每個立柱提升能力為2 000 t (立柱頂部設(shè)有提升鋼絲繩千斤頂)。合攏完成后，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)拆除，保持產(chǎn)品下水重量控制在30 000 t。

2.3 選用合適的半潛船

針對平地建造方案，結(jié)合FPU 平臺主尺度、重量及重心高度，在保證安全的前提下，選用合適的半潛船接運(yùn)FPU 平臺。該船全長224.5 m，船寬63.00 m，型深13.30 m，下潛吃水29.3 m，夏季吃水10.1 m?？倗?1 821 t，載重噸76 410 t。主甲板凈長178.2 m，凈寬63 m，主甲板負(fù)荷275 kPa。壓載水系統(tǒng):4 臺壓載泵，每臺壓載泵的流量為3 300 m3/h。

2.4 海工平臺滑移下水

產(chǎn)品完工下水前，在總裝建造區(qū)平臺浮體下方，鋪設(shè)水平縱移滑道，單根滑道寬2.0 m，共4 組，鋪設(shè)至碼頭前沿，長度約100 m。碼頭前沿與接運(yùn)半潛船間設(shè)有連接梁，連接梁將碼頭面上滑道與半潛船上的水平滑道相連，并保持水平。

接運(yùn)半潛船采用順岸靠泊碼頭的裝船方式，裝船時用若干根纜繩將接運(yùn)半潛船系泊在碼頭系船柱上，用絞車將纜繩收緊。

公司所在的珠江水域潮汐為弱潮型，屬非正規(guī)半日混合潮型，每日出現(xiàn)2 次高潮和2 次低潮?？紤]到裝船出運(yùn)持續(xù)時間及半潛船調(diào)載能力，下水作業(yè)選擇在低平潮時進(jìn)行。

平臺荷載由建造場地轉(zhuǎn)移到半潛船過程中，不論荷載和潮位如何變化，半潛船始終應(yīng)為無縱傾正浮狀態(tài)，半潛船甲板上的滑道頂高程始終與場地上滑道頂高程齊平。因潮汐和出運(yùn)平臺的載荷變化，為了維持半潛船水平狀態(tài)及平臺的穩(wěn)性，接運(yùn)半潛船必須具備正確、迅速、精密調(diào)整的壓、排載能力。

平臺移上半潛船前，各種水位情況下，半潛船吃水、排水量和壓載水量應(yīng)提前計算并做好預(yù)案。半潛船壓載調(diào)控設(shè)計取決于:平臺移動速度、潮位變化速率、半潛船水泵的能力和壓載水倉的容積?？紤]滑移速度，F(xiàn)PU 半潛式平臺滑移作業(yè)約需要15 h，行程約100 m。

2.5 半潛船壓載控制

2.5.1 半潛船的裝載狀態(tài)

根據(jù)選用的半潛船型深、工作吃水變化范圍，要求低潮時水位距離碼頭滑道面不大于8.4 m，高潮時不得小于3.0 m，本工程位置最低潮位0.1 m，實(shí)際潮位允許變化范圍為0.1 m 至4.2 m。下水前，平臺上船重量為0 t，用30 000 t 壓載水代替該平臺重量，半潛船保持吃水，此時該船載重為36 690 t(另含6 690 t 燃油、淡水等)，排水量64 625.69 t(其中半潛船自重27 935.69 t)。

2.5.2 壓載系統(tǒng)平衡潮汐、船舶載荷的合成變化

1)潮汐變化，對吃水和排水量的影響

Impacts on draft and displacement from tides

潮汐變化 Δ d /m Δ P /t T /h漲到平均高潮位2.63 m 1.60 18896.0 6每小時最大漲幅 0.60 7086.0 1落到平均低潮位1.03 m－1.60－18896.0 6每小時最大落幅+表示影響結(jié)果使得主甲板面上升－表示影響結(jié)果使得主甲板－0.60－7086.0 1面下降

2)半潛船“Blue Marlin”壓載水變化，對吃水和排水量的影響

Impacts on draft and displacement from ballast water of Blue Marlin

船舶壓載速度13 200 m3/h (=4 臺×3 300 m3/h)

Ship ballast speed of 13 200 m3/h (=4 sets ×3 300 m3/h)

船舶壓載變化 Δ d /m Δ P /t T /h每小時壓載水－1.118－13200.0 1每小時減載水1.118 13200.0 1+表示影響結(jié)果使得主甲板面上升－表示影響結(jié)果使得主甲板面下降

3)船舶載荷變化，對吃水和排水量的影響

Impacts on draft and displacement from loading

滑裝速度按照6 m/h 計算，側(cè)滑約90 m 距離需要15 h

Launching speed of 6 m/h，15 hours for the distance of 90 m

船舶壓載變化 Δ d /m Δ P /t T /h 15 小時側(cè)滑載荷變化－2.540－30000.0 15每小時側(cè)滑載荷變化－0.169－2000.0 1+表示影響結(jié)果使得主甲板面上升－表示影響結(jié)果使得主甲板面下降

4)潮汐變化和船舶載荷變化對吃水和排水量的合成影響

Impacts on draft and displacement from combination of tides and loading

漲潮平均合成影響［潮差為1.60 m =2.63 m－(1.03 m)］

Average impact combination of rise ［Tide Range 1.60 m=2.63 m－(1.03 m)］

漲潮平均合成影響 Δ d /m Δ P /t T /h漲到平均高潮位2.63 m 1.60 18896.0 6 6 小時側(cè)滑載荷變化 －1.014－12000.0 6 6 小時合成影響 0.586 6896.0 6時均漲潮合成影響0.098 1149.33 1+表示影響結(jié)果使得主甲板面上升－表示影響結(jié)果使得主甲板面下降

最大漲幅0.60 m/h 合成影響

Impact combination of maximum rise 0.60 m/h

最大漲幅0.60 m/h Δ d /m Δ P /t T /h每小時潮汐最大漲幅0.60 7086.0 1每小時側(cè)滑荷載變化－0.169－2000.0 1時最大漲幅合成影響0.431 5086.0 1+表示影響結(jié)果使得主甲板面上升－表示影響結(jié)果使得主甲板面下降

落潮平均合成影響［潮差為1.60 m =2.63 m－(1.03 m)］

Average impact combination of fall ［Tide Range 1.60 m=2.63 m－(1.03 m)］

漲潮平均合成影響 Δ d /m Δ P /t T /h落到平均低潮位1.03 m－1.60－18896.0 6 6 小時側(cè)滑載荷變化－1.014－12000.0 6 6 小時合成影響 －2.614－30896.0 6時均落潮合成影響－0.436－5149.33 1+ 表示影響結(jié)果使得主甲板面上升－表示影響結(jié)果使得主甲板面下降

最大落幅0.60 m/h 合成影響

Impact combination of maximum fall 0.60 m/h

最大落幅0.60 m/h Δ d /m Δ P /t T /h每小時潮汐最大落幅－0.600－7086.0 1每小時側(cè)滑荷載變化－0.169－2000.0 1時最大落幅合成影響－0.769－9086.0 1+表示影響結(jié)果使得主甲板面上升－表示影響結(jié)果使得主甲板面下降

5)船舶壓載系統(tǒng)平衡潮汐和載荷變化的合成影響

Impacts combination of loading system and balanced tides

潮汐、荷載、壓載 Δ d /m Δ P /t T /h時均漲潮合成影響0.098 1149.33 1時最大漲幅合成影響 0.431 5086.0 1時均落潮合成影響 －0.436－5149.33 1時最大落幅合成影響－0.769－9086.00 1船舶壓載水 －1.118－13200.00 1船舶減載水1.118 13200.00 1+表示影響結(jié)果使得主甲板面上升－表示影響結(jié)果使得主甲板面下降

2.5.3 壓載控制

將FPU 移上半潛船的過程中對壓載進(jìn)行控制以便把半潛船的吃水、縱傾、橫傾控制在允許的范圍內(nèi)，縱傾允許的范圍是±0.25°、橫傾允許的范圍是±0.2°。

壓載分為20步，間距5 m，壓載控制必須與FPU的移動速度相適應(yīng)。將FPU 移上半潛船過程中實(shí)際壓載狀態(tài)的監(jiān)測是通過用吃水指示計和經(jīng)緯儀測量半潛船的吃水來監(jiān)控的。

根據(jù)計算，半潛船壓載系統(tǒng)可以全部平衡潮汐和自重30 000 t的FPU 平臺的載荷合成影響，該半潛船接運(yùn)本項目代表產(chǎn)品下水是安全的。

2.6 移船下水系統(tǒng)設(shè)計

2.6.1 滑道支撐結(jié)構(gòu)

平臺在場地建造完工后，需利用移船裝置將其移上半潛船完成下水，如圖4所示為滑道的支撐結(jié)構(gòu)，滑道表面涂有足量潤滑，其上帶有液壓千斤頂，以提供一個常壓力在滑道上，避免應(yīng)力集中。平臺被液壓千斤頂組成的陣列支撐著，這些千斤頂被分為4 組，與此相應(yīng)在FPU 平臺的移動路線上設(shè)有4 組滑軌。這些千斤頂使FPU的重量均勻分布，在FPU的底部結(jié)構(gòu)和滑軌上形成線載荷。考慮重心的變化，線載荷通過千斤頂?shù)呢?fù)荷計算以確保重量分布的平衡。FPU 移動過程中最大的線載荷是150 t/m。千斤頂起重能力250 t，布置200個，作業(yè)所需的起重能力與液壓千斤頂?shù)淖畲笃鹬啬芰χ瓤刂圃?0%以下。

“滑道—滑靴”移運(yùn)方式是超大超重載荷做短距離移運(yùn)時使用最多的一種方式，結(jié)構(gòu)相對較簡單，滑靴的上端支撐承運(yùn)的載荷即平臺，下端是與滑道相匹配的光滑表面，用鋼絲繩千斤頂推動承載著載荷的滑靴在滑道上滑行。

圖4 滑道支撐結(jié)構(gòu)及移運(yùn)作業(yè)現(xiàn)場Fig.4 Supporting facilities and transformation site

滑靴上的千斤頂?shù)淖饔靡环矫媸钦{(diào)整載荷分布，以適應(yīng)地面沉降和平臺底部的變形，特別是利用千斤頂沖程的變化來適應(yīng)平臺滑移過程中由于半潛船壓載調(diào)整不及時而引起的船上和岸上滑道面高度不一致所導(dǎo)致的載荷分布變化?；ド锨Ы镯?shù)牧硪粋€作用是可以大大提高換墩作業(yè)的效率，因為產(chǎn)品在建造時通常是支撐在墩木上的，滑移之前必須先把結(jié)構(gòu)的重量從墩木轉(zhuǎn)移到滑靴/滑道上，如果按照常規(guī)先用墊木把滑靴與船體楔緊，再把原來支撐船體的墩木逐個卸載移走的方法來轉(zhuǎn)移載荷，將會非常煩瑣耗時。使用帶有千斤頂?shù)幕?SKIDSHOE with hydraulic jack)就可以通過千斤頂?shù)捻斏苯訉⑤d荷轉(zhuǎn)移到滑靴/滑道上，大大提高工作效率［3］。

2.6.2 牽引系統(tǒng)

移船下水所需的牽引力隨著摩擦力的增加而線性增加。將平臺移上半潛船時，如果取摩擦系數(shù)為10%，那么所需的牽引力為3 000 t。根據(jù)以前移船下水的經(jīng)驗，牽引系統(tǒng)采用鋼絲繩千斤頂，使用8個鋼絲繩千斤頂，每個牽引力480 t，這些鋼絲繩千斤頂安裝在支撐平臺船體的千斤頂陣列的末端。在半潛船的甲板遠(yuǎn)離碼頭的一側(cè)焊接了一套錨具，牽引用的鋼絲繩一端連在錨具上，另一端連接在鋼絲繩千斤頂上。啟動鋼絲繩千斤頂就可以使平臺開始滑移。

牽引速度一般為5～12 m/h。一般鋼絲繩千斤頂設(shè)定的牽引力不到其安全負(fù)載能力的85%，這樣可以留出余量來應(yīng)付意外增加的摩擦力。岸壁與半潛船間的連接梁、岸壁上的鋼碰墊、以及滑移軌道等將要承受牽引力作用的構(gòu)件在設(shè)計時應(yīng)考慮牽引力的總量。

將平臺從建造場地移動到半潛船的裝載位置，滑道支撐結(jié)構(gòu)必須以水平方式安裝鋼絲繩千斤頂。如圖5所示。

圖5 水平方式安裝的鋼絲繩千斤頂Fig.5 Wire Rope and Jack horizontal installed

2.6.3 半潛船與岸壁間連接系統(tǒng)

岸上和半潛船上的滑道通過4個剛性連接梁互相聯(lián)結(jié)，當(dāng)平臺經(jīng)過時，連接梁把平臺作用在滑道上所產(chǎn)生的線載荷傳遞到碼頭岸壁和半潛船上。由于碼頭岸壁是固定的而半潛船則可能受波浪、潮汐等環(huán)境力的作用而產(chǎn)生移動，因此連接梁與岸壁和半潛船間的連接應(yīng)采用活動鉸鏈的形式。

2.6.4 鋼碰墊設(shè)計

為了承受由移船牽引力引起的半潛船與碼頭岸壁間的擠壓力，在岸壁與半潛船間安裝了4個鋼碰墊，碰墊用來吸收由于平臺拖曳滑移而引起的擠壓力。

鋼碰墊與船殼的接觸面應(yīng)盡可能的光滑，把摩擦力減到最小。在平臺滑移過程中，千斤頂里的壓力一點(diǎn)點(diǎn)釋放，碰墊的摩擦力可能會造成一個突然的不可預(yù)料的船舶橫傾變化。千斤頂?shù)膲毫Ξa(chǎn)生的摩擦力造成船舶被吸到碰墊上，當(dāng)壓力消失時，船舶又滑離碰墊。

根據(jù)對岸壁穩(wěn)定性的分析結(jié)果，每個鋼碰墊所需的靠泊面積為5 m ×6 m。半潛船的尾板經(jīng)過檢查，以確認(rèn)具有足夠的強(qiáng)度來承受由移船拖曳而引起的擠壓力。鋼碰墊的設(shè)計使其不僅能承受由移船拖曳而引起的擠壓力而且還能承受20%的半潛船橫向移動力。

2.6.5 系泊系統(tǒng)

在將FPU 移上半潛船時，用于系泊半潛船的系泊纜繩的設(shè)計應(yīng)使其可以在10年一遇的環(huán)境條件下(風(fēng)速20 m/s，波浪0.5 m，水流0.6 m/s，潮汐1.5 m)保持半潛船的位置。由于受風(fēng)面積較大，最大的系泊力達(dá)240 t。在滑移過程中由移船拖曳引起的半潛船向岸壁的擠壓力可以大大減輕系泊纜繩的負(fù)荷，對于系泊系統(tǒng)的設(shè)計來說，最嚴(yán)峻的情況出現(xiàn)在FPU 移上半潛船之后，這時所有負(fù)荷都要靠系泊纜繩來承擔(dān)。

根據(jù)極端情況來準(zhǔn)備應(yīng)急系泊預(yù)案以應(yīng)付意外出現(xiàn)的風(fēng)況，在這種意外情況下連接梁將被系緊，起到系纜的作用，另外還需要增加額外的系泊纜繩。

2.6.6 監(jiān)測系統(tǒng)

影響移船下水作業(yè)的主要因素在移船過程中應(yīng)進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控。把這些監(jiān)控的數(shù)據(jù)與估算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，使他們保持在可控的范圍內(nèi)。需要監(jiān)控的主要項目包括:平臺船體變形水平、地面沉降、FPU的移動速度、液壓千斤頂?shù)膲毫蜎_程、牽引千斤頂?shù)妮d荷、半潛船的吃水和定位等。

3 結(jié) 語

對自重30 000 t 半潛式平臺整體建造及進(jìn)行移船下水作業(yè)是一個挑戰(zhàn)性的舉措，并已被證明可以成功。在將FPU 移上半潛船的各個階段持續(xù)不斷的監(jiān)控、精確的載荷分布計劃、精確的壓載控制、正確的系泊布置是保證項目成功的關(guān)鍵。

采用平地建造方式和利用半潛船進(jìn)行下水可以克服傳統(tǒng)的干塢建造方式在船塢容量、時間安排、成本以及對設(shè)計變化的適應(yīng)性等方面的各種限制，是一種有效的海工產(chǎn)品建造方式。

采用這種建造方式可以使主要的試車工作能在地面完成。這樣與傳統(tǒng)的建造方式相比，這種新的平地建造方式能提供更加便利的工作環(huán)境，如方便得到各種機(jī)械設(shè)備的配合、人員材料進(jìn)出更方便、可以多項工作同時展開等。

本文介紹的方法可應(yīng)用于在平地建造的各類大型海工產(chǎn)品、重大件等的下水作業(yè)，不同于傳統(tǒng)干塢建造方式，可廣泛適用于建造FPU、FSO、FPSO、海上鉆井設(shè)施、自升式平臺等近、遠(yuǎn)海油田設(shè)施。這種平地建造及下水方法也可以用于常規(guī)船舶的建造，以減少總裝時間以及增加干船塢的效率。

［1］馬延德.深水半潛式平臺概要建造方案［J］.中國造船，2008，49(增刊2):159－167.

［2］CHO K R，KIM Y S.and FERN.D.T.(2001)，'11000t deck super－lift for RBS－8M drilling semi－submersible'.Proceedings of the Institution of Civil Engineers.England:Thomas Telford:203－216.

［3］YANG T Y，PARK B N，HA S S.Development of load-out design methodology and numerical strength evaluation for onground－build floating storage and offloading system'.Ocean Engineering.Vol.32.New York:Elsevier:986－1014.