魏佳廣，嚴(yán)亞林

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

潿洲11-2 WHPB導(dǎo)管架拖拉裝船設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

魏佳廣，嚴(yán)亞林

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

對(duì)于萬噸級(jí)以下的結(jié)構(gòu)物，拖拉裝船已成為海洋工程領(lǐng)域最常用的一種裝船方法，采用拖拉裝船技術(shù)取代傳統(tǒng)造價(jià)昂貴的大型浮吊吊裝裝船技術(shù)，可大幅降低施工成本。以潿洲11-2 WHPB導(dǎo)管架拖拉裝船為例，在簡(jiǎn)要介紹了工程概況的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)地介紹了3腿偏心導(dǎo)管架拖拉裝船過程中，系泊的穩(wěn)性要求、拖拉設(shè)備的選型、滑道布置、駁船吃水、駁船的調(diào)載步驟等，最后闡述了11-2 WHPB導(dǎo)管架的現(xiàn)場(chǎng)拖拉裝船過程。工程實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的11-2 WHPB導(dǎo)管架拖拉裝船方案成熟、可靠，很好地滿足導(dǎo)管架的拖拉裝船工程要求。

導(dǎo)管架；拖拉裝船；偏心；調(diào)載

隨著社會(huì)對(duì)油氣及礦產(chǎn)資源的需求日益增加，面對(duì)大海深處蘊(yùn)藏的豐富的油氣、礦產(chǎn)資源，人類開始了對(duì)海洋資源的開發(fā)和探索，海洋資源尤其是我國(guó)海洋油氣資源的開發(fā)逐漸由渤海、黃海等淺海區(qū)域向北部灣、東海、南海等較深水區(qū)域延伸，深水已成為油氣產(chǎn)量的主要接替區(qū)和中國(guó)海洋石油開發(fā)的發(fā)展方向。建造的海洋石油采油平臺(tái)和應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)管架的尺寸規(guī)模也越來越大，噸位越來越大。

渤海、遼東灣等淺水區(qū)導(dǎo)管架一般采用立式建造，其裝船方式根據(jù)大型船舶資源及建造場(chǎng)地裝備設(shè)施情況，可以采用吊裝裝船，也可采用拖拉裝船[1-2]；南海、東海等深水區(qū)導(dǎo)管架一般采用臥式建造，由于導(dǎo)管架體積、質(zhì)量、高度等因素的影響，其裝船方式都采用拖拉方式裝船。目前，國(guó)內(nèi)從幾百噸到萬噸級(jí)導(dǎo)管架的滑移裝船研究及應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟。但由于某些導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，拖拉裝船過程受到導(dǎo)管架自身性能和結(jié)構(gòu)的影響，在設(shè)計(jì)中不但要考慮保持拖拉過程的穩(wěn)性需求，還要考慮滑靴的偏移情況，使得滑移裝船風(fēng)險(xiǎn)變大。在多數(shù)情況下，導(dǎo)管架的重心偏移會(huì)導(dǎo)致拖拉過程中導(dǎo)管架拖拉方向跑偏，另外也增加了自身穩(wěn)性不足的風(fēng)險(xiǎn)。因此，開展此類導(dǎo)管架拖拉裝船設(shè)計(jì)分析很有必要。

本文較詳細(xì)闡述了重心偏移式（非對(duì)稱式）三腿導(dǎo)管架的拖拉裝船方法，并依托潿洲11-2 WHPB導(dǎo)管架陸地裝船項(xiàng)目，結(jié)合裝船實(shí)際過程對(duì)其進(jìn)行分析驗(yàn)證，為今后在同類工程中的實(shí)施提供參考。

1 工程概況

潿洲11-2油田位于中國(guó)南海北部灣海域，所在海區(qū)水深約35 m。11-2 WHPB導(dǎo)管架為3腿立式導(dǎo)管架，3裙樁，其結(jié)構(gòu)總高度為47 m，質(zhì)量約為662.14 t，底部尺寸21.0 m×20.5 m，頂部尺寸13 m×13 m，駁船滑道尺寸1.8 m×1.5 m×10 m。導(dǎo)管架特征是重心偏心，1軸放置2排滑靴C1、A1，2軸放置1排滑靴B2，且導(dǎo)管架重心高，底部尺寸小，穩(wěn)性較差，以拖拉方式拖拉至某運(yùn)輸駁船設(shè)計(jì)位置，見圖1。

圖1 導(dǎo)管架碼頭建造及滑靴布置示意

2 拖拉裝船

一般來講，設(shè)計(jì)的拖拉裝船流程為：導(dǎo)管架在某碼頭滑道上建造，運(yùn)輸駁船的滑道與所選建造場(chǎng)地碼頭上特定的滑道在駁船壓載后保持對(duì)齊，且駁船船底離港池泥底有一定的安全間隙，而后利用牽引絞車系統(tǒng)，沿著滑靴和滑道接觸的軌跡，將導(dǎo)管架平穩(wěn)緩慢地由碼頭拖拉至運(yùn)輸駁船[3]。為保證導(dǎo)管架平穩(wěn)拖拉上船，拖拉過程需要適時(shí)調(diào)載船舶，以保持碼頭滑道面與駁船滑道面處于同一水平面上，并對(duì)齊，不因潮汐的變化而變化。因此拖拉裝船難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，尤其是運(yùn)輸駁船的適時(shí)調(diào)載，是影響拖拉裝船成敗的重要環(huán)節(jié)。

2.1 系泊的穩(wěn)性要求

在導(dǎo)管架拖拉裝船的過程中，運(yùn)輸駁船由于受到駁船荷載分布不均、結(jié)構(gòu)物拖拉上船質(zhì)量的突變、潮汐變化、惡劣環(huán)境工況、拖拉絞車系統(tǒng)失效、壓排載系統(tǒng)故障等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致駁船失穩(wěn)，因而保持運(yùn)輸駁船的穩(wěn)定性是拖拉裝船過程中的重中之重。

穩(wěn)性設(shè)計(jì)即系泊設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮最不利工況、潮汐變化對(duì)運(yùn)輸駁船和導(dǎo)管架所產(chǎn)生的作用力。一般來說，在運(yùn)輸駁船兩側(cè)分別對(duì)稱布置兩臺(tái)絞車，并系泊于碼頭的地錨處，通過連接系泊纜與駁船的設(shè)計(jì)位置，以提供垂直碼頭方向的拖拉反力和平行碼頭方向的風(fēng)、浪、流作用反力。系泊纜的選型可根據(jù)風(fēng)、浪、流作用的合成來求解，具體作用力的大小可由以下計(jì)算公式[4]得出。

流作用力Fc（kN）：

浪作用力Fw（kN）：

風(fēng)作用力Pw（kN）：

總的作用力F（kN）：

式中：Rw為海水的密度，t/m3；Ac為受流影響的截面積，m2；Cd為流的阻力系數(shù)，無量綱；Vc為流的速度，m/s；B為運(yùn)輸駁船的寬度，m；L為運(yùn)輸駁船的長(zhǎng)度，m；Hs為有效波高，m；Ra為大氣的密度，kg/m3；Cs為形狀系數(shù)，無量綱；Ch為高度系數(shù)，無量綱；Aw為受風(fēng)影響的截面積，m2；Vw為風(fēng)速，m/s。

由此可得出每根系泊纜在預(yù)設(shè)角度的作用力，進(jìn)而根據(jù)系泊纜的安全工作載荷、破斷載荷選擇相應(yīng)規(guī)格的纜繩。

以潿洲11-2 WHPB導(dǎo)管架拖拉裝船為例，系泊纜與駁船的夾角分別為：T1為43°，T2為27°，T3為37°，T4為26°，據(jù)此計(jì)算得到，其4根系泊纜的作用力分別為T1=125.3 kN，T2=110.7 kN，T3=83.3 kN，T4=196.6 kN。因此選擇規(guī)格為φ43 mm的鋼絲繩系泊駁船，其破斷載荷為1 200 kN，安全系數(shù)均大于3.0，滿足穩(wěn)性要求。具體選取的系泊纜規(guī)格為φ43 mm×60 m×2根、φ43 mm×130 m×2根，均采用項(xiàng)目利庫材料。圖2所示為運(yùn)輸駁船系泊設(shè)計(jì)。

圖2 運(yùn)輸駁船系泊設(shè)計(jì)

2.2 拖拉設(shè)備選型

在拖拉裝船過程中，牽引絞車系統(tǒng)是一個(gè)重要的組成部分，用來提供足夠的牽引力以克服滑靴和滑道間的摩擦力。淺水導(dǎo)管架噸位較輕，可采用45、75 t等系列絞車拖拉裝船，但具體對(duì)絞車系統(tǒng)進(jìn)行選型，則需根據(jù)規(guī)范指導(dǎo)文件計(jì)算得出。一般來說，滑靴墊木與滑道鋼板面間的靜摩擦系數(shù)取0.2，另外還要考慮結(jié)構(gòu)物偏心導(dǎo)致兩側(cè)拉力的不同、滑輪組折減系數(shù)的取值[5]，折減系數(shù)與穿繩股數(shù)關(guān)系見表1。

表1 滑輪組穿繩股數(shù)與折減系數(shù)

在潿洲11-2 WHPB導(dǎo)管架拖拉裝船設(shè)計(jì)中，可根據(jù)摩擦力公式計(jì)算結(jié)果對(duì)絞車規(guī)格進(jìn)行選型：

式中：Fn為正壓力，即WHPB導(dǎo)管架的重力，則單側(cè)牽引力F單=F/2=662.14（kN）。當(dāng)穿繩股數(shù)為8股時(shí)，則單根繩子拉力f=摩擦力/折減系數(shù) = 662.14/6.6=100.32（kN）。因此選擇45 t規(guī)格的絞車即可滿足拖拉裝船要求。

2.3 滑道布置

對(duì)稱式4腿、6腿及8腿導(dǎo)管架的滑道布置設(shè)計(jì)思路是：滑靴中心間距等于駁船上滑道中心間距，且滑道內(nèi)限位、外限位與滑靴的間距相等。但潿洲3腿裙樁導(dǎo)管架11-2 WHPB本身的結(jié)構(gòu)特征是重心偏離幾何中心，拖拉裝船過程中兩側(cè)滑靴會(huì)由于受力不均而出現(xiàn)滑靴偏離滑道軌跡的情況，因此滑道的布局設(shè)計(jì)極為重要。

潿洲11-2 WHPB導(dǎo)管架滑靴中心距13 m，滑道面限位寬度1.3 m，滑靴底部墊木寬0.75 m。為保證拖拉過程中導(dǎo)管架重心偏移對(duì)駁船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)性的影響最小，設(shè)計(jì)需考慮導(dǎo)管架滑靴結(jié)構(gòu)完全處于滑道上，因此滑道中心距也應(yīng)為13 m。但根據(jù)導(dǎo)管架重心偏移的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要對(duì)導(dǎo)管架滑靴的行走軌跡加以限制，因此運(yùn)輸駁船兩側(cè)滑道的限位需要重新調(diào)整，以保證導(dǎo)管架拖拉裝船過程中滑靴能夠按照滑道預(yù)設(shè)的軌跡行走。

設(shè)計(jì)思路為：分別保持滑道中心距與滑靴中心距13 m不變，調(diào)整導(dǎo)管架兩側(cè)滑道的內(nèi)限位，使其與滑靴墊木間距均為75 mm，而外限位與滑靴墊木間距275 mm保持不變。這樣可保證導(dǎo)管架拖拉裝船過程沿滑道限位內(nèi)軌跡行走，即使滑靴墊木與滑道內(nèi)限位貼合，也可保證另一側(cè)滑靴不會(huì)碰撞滑道外限位，從而有效地避免了在導(dǎo)管架拖拉過程中由于導(dǎo)管架偏心而偏離軌跡的情況。另外，可通過調(diào)整兩側(cè)拖拉絞車的拉力大小來控制導(dǎo)管架兩側(cè)滑靴行走的速度，以適時(shí)微調(diào)導(dǎo)管架的拖拉方向，見圖3、4。

圖3 導(dǎo)管架裝船布置

圖4 滑靴限位設(shè)計(jì)

3 調(diào)載分析

駁船調(diào)載是導(dǎo)管架拖拉裝船過程的重要環(huán)節(jié)，在拖拉過程中，時(shí)刻保持駁船滑道面與碼頭滑道面的平齊（在同一水平面對(duì)準(zhǔn)）是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架成功拖拉上船的前提。

立式導(dǎo)管架陸地建造及裝船一般采用非連續(xù)滑靴（間斷），由于受潮汐周期變化、導(dǎo)管架重心偏移、駁船搖擺、牽引絞車?yán)Σ痪纫蛩氐挠绊懀趯?dǎo)管架拖拉裝船過程中容易出現(xiàn)導(dǎo)管架偏離滑道及駁船發(fā)生橫、縱傾現(xiàn)象，此時(shí)導(dǎo)管架將產(chǎn)生較大的應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成結(jié)構(gòu)物局部破壞，因此調(diào)載分析對(duì)導(dǎo)管架的拖拉裝船至關(guān)重要。

3.1 駁船吃水

需考慮潮汐的周期性變化、導(dǎo)管架在駁船上的荷載分布、碼頭標(biāo)高、港池水深、駁船型深及吃水等參數(shù)，校核裝船期間駁船的吃水范圍及潮水是否滿足要求；測(cè)量導(dǎo)管架裝船前3 d的實(shí)際潮高，并與潮汐表比較，以確定初始潮高修正值，保證拖拉調(diào)載能與實(shí)際潮水變化匹配。

圖5為導(dǎo)管架拖拉裝船示意，由圖5可得到以下計(jì)算式：碼頭標(biāo)高+陸地滑道高-潮高X=駁船滑道高度+駁船型深-駁船吃水Y?；?jiǎn)后得到：駁船吃水Y=駁船滑道高度+駁船型深+潮高X-碼頭標(biāo)高-陸地滑道高。結(jié)合駁船及碼頭的基礎(chǔ)參數(shù)，見表2，則得到Y(jié)=3.624+X。

圖5 導(dǎo)管架拖拉裝船示意

表2 駁船及碼頭基礎(chǔ)參數(shù)

由潮汐表可查得在拖拉時(shí)間內(nèi)低潮位和高潮位的數(shù)據(jù)分別為（+）0.59 m和（+）2.59 m，這與實(shí)際的測(cè)潮結(jié)果基本吻合，見圖6。因此駁船在拖拉期間最小吃水是4.214 m，最大吃水是6.214 m。由于駁船型深8 m，因此最大吃水滿足要求。

圖6 10月3日測(cè)潮數(shù)據(jù)

調(diào)載能力分析表明，導(dǎo)管架拖拉裝船的最小吃水為4.388 m，相對(duì)應(yīng)的低潮位是（+）0.764 m，因此可知該導(dǎo)管架拖拉裝船低潮位受限[6]，需要選擇合適的潮位點(diǎn)進(jìn)行拖拉，并準(zhǔn)備回拖系統(tǒng)應(yīng)急備用。

3.2 調(diào)載步驟

潿洲11-2 WHPB導(dǎo)管架由3排獨(dú)立的間斷滑靴支撐，按拖拉上船的先后順序標(biāo)記各滑靴為C1、B1、A1，考慮到拖拉裝船時(shí)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、碼頭強(qiáng)度、導(dǎo)管架重心變化、駁船的調(diào)載能力、潮汐變化等因素，導(dǎo)管架拖拉裝船的難點(diǎn)在于各個(gè)滑靴上船前和上船后導(dǎo)管架的重心變化及駁船荷載分布。由于滑靴承擔(dān)較大的重力載荷，且導(dǎo)管架重心較高，底部尺寸較小，一旦駁船調(diào)載速度與拖拉速度配合不當(dāng)，運(yùn)輸駁船會(huì)與碼頭滑道之間出現(xiàn)較大的高度差，這也是拖拉裝船最危險(xiǎn)的工況，會(huì)造成導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)損壞，甚至傾覆。因此合理設(shè)計(jì)拖拉速度、拖拉進(jìn)程控制點(diǎn)、裝船中間停頓點(diǎn)是拖拉裝船過程的關(guān)鍵。

取各滑靴上船前和滑靴重心上船后為典型工況，將WHPB導(dǎo)管架整個(gè)拖拉裝船過程分為7個(gè)連續(xù)步驟（C1滑靴上船前、后，B1滑靴上船前、后，A1滑靴上船前、后，拖拉至設(shè)計(jì)就位點(diǎn)）。導(dǎo)管架拖拉裝船時(shí)，最好選擇漲潮期為導(dǎo)管架上船時(shí)間，漲潮導(dǎo)致駁船船位的升高可補(bǔ)償部分因?qū)Ч芗艿妮d荷拖拉移位至駁船而導(dǎo)致的駁船船位的降低，這更有利于調(diào)載速度、調(diào)載時(shí)間及調(diào)載能力的控制。因而結(jié)合前述，當(dāng)潮位由低潮位漲至0.77 m時(shí)，C1滑靴開始上船，并按照設(shè)計(jì)的調(diào)載程序?qū)?dǎo)管架的結(jié)構(gòu)重量連續(xù)轉(zhuǎn)移至駁船的設(shè)計(jì)位置，避免運(yùn)輸駁船船尾在拖拉過程中出現(xiàn)突然起伏的風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)管架拖拉上船過程的重量控制見表3。

表3 導(dǎo)管架拖拉裝船過程的重量控制

4 現(xiàn)場(chǎng)WHPB導(dǎo)管架拖拉裝船的過程

2014年10月在深圳某公司碼頭將潿洲11-2 WHPB導(dǎo)管架拖拉至某運(yùn)輸駁船上。該導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及項(xiàng)目采用的拖拉裝船工藝見前文。

按照導(dǎo)管架拖拉裝船程序和調(diào)載計(jì)算的結(jié)果，在低潮位漲至0.77 m時(shí)導(dǎo)管架開始上船，將整個(gè)拖拉過程按照7個(gè)連續(xù)步驟進(jìn)行操作，歷時(shí)3 h將導(dǎo)管架拖拉至最終設(shè)計(jì)位置。此次拖拉裝船過程中，由于該導(dǎo)管架的三組滑靴均不對(duì)稱，各組滑靴間橫向又均有部分重合，這給導(dǎo)管架拖拉上船時(shí)如何精確控制駁船的橫、縱傾偏移，穩(wěn)定性，保持駁船與碼頭滑道的平齊增加了較大難度，因此拖拉上船階段是此次裝船的重中之重，通過嚴(yán)格執(zhí)行駁船的設(shè)計(jì)調(diào)載計(jì)算結(jié)果及導(dǎo)管架的裝船程序，安全、平穩(wěn)地完成了裝船的過程?，F(xiàn)場(chǎng)的拖拉裝船實(shí)施情況見圖7、8。

圖7 滑靴上船過程

5 結(jié)束語

圖8 導(dǎo)管架拖拉至駁船的設(shè)計(jì)位置

隨著國(guó)際油市供應(yīng)過剩的局面遲遲難以得到改變，低油價(jià)帶來的沖擊波正日漸擴(kuò)大，部分邊際油田的開發(fā)也越來越向經(jīng)濟(jì)有效的模式發(fā)展，各種形式的導(dǎo)管架拖拉裝船方法也日趨成熟。但三腿偏心式導(dǎo)管架的拖拉裝船涉及的技術(shù)難度較大，風(fēng)險(xiǎn)較高。由于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的特殊性以及重量的分布不均，造成拖拉裝船對(duì)牽引系統(tǒng)、滑道滑靴設(shè)計(jì)、駁船調(diào)載能力提出了很高的要求，因此應(yīng)根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式、施工現(xiàn)場(chǎng)的情況、現(xiàn)有的裝備資源等條件有針對(duì)性地選擇工藝方法，并按照規(guī)范指導(dǎo)性文件對(duì)導(dǎo)管架拖拉裝船的每一步驟編制裝船調(diào)載程序，以確保裝船過程的安全。

[1]李新超.超大型導(dǎo)管架滑移裝船方法研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2013，13（3）：33-34.

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[3]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南（第8冊(cè)）：海洋石油工程安裝設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

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Design and Engineering Application ofWZ11-2 WHPBJacket L oad-out

WEIJiaguang，YAN Yalin
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China

For large size structure with the weight less than 100 MN，load-out technique becomes the major shipment method in the field of ocean engineering.And it has replaced traditional expensive lifting operation of using heavy floating crane and reduced operation cost greatly.This article，taking WZ11-2 WHPB jacket as an example，introduces the influence factors of the load-out process for a three-legged eccentric jacket，including mooring stability，load-out equipment selection，skidway layout，barge draft and barge ballast，etc.Then，it illustrates the whole field load-out process of WZ11-2 WHPB jacket.The engineering practice shows that the designed load-out process is reliable and able to satisfy the engineering requirements of jacket load-out.

jacket；load-out；eccentricity；ballast

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.007

魏佳廣（1986-），男，甘肅白銀人，工程師，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事海洋石油平臺(tái)等設(shè)施安裝設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究工作。

2016-07-05；

2016-07-25

海洋石油工程股份有限公司工業(yè)化/產(chǎn)業(yè)化科技創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目（E-0815P019）。

Email：weijg@mail.cooec.com.cn