侯金林，劉賢權(quán)，王 蓉，王 屹，田立鋒，李應(yīng)曉

（1.上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，上海 201306；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

我國海域遼闊，蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，特別是南海深遠(yuǎn)海，具有廣闊的勘探開發(fā)空間［1］。隨著海上油氣田開發(fā)向深水邁進(jìn)，工程設(shè)施的規(guī)模不斷增大，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也越來越多。半潛式生產(chǎn)平臺具有水深適應(yīng)性廣、上部設(shè)施承載能力大且船體可儲存凝析油等特點(diǎn)，在我國南海深水油氣開發(fā)中具有良好的應(yīng)用前景。而大型半潛式生產(chǎn)平臺建造中上部組塊與船體的合攏方式選擇是平臺設(shè)計和建造中的關(guān)鍵技術(shù)問題，平臺合攏方式的優(yōu)化，對于項目的工程建設(shè)進(jìn)度和油氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性都具有重要影響。

國內(nèi)多數(shù)船廠對平臺上部模塊與船體的合攏常采用塢內(nèi)搭載法，一般通過龍門吊在干船塢分塊吊裝。國內(nèi)唯一具有整體吊裝合攏能力的廠家是中集來福士，該公司擁有全球起重能力最大的2萬噸橋式起重機(jī)“泰山”吊，可以一次性完成半潛式平臺的整體合攏。

在國外，韓國和新加坡船廠半潛平臺的制造能力和施工裝備可代表世界領(lǐng)先水平，世界上規(guī)模較大的半潛式平臺多數(shù)在這2個國家建造完成，例如韓國先進(jìn)船廠搭載前最大總段重量已突破萬噸［2］，下面是幾個典型的合攏案例。

韓國大宇船2002年建造的半潛式生產(chǎn)平臺Thunder Horse，在船塢內(nèi)組裝下船體，再用浮吊合攏上部模塊；2014建造的CATD系列半潛式平臺則是在船臺上組裝主體結(jié)構(gòu)，下水后用浮吊完成剩余上部模塊的組裝。

韓國三星重工2011年采用浮托法完成俄羅斯天然氣集團(tuán)2座超深水半潛式平臺的大合攏，先用半潛船將下船體運(yùn)到錨地并下潛定位，再通過浮托方式完成上下船體大合攏；而2015年三星重工為澳大利亞Ichthys大氣田建造的半潛式生產(chǎn)平臺，在浮船塢上組裝，然后用浮吊進(jìn)行上部組塊合攏。

新加坡吉寶船廠擁有5 500 t的浮吊，現(xiàn)可以用浮吊進(jìn)行5 000 t左右的大模塊吊裝合攏，而吉寶為巴油建造的3座大型半潛式生產(chǎn)平臺則采用浮托法完成上下船體合攏。

從國內(nèi)外廠家建造半潛式平臺的實際經(jīng)驗可以看出，平臺合攏的方式多種多樣，甚至同一廠家在不同時期或針對不同的項目也可能采用不同的合攏方式。其中平臺的分塊組裝（國內(nèi)船廠常稱為“搭載”）為半潛式平臺建造中最為常用的施工方式［3］，其特點(diǎn)是施工技術(shù)成熟，施工方式簡單，對施工場地和機(jī)具資源要求不高，一般將船體和組塊預(yù)制成若干組分塊，然后通過龍門吊在干船塢內(nèi)依次組裝完成下船體，最后將上部組塊分塊吊裝到船體頂部完成整體組裝。但是，受施工資源限制，組塊需要根據(jù)攏門吊的能力分成若干小塊，分塊越多，平臺組裝工作量越大，大量連接調(diào)試工作無法在合攏前完成，合攏后的連接調(diào)試工作量大，高空作業(yè)比較多，平臺的建造工期也比較長［4］。隨著技術(shù)進(jìn)步和施工裝備能力提升，半潛式生產(chǎn)平臺上部組塊與船體組裝的總體趨勢是向著整體合攏發(fā)展的。因此，本文主要對整體合攏方案進(jìn)行探討。

平臺整體式合攏可最大限度地減少連接和調(diào)試工作量，也能顯著降低高空作業(yè)風(fēng)險。整體式合攏可包括平臺組塊整體吊裝、整體頂升和整體浮托等各種施工方式。下面就對這幾種典型的整體合攏方式的主要特點(diǎn)、適用范圍以及重點(diǎn)關(guān)注因素進(jìn)行探討。

1 整體吊裝合攏方案研究

大型半潛式平臺的上部模塊一般在萬噸以上，超大型半潛式平臺的上部設(shè)施可達(dá)數(shù)萬噸，常規(guī)的龍門吊、岸吊、浮吊都不可能實現(xiàn)整體式吊裝。而像“泰山”吊那樣的大型吊機(jī)正可發(fā)揮其整體吊裝的優(yōu)勢，下面就“泰山”吊相關(guān)技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用業(yè)績、整體合攏工序以及合攏中重點(diǎn)關(guān)注因素進(jìn)行如下探討。

1.1 “泰山”吊主要技術(shù)參數(shù)分析

“泰山”吊總體高度為118 m，主梁跨度為125 m，采用高低雙梁結(jié)構(gòu)，單梁起重能力為10 000 t，高梁起吊高度為113 m，低梁起吊高度為83 m，兩組梁跨距為35.5～49.5 m，其中低梁滑移距離為±7 m。該大吊共有12組卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，其中單組機(jī)構(gòu)起重量為1 680 t［5-6］。

從上述技術(shù)參數(shù)可看出，“泰山”吊的起吊能力處于國際領(lǐng)先水平。使用“泰山”吊進(jìn)行半潛式平臺合攏，具有起吊重量大、塢內(nèi)合攏期間水面波動小、操作平穩(wěn)、多吊點(diǎn)受力分布均勻、對上部模塊吊裝結(jié)構(gòu)無需復(fù)雜的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等優(yōu)勢［6］。

選擇整體吊裝方案，除了分析“泰山”吊和大塢的技術(shù)參數(shù)外，相關(guān)應(yīng)用業(yè)績也是支持其技術(shù)成熟度的重要依據(jù)。據(jù)初步統(tǒng)計，“泰山”吊具有20多項大型吊裝作業(yè)的業(yè)績，其中最大吊裝重量記錄為18 747 t，超過陵水17-2半潛式平臺上部組塊吊裝不可超越重量16 535 t［3］。

1.2 半潛式平臺整體合攏工序

根據(jù)半潛式平臺具體項目選擇的施工資源情況，船體和組塊的預(yù)制可具有不同的方式，如塢內(nèi)預(yù)制、碼頭滑道預(yù)制等，本文重點(diǎn)關(guān)注船體和組塊預(yù)制完成后平臺整體合攏的流程，以中海油陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺為例，其整體合攏流程如圖1所示。

圖1 中海油陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺整體合攏流程Fig.1 Flowchart for integration of semisubmersible production platforms

對于陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺，平臺船體、組塊預(yù)制和整體合攏分別在青島（場地A）和煙臺（場地B）兩地完成。在合攏之前，半潛式平臺的船體和組塊分別在青島海工場地完成預(yù)制工作，對船體部分，采用“新光華”號大型半潛駁船運(yùn)輸，歷經(jīng)“滑移裝船”—“從青島到煙臺的拖航”—“煙臺港灣浮卸”—“靠泊碼頭”等工序具備合攏條件；對于平臺組塊部分，類似地在預(yù)制場滑道完成整體預(yù)制，采用“海洋石油229”運(yùn)輸，依次通過“滑移裝船”—“從青島到煙臺的拖航”—“錨地接拖”—“進(jìn)大塢”等工序。在合攏的關(guān)鍵階段，隨著“泰山”吊掛鉤整體吊起平臺上部組塊，平臺船體以濕拖方式被拖進(jìn)大塢內(nèi)，通過臨時定位裝置以及系泊系統(tǒng)將船體定位，同時關(guān)閉塢門。經(jīng)精確定位，下放平臺組塊，即完成平臺的整體合攏。完成焊接后，打開塢門，在高潮水位時將合攏后平臺整體拖出［6］。中海油陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺整體吊裝合攏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺整體吊裝合攏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)Fig.2 Integrated lifting for LS17-2 semi-submersible production platform

1.3 陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺合攏效果分析

陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺是10萬噸級排水量的半潛式平臺，也是世界上首個具有萬噸級儲油能力的半潛式生產(chǎn)平臺，該平臺結(jié)構(gòu)由上部組塊和下船體組成。該平臺上部組塊包括各種生產(chǎn)處理、公用和生活設(shè)施，平臺下船體立柱內(nèi)包含凝析油艙、壓載艙等儲存艙室［2-3］。

該平臺成功采用整體吊裝合攏，保證組塊和船體可以在陸地上同期建造，且在合攏前具備較好的完工狀態(tài)，除部分干涉設(shè)備需要在平臺出塢后吊裝外，大部分平臺設(shè)備的連接調(diào)試都可以在陸地完成，與分塊吊裝相比，整體吊裝合攏顯著節(jié)省了平臺建造工期，為陵水17-2深水氣田的提前投產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。

1.4 整體吊裝合攏關(guān)注因素分析

“泰山”吊巨大的起吊能力和良好的應(yīng)用業(yè)績?yōu)檫x擇半潛式平臺的整體吊裝方案提供了重要的基礎(chǔ)條件，但在具體項目方案選擇階段，還需綜合考慮各種因素，重點(diǎn)關(guān)注如下因素：

（1）船塢條件的適應(yīng)性。

由于整體吊裝作業(yè)在船塢內(nèi)進(jìn)行，需要對船塢尺度、水深、潮位和塢底承載能力等進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)核。

（2）上部設(shè)備的干涉問題。

由于在整體吊裝時眾多的吊繩限制了上部設(shè)施的輪廓尺度，平臺組塊上部不能像浮托法或頂升法那樣處于開發(fā)空間中，部分設(shè)備干涉是難以避免的，在吊裝方案設(shè)計中，需要事先確認(rèn)干涉設(shè)備的數(shù)量，并相應(yīng)考慮后續(xù)作業(yè)。

（3）單一施工資源問題。

充分考慮“泰山”吊施工資源的唯一性，結(jié)合項目進(jìn)度和投產(chǎn)需求，事先考慮與施工資源檔期的匹配，并盡早鎖定施工資源。

2 整體頂升合攏方案研究

整體頂升合攏方式是保證平臺組裝整體性的有效手段。整體頂升方案也稱為頂升-滑移方案，其工作原理是采用液壓專用設(shè)備將組塊頂起，在上部組塊和船體頂部之間架設(shè)滑道，然后通過液壓推動將組塊滑移到船體頂部［4］。該方案既可應(yīng)用到半潛式平臺的合攏，也可應(yīng)用到張力腿平臺的合攏［7］。SHELL公司在馬來西亞完成的Malikai張力腿平臺頂升合攏案例如圖3所示。

圖3 Malikai張力腿平臺頂升合攏Fig.3 Jack-up and skidding method for Malikai Tension Leg Platform（TLP）Integration

2.1 整體頂升施工資源和業(yè)績分析

相比整體吊裝方案，整體頂升需要依靠國外專用的頂升設(shè)備。目前世界上只有少數(shù)幾家公司具備頂升合攏的設(shè)備和能力，比較典型的如ALE公司及FAGIOLI公司。ALE完成的SHELL公司的Malikai張力腿平臺上部組塊重量為14 000 t，頂升高度為42 m，為目前世界上頂升最高的組塊。此外，該公司完成的EXXONMOBIL公司的Arkutun Dagi平臺上部組塊重量為42 780 t，頂升高度為17 m，為目前世界上頂升重量最重的組塊。

2.2 整體頂升合攏關(guān)注因素分析

在研究大型平臺頂升合攏方案對具體項目的適用性時，除關(guān)注施工資源對國外裝備的依賴性外，還需要考慮下述因素：

（1）頂升作業(yè)風(fēng)險問題。

在頂升作業(yè)中，隨著頂升重量和高度的增加，潛在的施工風(fēng)險也相應(yīng)增加，如陵水半潛式平臺上部組塊需要頂升70多米的高度，比目前類似項目的世界紀(jì)錄還高出30多米，意味著頂升作業(yè)的挑戰(zhàn)性更大，對場地風(fēng)速等環(huán)境因素的要求也更為苛刻。

（2）場地滑道承載力問題。

通常較大的平臺預(yù)制場地滑道承載能力可滿足3萬噸級的導(dǎo)管架和組塊滑移的要求，但類似陵水17-2半潛式平臺的規(guī)模，整體組裝后重達(dá)50 000多噸，這超過了多數(shù)場地滑道的承載能力，滑道的加強(qiáng)改造工作量需予以充分關(guān)注。

（3）半潛式運(yùn)輸船改造問題。

半潛式平臺在碼頭整體組裝后，裝船和浮卸對于半潛式運(yùn)輸船也是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對于具有10萬噸級能力的“新光華”號，仍難滿足大型半潛式平臺的整體裝船和浮卸要求，其改造工作量對項目工期和費(fèi)用也是重點(diǎn)關(guān)注的因素。

3 整體浮托合攏方案研究

與整體吊裝合攏相比，半潛式平臺的浮托法合攏可以更完整地實現(xiàn)上部組塊的整體預(yù)制，基本上不存在上部設(shè)施與施工設(shè)備的干涉和合攏后船塢外吊裝問題。

3.1 浮托法的技術(shù)特點(diǎn)

半潛式平臺浮托合攏的機(jī)理與導(dǎo)管架平臺組塊浮托類似。浮托法是將載有平臺上部組塊的駁船駛?cè)肫脚_下部結(jié)構(gòu)的槽口內(nèi)，依靠駁船調(diào)載（低位浮托）或拉力千斤頂（高位浮托）將上部組塊整體轉(zhuǎn)移到下部結(jié)構(gòu)的頂部。主要區(qū)別是導(dǎo)管架浮托在海上油氣田現(xiàn)場實施，而半潛式平臺一般選擇避風(fēng)港灣進(jìn)行，與北?；炷疗脚_灣內(nèi)的合攏機(jī)理類似，如圖4所示。浮托法作業(yè)具有舉升能力大、適用范圍廣、節(jié)省海上安裝時間等特點(diǎn)。

圖4 浮托法平臺整體合攏Fig.4 Float-over installation for platform integration

3.2 整體浮托合攏關(guān)注因素分析

在研究浮托法對半潛式平臺合攏的適應(yīng)性時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下因素：

（1）施工海域是否具備平緩的海洋環(huán)境條件，應(yīng)具備50%以上概率的氣候窗。

（2）是否具有足夠的深水港灣條件，半潛式生產(chǎn)平臺不宜在外海浮托安裝。

（3）半潛式平臺下部結(jié)構(gòu)形式是否滿足浮托進(jìn)船槽口和支撐要求。

（4）需要在平臺下船體布置適合浮托作業(yè)的臨時系泊設(shè)施，以維持船體在浮托對接作業(yè)中的穩(wěn)定性。

（5）需在平臺上設(shè)置模塊支撐結(jié)構(gòu)和腿柱連接系統(tǒng)等施工設(shè)施。

4 結(jié) 語

本文在分析常規(guī)分塊吊裝合攏的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了平臺整體合攏的技術(shù)特點(diǎn)，包括方案的基本原理、關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)、國內(nèi)外應(yīng)用業(yè)績和對深水平臺項目的適應(yīng)性。通過上述分析，可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）分塊吊裝方案技術(shù)成熟，對施工資源要求門檻不高，廠家選擇面廣，但分塊吊裝完成后需要較長的連接調(diào)試工期，適用于上部組塊規(guī)模不大的平臺，或?qū)ζ脚_建設(shè)工期要求不太緊迫的項目。

（2）整體吊裝方案具有節(jié)省連接調(diào)試時間的優(yōu)勢，但2萬噸級的大型吊機(jī)存在資源的唯一性，選擇該方案，應(yīng)提前鎖定施工資源以保證項目的檔期。

（3）整體頂升滑移安裝方案有可能實現(xiàn)比整體吊裝方案更完整的組塊預(yù)制，國外已有40 000多噸大型組塊整體頂升的成功案例，但對于頂升高度大且高空滑移距離較長的平臺合攏，需要充分關(guān)注施工場地條件、環(huán)境條件帶來的局限性和潛在的施工風(fēng)險，并關(guān)注對國外施工資源的依賴性。

（4）浮托法安裝方案可充分發(fā)揮國內(nèi)施工資源的優(yōu)勢，對大型半潛式生產(chǎn)平臺的合攏具有良好的應(yīng)用前景，但需要事先落實施工海域，保證適宜的深水港灣條件，并在平臺結(jié)構(gòu)總體布置中充分考慮相應(yīng)的施工要求。

（5）評判半潛式平臺整體合攏方案是否優(yōu)化，取決于多種因素的綜合考慮，除施工的直接費(fèi)用外，還應(yīng)考慮技術(shù)成熟程度、風(fēng)險高低、工期長短等?？傮w看來，整體吊裝、整體頂升滑移與整體浮托均為可行的工程方案，根據(jù)我國現(xiàn)有施工資源和技術(shù)水平，以技術(shù)成熟程度進(jìn)行排序，以整體吊裝最優(yōu)，然后分別是整體浮托和整體頂升；從工期分析，以整體浮托最優(yōu)，然后是整體頂升和整體吊裝；從風(fēng)險水平分析，以整體吊裝最優(yōu)，然后是整體浮托和整體頂升。對于具體項目的方案選擇，應(yīng)根據(jù)半潛式平臺的特點(diǎn)統(tǒng)籌考慮各種因素綜合評價。

（6）對于陵水17-2這樣的深水半潛式生產(chǎn)平臺整體合攏，成熟技術(shù)、施工安全和項目工期是方案選擇中重點(diǎn)考慮的因素，方案篩選中綜合考慮了常規(guī)塢內(nèi)搭載、整體吊裝、頂升滑移和浮托法等方案對項目的適應(yīng)性。從項目工期要求出發(fā)，首先排除了常規(guī)的塢內(nèi)分塊搭載法，因為這種方案工期偏長，影響深水氣田開發(fā)的整體效益；對于整體浮托法，雖有較好的應(yīng)用前景，但基于當(dāng)時難以落實必要的深水港灣條件而未納入推薦，最后以整體吊裝為主推方案，整體頂升滑移為備選方案，整體吊裝合攏成功實施的經(jīng)驗證明：該推薦是非常合理的，在保證工期的同時，又充分利用了成熟的技術(shù)和國內(nèi)大型施工資源，同時最大限度地規(guī)避了項目實施的風(fēng)險［8］。