喬曉國， 蔡元浪， 楊小龍， 楊 亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

中國南海油氣資源開發(fā)對保障我國能源安全至關(guān)重要。中國南海油氣開發(fā)的技術(shù)難點主要是水深、風(fēng)大與浪高。從環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟性、技術(shù)可行性和工程量等方面綜合考慮，半潛式浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)是比較適合中國南海深水油氣田開發(fā)的平臺方案。半潛式FPSO的下浮體通常采用4立柱加環(huán)形浮箱的形式，上部結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)形式。目前，半潛式平臺建造合龍方法有頂升滑移合龍、整體吊裝合龍、大分段吊裝合龍、海上浮拖合龍等[1-2]，在約2萬t起重能力的情況下，上部結(jié)構(gòu)整體吊裝合龍方案的塢期短、經(jīng)濟性更佳[3-4]。本文對半潛式FPSO(簡稱“平臺”)整體吊裝合龍過程中關(guān)鍵步驟的下浮體合龍口的變形和剛度進行分析，確保合龍口的合龍偏差在可控范圍內(nèi)，為平臺確定合龍技術(shù)方案提供支持。

1 平臺基本信息及合龍方案

該平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)為雙層甲板桁架式結(jié)構(gòu)，平面主軸線縱向間距為91.5 m，橫向間距為49.5 m，主甲板標(biāo)高為70.5 m，生產(chǎn)甲板標(biāo)高為60.5 m。下浮體為4立柱、4浮筒形式，平臺總長、寬均為91.5 m。立柱水平截面長、寬均為21.0 m，上標(biāo)高為59.0 m。浮筒橫截面寬為21.0 m，高為9.0 m。作業(yè)海域為中國南海1 400 m水深海域，作業(yè)吃水為37.0 m，排水量為105 000 t，最大凝析油儲存能力約15 000 t。設(shè)計海況為中國南海百年一遇臺風(fēng)，可以在千年一遇臺風(fēng)海況下自存，設(shè)計壽命為30 a。

單位：m圖1 平臺總體結(jié)構(gòu)尺度

該平臺采用上部結(jié)構(gòu)和下浮體分開建造，下浮體建造完成后采用浮托法下水，上部結(jié)構(gòu)采用整體吊裝合龍的方式建造。合龍前上部結(jié)構(gòu)重約15 000 t，下浮體重約35 000 t。

上部結(jié)構(gòu)與下浮體立柱連接界面如圖2所示，包括上部結(jié)構(gòu)的大支腿(向下箭頭標(biāo)記)、小支腿(四角星標(biāo)記)、1根斜撐和上部結(jié)構(gòu)下層甲板的大梁腹板。其中，斜撐及其底部肘板、下層甲板的大梁腹板底部約0.4 m高部分在合龍后安裝。下浮體與上部結(jié)構(gòu)的合龍界面僅為下浮體立柱頂與上部結(jié)構(gòu)8根支腿的底部，其中，上部結(jié)構(gòu)大支腿位置為主要合龍口，小支腿位置為次要合龍口。

圖2 上部結(jié)構(gòu)與下浮體立柱連接界面

圖3展示了合龍時門式起重機(上部結(jié)構(gòu)已吊起)、下浮體和船塢的水平相對位置。船塢底部沿下浮體西側(cè)和北側(cè)各安裝2個限位裝置作為下浮體定位的西側(cè)和北側(cè)邊界。在下浮體被拖船頂推進入船塢之后，拖船撤離，船塢兩側(cè)的多個絞車(纜繩導(dǎo)輪)逐次拖帶，將下浮體牽引至限位裝置處，完成初步定位。

限位框架頂部均安裝水平放置的千斤頂，可將下浮體推向東側(cè)和南側(cè)，船塢兩側(cè)的絞車輔助拖帶，可以精確調(diào)整下浮體相對于已吊起上部組塊的相對位置。

由于船塢水深不足以滿足平臺完全的漂浮合龍，在船塢底部根據(jù)下浮體底部結(jié)構(gòu)形式和犧牲陽極分布情況布置塢墩。在合龍最終階段，下浮體底部與塢墩部分接觸，待合龍口焊接完成后，平臺借大潮浮起出塢。同時，塢墩也可用于在下浮體漂浮合龍時合龍口變形量超出預(yù)期且調(diào)整合龍口偏差后變形量仍大于限值情況下的應(yīng)急坐底合龍。

圖3 下浮體在塢內(nèi)的定位示例

2 下浮體的變形分析與調(diào)整

以往半潛式平臺或與之類似的張力腿平臺的下浮體在拖航、合龍時，下浮體的立柱頂部間大都設(shè)置臨時或永久的水平撐，用于提高下浮體的剛度和強度，減少其與上部結(jié)構(gòu)合龍口的相對變形量。

該平臺上部結(jié)構(gòu)下方有很多懸掛平臺和管支架，高度均低于下浮體立柱頂，若增加水平撐會導(dǎo)致合龍工況的結(jié)構(gòu)干涉。另外，由于下浮體立柱凈間距約50 m，水平撐及其兩端對應(yīng)立柱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)加強的評估重量約500 t，上部結(jié)構(gòu)下方合龍后水平撐拆除將變得困難，若不拆除，這部分重量對于重量和穩(wěn)性較為敏感的半潛式平臺來說無法承受，因此，該平臺立柱頂部沒有增加水平撐結(jié)構(gòu)，只嘗試通過調(diào)整壓載以盡可能地減少合龍口的變形量。

下浮體浮托下水后，使用少量壓載水調(diào)平，吃水為5.7 m，下浮體的變形趨勢如圖4所示，4個浮箱均處于中拱狀態(tài)，4根立柱向外張開。

圖4 下浮體自由漂浮狀態(tài)的變形趨勢

通過在浮箱內(nèi)側(cè)壓載艙內(nèi)加入壓載水減少浮箱中拱狀態(tài)，可減少立柱頂部的水平變形。塢內(nèi)水深為8.10 m，塢墩高度為0.35 m，下浮體底部的犧牲陽極高度加上外板厚度為0.25 m。在確保進塢過程中底部陽極與塢墩最小凈空間為0.30 m的情況下，下浮體進塢最大吃水為7.20 m。該吃水的裝載如圖5所示，箭頭指向的是浮箱內(nèi)側(cè)用到的壓載艙，其余僅表示液艙形狀，實際無裝載。

圖5 吃水為7.20 m狀態(tài)的壓載

當(dāng)吃水從5.70 m增加至7.20 m，立柱頂部主要合龍口的水平變形量平均減少54%，如表1所示。表1中的方位代表平臺4根立柱所處方向。

表1 下浮體主要合龍口的水平變形

最終7.20 m吃水時船體最大水平變形量為82 mm，考慮13 mm的下浮體建造誤差和10 mm的上部結(jié)構(gòu)建造誤差，預(yù)估最大水平偏差量為105 mm(吊起后的上部結(jié)構(gòu)合龍口的變形約16.5 mm，變形方向與下浮體合龍口相同，因此保守考慮可忽略上部結(jié)構(gòu)合龍口的變形)。

3 合龍導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計載荷

考慮到上部結(jié)構(gòu)吊起之后的彈性變形、下浮體自由漂浮狀態(tài)的彈性變形、結(jié)構(gòu)建造誤差、下浮體和吊起的上部結(jié)構(gòu)定位偏差等因素導(dǎo)致的合龍口對位偏差，需在合龍口設(shè)置適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置來進行校準(zhǔn)[5]。該平臺在下浮體主要合龍口位置設(shè)置合龍定位插尖(見圖6)，上部結(jié)構(gòu)框架的大支腿內(nèi)部有捕捉套環(huán)，可實現(xiàn)合龍最終階段250 mm范圍內(nèi)的精準(zhǔn)捕捉定位。

圖6 插尖和捕捉套環(huán)示例

為了設(shè)計插尖和套環(huán)及周邊加強結(jié)構(gòu)，需要確定插尖和套環(huán)在合龍過程中承受的最大水平載荷。上部結(jié)構(gòu)和下浮體都可以被看作為彈性結(jié)構(gòu)，該水平載荷可通過分別計算上部結(jié)構(gòu)在套環(huán)位置的水平剛度、下浮體在插尖位置的水平剛度和合龍口的最大偏差量得到。

上部結(jié)構(gòu)套環(huán)的水平剛度可以用生產(chǎn)甲板大梁的軸向剛度代替，大梁規(guī)格為PG1 500 mm×32 mm+850 mm×55 mm，截面積為0.138 m2，長度為49.5 m，其軸向剛度k1=EA/L，其中：E為鋼材彈性模量；A為大梁截面積；L為合龍口的橫、縱向距離。經(jīng)計算k1=5.74×108N/m。

下浮體處于漂浮狀態(tài)下在插尖位置分別沿橫向(或縱向)施加相反方向100 t水平力，總水平合力為0 t(施加載荷見圖7)。計算得到的插尖位置水平變形量與不加水平力狀態(tài)下變形平均增大17 mm，下浮體插尖位置的水平剛度k2=5.77×107N/m。

圖7 下浮體主要合龍口位置的剛度評估加載

實際上，插尖和套環(huán)的設(shè)計載荷還需考慮插尖與套環(huán)接觸面的傾角和摩擦因數(shù)，這些內(nèi)容在文中不作贅述。

4 下浮體次要合龍口的水平變形及剛度評估

上部結(jié)構(gòu)小支腿處沒有類似插尖和套環(huán)的捕捉限位裝置，合龍后該位置可能出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)支腿與下浮體對應(yīng)結(jié)構(gòu)的對位偏差，該偏差若超出6 mm(基于疲勞損傷計算確定)則須進行矯正。

在合龍最終階段吃水達7.75 m，下浮體底部已經(jīng)接觸塢墩，此時浮力約47 000 t，平臺重量約50 000 t，塢墩將承擔(dān)剩余約3 000 t的重量(考慮到平臺底部與船塢接觸導(dǎo)致的浮力損失，該數(shù)值還將更大)。平臺的重量則集中在4根立柱上，下浮體的4個浮箱處于中拱狀態(tài)，因此僅有靠近平臺底部外側(cè)4個角落的底部塢墩承載了這部分多余的重量，而塢墩與下浮體底部的接觸狀態(tài)經(jīng)過反復(fù)迭代核算最終確定。圖8為平臺底部西南立柱下方的塢墩布置，其中曲線包圍的塢墩與平臺底部接觸(4個立柱下方的塢墩受力情況基本相同)，且越靠近西南角的塢墩承受載荷越大，塢墩最大支撐載荷為1.85×106N。

圖8 合龍后平臺西南立柱底部與塢墩接觸狀態(tài)

此處需注意塢墩的材質(zhì)與下浮體結(jié)構(gòu)不同，密集布置的塢墩可以看作平臺底部的彈性基礎(chǔ)，塢墩垂向剛度的正確模擬對分析塢墩接觸狀態(tài)和塢墩反力非常重要，塢墩反力可用于核算下浮體強度和船塢地基承載能力。塢墩模擬剛度越大，則靠近外側(cè)角落的塢墩反力越大，而與船體接觸的塢墩數(shù)量越少。塢墩剛度越小，塢墩反力越趨于接近，與船體接觸的塢墩數(shù)量則越多。

在計算合龍后次要合龍口的水平變形和剛度時，計算模型中將上部結(jié)構(gòu)小支腿底部(見圖9箭頭位置)與下浮體立柱頂部的連接處，釋放2個水平連接剛度，僅保留垂向連接剛度，即僅傳遞垂向載荷，同時考慮下浮體底部與塢墩的接觸狀態(tài)。

計算得到次要合龍口位置下浮體和上部結(jié)構(gòu)各自變形量如表2所示，相對最大水平偏差為5.2 mm，如表3所示，滿足設(shè)計要求。

圖9 合龍后小支腿附近剛度計算模型修改

表2 次要合龍口位置的變形

表3 次要合龍口偏差 mm

考慮到建造誤差等因素導(dǎo)致更大的合龍偏差，還需要計算小支腿合龍位置的下浮體水平面內(nèi)剛度，用于可能的偏差矯正。分析方法為在以上變形計算基礎(chǔ)上，在下浮體與小支腿合龍位置施加1.0×106N水平方向的力，類似下浮體在主要合龍口剛度計算的載荷施加方式。將該位置的變形量與未加載荷前變形量的差值除以所施加水平力，得到該位置的水平剛度。小支腿位置下浮體水平變形結(jié)果如表4所示，加載前后變形差值為2.4 mm，換算后的剛度為4.17×108N/m。

表4 次要合龍口的變形結(jié)果 mm

5 結(jié) 語

半潛式FPSO的上部結(jié)構(gòu)基本采用框架式結(jié)構(gòu)，其與下浮體的連接界面(通常也是合龍界面)非常集中，合龍時2部分結(jié)構(gòu)的合龍精度要求非常高，較高的合龍精度意味著更高的疲勞壽命。半潛式平臺的合龍分析包括上部結(jié)構(gòu)吊裝分析、下浮體變形和強度分析、合龍口變形調(diào)整分析、合龍后平臺浮態(tài)分析、合龍口導(dǎo)向結(jié)構(gòu)局部強度分析和合龍口偏差調(diào)整分析等。

介紹該合龍方案中下浮體相關(guān)合龍分析，驗證不加水平撐的半潛式FPSO下浮體可以采用調(diào)整壓載、安裝局部導(dǎo)向裝置、考慮局部坐墩等方式，以實現(xiàn)平臺的高精度合龍。