柏 健,姜 偉,諸俊楷,李 森

(1.中石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院,山東 東營 257017;2.中集來福士海洋工程有限公司,山東 煙臺(tái) 264001;3.北京數(shù)碼易知科技發(fā)展有限責(zé)任公司 鎮(zhèn)江分公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000;4.中國船級(jí)社 海洋工程技術(shù)中心,天津 300457)

0 引言

目前,我國海上風(fēng)電安裝經(jīng)濟(jì)效益顯著,產(chǎn)業(yè)前景非常好,在黃海、東海等海區(qū)有很多在建設(shè)的風(fēng)場(chǎng)。海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)也在逐步向深水區(qū)推進(jìn),從潮間帶逐步至40～50 m水深,廣東長樂區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)50 m水深以上機(jī)位[1]。海上風(fēng)電安裝對(duì)安裝的設(shè)備和工藝要求比陸上要高得多。早期的風(fēng)電安裝采用簡化設(shè)施后的海洋石油工程施工船舶進(jìn)行施工作業(yè),或者通過浮式起重機(jī)或起重船進(jìn)行施工[2]。近年來,海上風(fēng)電投資的收益受經(jīng)濟(jì)環(huán)境、投資方中標(biāo)的施工風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量影響較大,如果新建專用的風(fēng)電安裝船,投資很大,市場(chǎng)前景不明朗。

坐底式風(fēng)電安裝船和自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)與浮式起重船相比,在波浪和水流作用力下穩(wěn)性可調(diào)節(jié),在安全性、操控性和經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢(shì)[3]。海上移動(dòng)式石油平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)是可漂浮拖航移位,安裝高度可以利用本來就抬得很高的甲板或者吊機(jī),達(dá)到預(yù)定風(fēng)機(jī)安裝高度;改造工作量不大,投資小見效快,很適合改裝后用來進(jìn)行風(fēng)電安裝。所以,國內(nèi)目前利用閑置的海洋平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)電改造的項(xiàng)目很多。

本文根據(jù)坐底式和自升式平臺(tái)改裝風(fēng)電安裝平臺(tái)的特點(diǎn)提出了各自的適用性,總結(jié)不同方案風(fēng)電安裝時(shí)的薄弱環(huán)節(jié),并根據(jù)不同作業(yè)工區(qū)選擇合適的方法,分析各方案經(jīng)濟(jì)性,力求實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)化和創(chuàng)新。

1 某半潛駁船風(fēng)電改造方案

某非自航半潛駁船情況為:鋼質(zhì)箱型船體,單底單甲板,四角塔樓,艏部左右塔樓橋接,無甲板室,設(shè)有8點(diǎn)錨泊定位設(shè)備,改裝后主要用于海上風(fēng)電施工;半潛作業(yè)水深0～36.0 m,頂甲板高45.0 m,安全甲板高40.5 m。為了放置風(fēng)電安裝設(shè)備,主甲板布置設(shè)備較少,適合放置輪轂、葉片等。

艏塔樓右舷安全甲板上設(shè)置電站,滿足全船用電需求。其余塔樓安全甲板上為空艙或設(shè)備間。艉左塔樓預(yù)留1 000 t全回轉(zhuǎn)起重機(jī)安裝位置及相應(yīng)接口。艏艉塔樓之間設(shè)平臺(tái)甲板,高度與頂甲板平齊,供堆放貨物及人員通行。

平臺(tái)甲板指定位置能承受以下載荷能力:

(1)1個(gè)輪轂帶3個(gè)葉片:葉片300 kN/只,輪轂直徑6 m,重量1 600 kN,總重量2 500 kN。

(2)1個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)艙:重量～2 000 kN/只。

(3)1個(gè)塔筒:重量1 500 kN/只。

平臺(tái)甲板靠艏布置1臺(tái)16 000 kN履帶吊,靠艉布置1臺(tái)4 000 kN履帶吊,可左右行走;回轉(zhuǎn)中心距船首約16 m,并在指定位置作業(yè),即舷邊為作業(yè)位置,船中為拖航固定位置。

本船可坐底作業(yè):從設(shè)計(jì)吃水下潛至最大沉深大約需要3 h;從最大沉深上浮至設(shè)計(jì)吃水大約需要2.5 h。

本平臺(tái)采用沉墊設(shè)計(jì),沉墊底面積很大。該設(shè)計(jì)極大減小了對(duì)地壓強(qiáng),對(duì)地基的適應(yīng)性比較強(qiáng),增加了安全系數(shù)。

當(dāng)平臺(tái)到達(dá)指定風(fēng)電安裝井位后,在沉墊和大立柱內(nèi)注入壓載水,平臺(tái)整體下沉,利用底部的大沉墊坐底到海底,見圖1。

某半潛駁船平臺(tái)類似半潛船,用MOSES程序建模的下潛狀態(tài)見圖2。由于底部沉墊和大立柱的支撐,使得風(fēng)電安裝平穩(wěn),抗風(fēng)浪能力強(qiáng),適用的水深范圍大。移位通過壓載水調(diào)節(jié)的沉浮過程,速度也比較快,有利于提高經(jīng)濟(jì)效益;缺點(diǎn)是由于水下的大沉墊和大立柱尺寸比較大,所受的波流力比較大,這對(duì)坐底穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有不利影響。

圖2 下潛狀態(tài)模型

某半潛駁船平臺(tái)在一定的環(huán)境條件下(水深36 m,波高9 m,周期8.6 s,表層流速1.285 m/s)的波流力計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可以看出,大立柱的波流力和波流力矩都是很大的。要降低波流力,可根據(jù)波流力在某方向的最大相位角,讓平臺(tái)相對(duì)波流的主方向作一定傾斜。

表1 自存工況波流力計(jì)算匯總

2 某坐底式平臺(tái)風(fēng)電改造方案

某坐底式平臺(tái)是由矩形的沉墊和上層平臺(tái)及連接兩者的6根大立柱、8根中立柱和28根小立柱組成的鋼質(zhì)非自航坐底式淺海石油鉆井船。上層平臺(tái)為雙層甲板的箱形結(jié)構(gòu)。鉆臺(tái)位于艉部。鉆臺(tái)坐落在上底座、下底座和導(dǎo)軌上,可作縱、橫向移動(dòng),一次坐底可打8口井。本船借助于沉墊內(nèi)的壓載水艙進(jìn)行注水或排水,以艉端先著底的方式,使船可以從漂浮狀態(tài)下沉坐底或從坐底狀態(tài)起浮至海面。

本船適用于渤海灣內(nèi)水深2.5～9.0 m(包括潮高)、泥沙質(zhì)海底、海床宏觀坡度為1/1 000左右的淺海區(qū)域,在無冰期進(jìn)行石油鉆井工作。

改裝設(shè)計(jì)總原則:為維持原用途的降級(jí)設(shè)計(jì),改裝設(shè)計(jì)屬于小改裝;滿足使用情況下改造量最小、改造周期最短、成本最低。

風(fēng)電安裝工藝見圖3。從圖中可以看出,為了達(dá)到風(fēng)電安裝的需要,原鉆井平臺(tái)主甲板的井架及支撐結(jié)構(gòu)、鉆桿堆場(chǎng)等設(shè)備均已拆除,在主甲板安裝履帶吊進(jìn)行風(fēng)電安裝。由于甲板空間比較大,風(fēng)電安裝的一些設(shè)備組件也可以先放到平臺(tái)上,高效又經(jīng)濟(jì),所以在布置設(shè)計(jì)時(shí)要為某些風(fēng)電設(shè)備預(yù)留放置位置。由于風(fēng)機(jī)組件的尺寸大,原平臺(tái)吊機(jī)要和履帶吊配合進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備吊裝、翻身等工作。總布置設(shè)計(jì)要避免在履帶吊工作時(shí)的設(shè)備、吊臂干涉。

圖3 某坐底式平臺(tái)風(fēng)電安裝設(shè)備工藝圖

本坐底式平臺(tái)具有穩(wěn)定、高效等優(yōu)點(diǎn)。坐底式平臺(tái)的沉墊使得平臺(tái)坐底后很難下陷,增加了作業(yè)安全系數(shù)。由于無大尺寸立柱,坐底穩(wěn)性要優(yōu)于某半潛駁船。該平臺(tái)的缺點(diǎn)是可作業(yè)的水深受限,適用性差。

3 某自升式平臺(tái)風(fēng)電改造方案

某自升式平臺(tái)為四樁腿的懸臂梁海洋自升式試采、修井一體化平臺(tái),鋼質(zhì)非自航,其主要情況如下:平臺(tái)設(shè)計(jì)最大作業(yè)水深40 m(含天文潮與風(fēng)暴潮),原油、污油水最大艙容3 055 m3,修井設(shè)備最大提升能力1 580 kN,可試油、油氣分離、儲(chǔ)存和外輸,并具備井口回接、修井、棄井、輔助熱采等修井功能。本平臺(tái)改為風(fēng)電安裝平臺(tái),樁腿受力情況和改裝前相比變化較大,應(yīng)基于三、五階波理論,獲得波浪力及波浪彎矩,并考慮海流和船舶自由液面,分析樁腿動(dòng)力響應(yīng)和變形位移[4]。

本平臺(tái)作為自升式平臺(tái),改為風(fēng)電安裝平臺(tái)工作量比較大:需要拆除主甲板、二層甲板的多數(shù)設(shè)備,如井架、油氣處理設(shè)備等;拆除后在主甲板上新建一個(gè)履帶吊支撐結(jié)構(gòu),使得安裝在上邊的履帶吊達(dá)到一定高度,滿足風(fēng)電安裝的需要。改裝后立面圖見圖4。由于甲板沒有足夠的空間放置風(fēng)機(jī)設(shè)備,需要有輔助裝載船舶幫助才能完成安裝?？偛贾迷O(shè)計(jì)時(shí)盡量在新建的履帶吊甲板多預(yù)留空閑位置,尤其要避免作業(yè)時(shí)吊機(jī)吊臂和設(shè)備彼此干涉。

圖4 某自升式平臺(tái)風(fēng)電改造布置立面圖

自升式平臺(tái)風(fēng)電改裝時(shí)吊機(jī)和樁腿干涉是必須要面對(duì)和解決的,見圖5。從圖中可以看出,某自升式平臺(tái)改造方案和前2個(gè)坐底式平臺(tái)改造方案的最大區(qū)別是有4個(gè)長度很大的樁腿。對(duì)風(fēng)電安裝的履帶吊來說,實(shí)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)是最佳的施工條件,而樁腿的存在無疑限制了這種可能性。由于自升式平臺(tái)無大沉墊,需要用樁腿樁靴插入海底泥中,所以要預(yù)先根據(jù)地質(zhì)資料進(jìn)行地基承載能力和插樁深度計(jì)算。對(duì)地基承載能力不滿足或者容易刺穿的井位,不能進(jìn)行作業(yè)。所以在適用性方面,要對(duì)所去的風(fēng)電場(chǎng)的地質(zhì)情況、水深等做出一定限制。

圖5 吊機(jī)與樁腿干涉圖

在進(jìn)行平臺(tái)改裝時(shí),要綜合考慮預(yù)壓載能力、風(fēng)暴保持能力、樁腿強(qiáng)度、抗傾穩(wěn)性等校核指標(biāo),獲得某自升式風(fēng)電安裝船的許用環(huán)境條件的組合,并生成環(huán)境適應(yīng)性圖表,從而有效保障風(fēng)電安裝作業(yè)安全性,提高風(fēng)電安裝作業(yè)效率[5]。

由于平臺(tái)主體可以利用升降機(jī)構(gòu)升到很高的高度,本方案可靈活對(duì)不同水深的風(fēng)電場(chǎng)選擇相對(duì)適用的最佳安裝方案,克服了水深的限制。本方案的缺點(diǎn)是每次移動(dòng)都需要插拔樁,浪費(fèi)了寶貴的施工時(shí)間;地層因素對(duì)插樁深度的影響、對(duì)提前預(yù)計(jì)樁腿對(duì)履帶吊主臂是否干預(yù)存在不確定性。

4 結(jié)論

(1)本文通過分析以上3座平臺(tái)改造為風(fēng)電安裝平臺(tái)的方案,可以看出每種方案都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)根據(jù)風(fēng)電改造方案的關(guān)鍵因素(水深適用性、改造成本、安裝周期、對(duì)海底地基的適用性)來確定最終的適用方案。

(2)對(duì)坐底式平臺(tái)來說,如果使用常規(guī)的坐底平臺(tái),適合去水深比較淺的海區(qū)作業(yè)。對(duì)大立柱的坐底式平臺(tái)適用的水深增加了,但波流力比較大,要考慮穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足。

(3)對(duì)自升式平臺(tái)來講,所受水深影響比較小,可適應(yīng)大水深海區(qū),但也有受插深影響樁腿和吊機(jī)容易干涉、插拔樁時(shí)間長等缺點(diǎn)。

(4)業(yè)主和設(shè)計(jì)方要根據(jù)所去風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行分析比較。在充分評(píng)估安裝的經(jīng)濟(jì)效益、風(fēng)電改造的時(shí)間周期的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)風(fēng)電安裝工藝流程進(jìn)行細(xì)化研究,特別是安全性要放在第一位。近年來履帶吊進(jìn)行海上風(fēng)電安裝的事故有增多的趨勢(shì),應(yīng)注重方案安全性。