王樹青,陳曉惠,李淑一,楊文龍,李華軍

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東省海洋工程重點實驗室,山東青島266100)

海洋平臺浮托安裝分析及其關(guān)鍵技術(shù)*

王樹青,陳曉惠,李淑一,楊文龍,李華軍**

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東省海洋工程重點實驗室,山東青島266100)

大型海洋工程結(jié)構(gòu)一般采用吊裝法進(jìn)行海上安裝。隨著海洋結(jié)構(gòu)物重量的不斷增大以及受到起重船吊裝能力的限制,大型海上結(jié)構(gòu)物浮托安裝技術(shù)正成為海上施工安裝的1種新方法,并成功應(yīng)用于淺海固定式平臺大型組塊和深海浮式海洋平臺的海上安裝。本文介紹了海洋平臺海上浮托安裝的步驟、關(guān)鍵緩沖設(shè)備,列舉了一些國內(nèi)外的安裝工程實例,指出了浮托法的關(guān)鍵技術(shù),最后針對某工程實例,利用SESAM軟件進(jìn)行浮托法水動力分析。

海洋平臺;大型組塊;浮托法;海上安裝

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展,油氣資源開發(fā)力度不斷加大,油氣開采由淺海向深海不斷邁進(jìn),海洋結(jié)構(gòu)物,特別是大型海洋結(jié)構(gòu)物越來越多,各種類型的海上平臺正向大型化、綜合化方向發(fā)展,單個平臺上部組塊的質(zhì)量從2 000～10 000 t以上,而海上起重能力的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上模塊重量的增長速度。以前使用的在海上進(jìn)行設(shè)備安裝施工方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。由于浮吊起重能力及當(dāng)?shù)厮畹南拗?以及海上安裝的巨額成本,迫使國內(nèi)外各公司尋找經(jīng)濟(jì)的平臺安裝就位方法。

海洋平臺浮托安裝法(簡稱:浮托法)是相對于傳統(tǒng)的吊裝法而言的,傳統(tǒng)的吊裝法是利用海上浮吊把上部組塊吊起后安裝到導(dǎo)管架上,而浮托法則是通過調(diào)節(jié)駁船的吃水差,利用浮力把組塊浮托安裝到導(dǎo)管架上。與吊裝法相比,浮托法解決了超大、超重組塊的海上安裝問題,避免了采用傳統(tǒng)的大型海洋結(jié)構(gòu)物分塊吊裝安裝方案可能造成的繁瑣的作業(yè)程序,減少了海上連接調(diào)試的時間。

浮托安裝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年,它通過海上安裝成功地將整體上部組塊安裝到不同的固定式結(jié)構(gòu)或浮式海洋平臺上[1-2]。1983年,Philip s M aureen Project成功將質(zhì)量達(dá)18 600 t的生產(chǎn)平臺上部組塊采用浮托技術(shù)安裝成功[3];2005年,中國海洋石油工程股份有限公司首次運用浮托法海上安裝新工藝,成功地將質(zhì)量達(dá)7 200 t的渤海南堡35-2油田中心平臺整體安裝到導(dǎo)管架上[4],為我國大型海上平臺安裝作業(yè)和技術(shù)發(fā)展提供了經(jīng)驗。應(yīng)用浮托技術(shù)進(jìn)行安裝的海洋平臺種類也越來越多,主要包括導(dǎo)管架平臺,重力式平臺,張力腿平臺以及Spar平臺等結(jié)構(gòu)型式。

浮托法是1種安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的施工技術(shù)。目前國外已有學(xué)者對上部組塊浮托法安裝進(jìn)行了研究[5],這些研究為平臺的安裝、施工提供了依據(jù)。國內(nèi)海上浮托新工藝的成功實踐,為今后我國大型平臺結(jié)構(gòu)的海上浮托安裝提供了經(jīng)驗和重要參考依據(jù)[6-8]。國內(nèi)雖然有浮托安裝成功的實例,但目前關(guān)于浮托法的現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、分析過程、關(guān)鍵設(shè)備、發(fā)展趨勢等卻鮮有報道。本文對浮托安裝技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié),介紹了浮托法的過程、關(guān)鍵設(shè)備,總結(jié)了國內(nèi)外浮托法的工程實例,結(jié)合某擬建實際工程,利用SESAM軟件進(jìn)行分析計算,總結(jié)了浮托法的研究難點和技術(shù)關(guān)鍵。

1 浮托法

1.1 浮托安裝主要程序

海洋平臺浮托安裝,是指建造完成后的平臺上部組塊由駁船運載駛?cè)氪箝_口導(dǎo)管架,并拋錨完成定位,進(jìn)而完成海上安裝工作。浮托安裝的主要程序如下:(1)滑移裝船(Loadout) 平臺上部組塊在陸地整體建造完成后,進(jìn)行整體滑移裝船,使其兩側(cè)的平臺腿懸空于駁船船舷的外側(cè),并進(jìn)行臨時固定綁扎處理(比如甲板支撐裝置DSU)。如圖1為國內(nèi)某大型組塊裝船圖;此時導(dǎo)管架已經(jīng)在指定海域完成安裝,等待與上部組塊對接。

圖1 裝船F(xiàn)ig.1 Loadout

(2)海上運送(Transportation) 確認(rèn)海上氣象條件在允許作業(yè)的范圍內(nèi),評估駁船的運動,然后將載有上部組塊的駁船由拖輪慢慢拖到導(dǎo)管架附近停泊,準(zhǔn)備海上安裝作業(yè)。

(3)海上安裝(Installation) 一般指從安裝駁船到達(dá)指定海域等待安裝到駁船撤離之前的整個階段,這也是海上浮托安裝最復(fù)雜的階段。如果氣象、水文條件合適,就正式進(jìn)入海上浮托安裝程序,海上安裝主要包括以下幾個步驟。

①駁船等待(standby):指安裝駁船利用系泊系統(tǒng)停泊在距離安裝導(dǎo)管架一定安全距離的區(qū)域等待合適的安裝條件,這期間一般要進(jìn)行安裝準(zhǔn)備工作,如切除部分臨時固定綁扎、準(zhǔn)備快速壓載系統(tǒng)等。

②駁船就位(Docking):在準(zhǔn)備就緒和安全條件合適的情況下,駁船在牽引纜索的作用下緩慢進(jìn)入導(dǎo)管架槽口,并通過不同位置布置的錨纜控制其運動方向和運動速度,如圖2所示。在前進(jìn)的過程中,橫蕩護(hù)舷發(fā)揮緩沖碰撞作用。繼續(xù)推進(jìn)直到安裝在駁船上的限位(縱蕩護(hù)舷)碰到導(dǎo)管架樁腿上,此時駁船上的組塊正好停留在導(dǎo)管架正上方,組塊的樁尖正好對著位于導(dǎo)管架樁腿的LMU(樁腿耦合裝置)。

③對接過程(M ating):通過調(diào)節(jié)駁船的壓載系統(tǒng)壓載下沉或利用潮差使駁船緩慢下降,期間需要通過駁船的精確定位,使組塊立柱樁尖與導(dǎo)管架樁腿(LMU)精確對中,如圖3所示。駁船繼續(xù)壓載下沉,直到組塊的樁尖與導(dǎo)管架樁腿或LMU第1次接觸。此時要確定位置是否對正以及駁船的晃動情況,如果沒有問題就切除全部的臨時固定裝置并繼續(xù)壓載,直到組塊樁尖進(jìn)入樁腿或LMU的接收器內(nèi),此時整個對接過程完成。在駁船壓載下沉過程中,固定上部組塊的臨時支撐(DSU)上下分離,此時組塊重量開始由駁船向?qū)Ч芗苻D(zhuǎn)移。繼續(xù)壓載下沉,直到組塊荷載全部轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上為止。

④駁船撤離(Separation and Undocking):當(dāng)臨時支撐與上部組塊之間達(dá)到一定的安全間隙時,將駁船從導(dǎo)管架中拖出,駁船撤離,從而完成平臺組塊的海上安裝就位工作。圖4為上部組塊已經(jīng)安裝完成的海洋平臺。

圖3 駁船壓載,載荷轉(zhuǎn)移Fig.3 Ballasting and load transfer

圖4 安裝完成Fig.4 Installation finished

1.2 浮托法中的關(guān)鍵裝置

從前述的浮托法的基本步驟可以看出,如何實現(xiàn)駁船順利進(jìn)入導(dǎo)管架并安全順利地實現(xiàn)荷載轉(zhuǎn)移是浮托法海上安裝作業(yè)的關(guān)鍵。由于外界環(huán)境對浮托法海上安裝作業(yè)影響較大,浮托安裝過程中,需要一些特定的設(shè)備與裝置來完成海上安裝。

(1)浮托駁船(Floatover barge) 滑移裝船后,浮托駁船將把上部組塊運輸?shù)街付êＳ?并通過調(diào)節(jié)壓載系統(tǒng),將上部組塊安裝到固定式結(jié)構(gòu)或浮式結(jié)構(gòu)上。影響海上運輸駁船選擇的因素很多,綜合考慮運輸駁船的吃水限制、寬度限制、載重量限制、平臺運輸中的駁船穩(wěn)性及上部大型組塊的重量、重心位置等因素,如何選擇安全、經(jīng)濟(jì)的半潛駁船是1項關(guān)鍵。

(2)甲板支撐裝置(DSU-Deck Supporting Unit)甲板支撐裝置(DSU)位于組塊甲板和滑靴中間,主要有兩個作用:在組塊陸地預(yù)制和裝船運輸過程中起支撐組塊重量的作用;在浮托安裝過程中,上、下沙盤裝滿砂子起緩沖作用。DSU應(yīng)根據(jù)實際安裝工況來進(jìn)行設(shè)計,圖5為某平臺浮托安裝時的DSU。可以看出每個DSU有底座、斜向拉筋(用于支撐固定甲板片)、1根立柱(假腿)和上下2個砂盤構(gòu)成(見圖6)。底座、拉筋和下砂盤為1個整體,假腿和上砂盤為1個整體,兩者承插虛接以便浮托安裝時及時分離。

圖5 甲板支撐裝置照片F(xiàn)ig.5 Deck suppo rting unit

圖6 甲板支撐裝置(設(shè)計圖)Fig.6 Deck supporting unit

(3)樁腿對接耦合裝置(LMU-Leg Mating Unit)LMU是1種組塊立柱和導(dǎo)管架鋼樁的對接裝置,其底部與導(dǎo)管架鋼樁相連(LMU要在導(dǎo)管架海上安裝完畢后且上部組塊浮托安裝前完成安裝,LMU外套管底部與導(dǎo)管架鋼樁焊接相連),上部與組塊立柱相連,是浮托安裝承上啟下的關(guān)鍵部件。工程中的典型的LMU結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示,它是1個套筒結(jié)構(gòu),外部是鋼管,內(nèi)部由砂箱、橡膠彈簧和盤型接收器組成,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7(b)。

LMU是浮托安裝中非常關(guān)鍵的緩沖裝置,當(dāng)浮托安裝完成后,LMU成為了鋼樁的一部分,起到支撐組塊重量的作用。LMU在浮托安裝中起著非常重要的作用,主要表現(xiàn)在:①在組塊重量由DSU向LMU的轉(zhuǎn)移過程中起到緩沖作用,這是通過LMU套筒內(nèi)部裝置來完成的。LMU內(nèi)部的砂箱和橡膠彈簧是主要受力裝置,在組塊立柱剛開始接觸LMU接收器時,砂箱和橡膠彈簧在組塊重量由DSU向LMU轉(zhuǎn)移過程中被壓縮,承受部分重量;當(dāng)被完全壓縮時,組塊重量將由LM U外套筒承擔(dān)。因為砂子和橡膠都不是剛性材料,在完成組塊重量的轉(zhuǎn)移過程可以起到很好的緩沖作用,可以減輕駁船搖晃對LMU和甲板的沖擊;②實現(xiàn)組塊立柱與LMU的自動對中,這是通過LMU的盤形接收器來實現(xiàn)的。接收器是1個盤型結(jié)構(gòu),上部內(nèi)側(cè)是1個口大底小的錐形托盤,尺寸與組塊立柱末端的錐形插尖匹配,當(dāng)插尖落入接收器托盤中就開始捕捉接收立柱插尖。

圖7(a) LMU實物Fig.7(a) The LMU picture

圖7(b) LMU示意圖Fig.7(b) LMU

(4)護(hù)舷系統(tǒng)(Fenders) 由橫蕩護(hù)舷系統(tǒng)和縱蕩護(hù)舷系統(tǒng)組成。橫蕩扶舷系統(tǒng)主要用來限制駁船在進(jìn)退船的過程中與導(dǎo)管架之間的橫向運動,防止安裝作業(yè)過程中駁船對導(dǎo)管架樁腿內(nèi)側(cè)過大的碰撞,以免造成樁腿的損壞和變形。

縱蕩護(hù)舷在安裝過程中起到兩方面的作用。一是在安裝駁船進(jìn)入導(dǎo)管架槽口時起限位止船作用,當(dāng)縱蕩護(hù)舷碰到LM U時,駁船不能繼續(xù)前進(jìn),此時組塊立柱正好位于導(dǎo)管架鋼樁的上方,止船限位把組塊立柱控制在LM U的捕捉半徑之內(nèi)。二是在安裝過程中防止過大的縱蕩對LMU的碰撞而造成損壞。

(5)快速壓載系統(tǒng)(Rapid Ballast System) 浮托法是通過駁船的吃水差或潮差來進(jìn)行上部組塊安裝的。在潮差較小或不可利用潮差的海域進(jìn)行安裝時,要用到調(diào)載系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)駁船的壓載系統(tǒng),通過外接水泵或海水閥箱向駁船壓載艙內(nèi)注水,使駁船下降,從而實現(xiàn)上部組塊的重量安全地轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。這個操作過程大約4～6 h,主要取決于壓載系統(tǒng)的能力、潮汐特性及和退船安全間隙等因素。

(6)停泊/定位及監(jiān)測系統(tǒng) 在淺水處安裝作業(yè)時,需要用到駁船甲板上的系泊系統(tǒng)(系泊絞車等)和輔助拖船等。這些輔助系統(tǒng)在駁船慢速靠近、最初進(jìn)入、停泊和撤離等安裝過程中,起著非常重要的作用。在深水處進(jìn)行浮托安裝時,只用到拖船系統(tǒng)和軟線定位絞車(soft line positioning w inching system),其中軟線定位絞車主要的功能是限制縱蕩和橫蕩的偏移量。如果在浮托安裝中用到動力定位駁船,定位絞車就可以省略不用。

另外駁船上可以安裝定位監(jiān)測系統(tǒng),用于監(jiān)測浮托安裝、撤離過程中駁船和下層基礎(chǔ)的相對運動。

2 浮托法安裝工程實例

2.1 國外工程項目

自海上浮托安裝技術(shù)出現(xiàn)以來,已經(jīng)成功地用于多起海上大型浮式平臺的安裝。表1列出了國外一些采用浮托安裝的工程實例[2]。

以Murphy Oil油田的spar平臺為例,作一簡單介紹。這個項目的設(shè)計、建造和安裝都由Technip公司執(zhí)行。該項目位于Malaysia海域,采用的是雙船浮托安裝方法,如圖8所示。裝配步驟為:裝配前,Spar浮筒在10根半張緊纜線的固定下慢慢加載達(dá)到4.3 m的干舷,建造完成的上部組塊由1個駁船從建造船廠運到安裝海域附近;雙船浮托配備有平臺臨時支撐,定位系統(tǒng),停泊系統(tǒng)等,單一運輸駁船載著上部組塊到達(dá)雙駁船中間位置,通過壓載上部組塊上面的運輸駁船和減壓位于兩側(cè)的雙駁船,從而使上部組塊的質(zhì)量完全轉(zhuǎn)移到雙駁船上,將運輸泊船撤離;上部組塊和雙浮托駁船變成“剛性連接”的1艘雙體船,停泊系統(tǒng)將“雙體船”拖到Spar平臺的上方,使平臺插尖慢慢插入LMU。

表1 部分國外浮托安裝工程Table 1 Floatover examples for offshore installation

圖8 雙駁船浮托Fig.8 Tw in-Barge floatover

2.2 國內(nèi)工程項目

2002年,趙東油田首次采用浮托技術(shù)成功地將質(zhì)量達(dá)3 200 t的DPA平臺上部組塊整體安裝在導(dǎo)管架上,這是國內(nèi)的第一個浮托安裝工程。至2008年,已經(jīng)有若干例浮托安裝工程,表2列出了部分工程的安裝地點和組塊重量。與國外的安裝工程想比較,國內(nèi)浮托安裝的都是平臺的上部組塊,而且都是采用的單船浮托法。

在這些安裝實例中,具有代表性的是渤海南堡35-2油田中心平臺的安裝。2005年,海洋石油工程股份有限公司采用浮托法海上安裝工藝成功將渤海南堡35-2油田中心平臺整體安裝到導(dǎo)管架上,為今后我國大型海上安裝作業(yè)和技術(shù)發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗。南堡35-2油田位于我國渤海灣,海域水深為最低天文潮以下13.2 m,上部組塊質(zhì)量達(dá)7 200 t(當(dāng)時國內(nèi)最大起重船僅為3 800 t),主體結(jié)構(gòu)長57 m,寬64 m,高30 m,由H Y221下水駁船托運到海上安裝現(xiàn)場,最終成功地將中心平臺安裝到了8腿導(dǎo)管架上。標(biāo)志著我國已經(jīng)初步具有了超大型平臺的浮托安裝能力。

表2 國內(nèi)浮托安裝實例Table 2 Examples of floatover installation

3 浮托法數(shù)值計算實例

處于渤海的某油田為了加大油氣開采新建生產(chǎn)平臺,其上部組塊擬采用浮托法進(jìn)行海上安裝。該平臺所處水深為12.2 m,采用6腿直立式導(dǎo)管架,主導(dǎo)管成矩形布置,工作點平面尺寸為32 m×34 m。上部組塊共分4層。主甲板為3層,平面尺寸為46m×40 m,層高8 m。開排甲板1層,懸掛于底層甲板下面,標(biāo)高11.5 m,層高6 m。組塊主結(jié)構(gòu)由6根立柱、平面梁格、立面斜撐和甲板組成。組塊頂層上設(shè)吊機(jī)2座,懸挑火炬1座。上部平臺安裝質(zhì)量約4 000 t。上部組塊結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。由于該平臺上部組塊安裝質(zhì)量較大,國內(nèi)浮吊的施工能力受限,海上安裝考慮浮裝法。

圖9 整體質(zhì)量模型Fig.9 Massmodel

圖10 系泊布置圖Fig.10 Moo ring arrangement

根據(jù)浮托法施工駁船的基本資料、型值表數(shù)據(jù)和平臺上部模塊的資料得到了質(zhì)量模型如圖9所示。其中駁船的總長為LOA為122.45 m,型寬B為30.5 m,型深D為7.6 m。駁船空載吃水1.5 m,排水量3 636 t,重心距基線距離為4.26 m;船體滿載吃水為5.96 m,排水量18 420 t,重心距基線距離為8.22 m。駁船型寬為30.5 m,導(dǎo)管架腿內(nèi)側(cè)距離為32 m,因此駁船中心橫向運動的允許幅值為±0.75 m。

3.1 環(huán)境條件

水深:水深12.2 m,設(shè)計高水位+1.48 m,設(shè)計低水位-0.69 m,最高天文潮2.08 m,最低天文潮-0.90 m;波浪:不規(guī)則波浪,有義波高取H s=0.5 m、1 m,T z=4.95 s,T p=6.4 s,采用JONSWA P_3系數(shù)譜,gama=3;平均流速:V c=0.5 m/s,流向與浪向相同;風(fēng)速:NPI譜,1 h平均風(fēng)速,10 m/s。風(fēng)受力面積進(jìn)行了大致估算,縱向為400 m2,橫向為864 m2。

3.2 系泊系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)初步設(shè)計中主要考慮的參數(shù)是系泊纜每段的直徑、長度,導(dǎo)纜孔處系泊纜的預(yù)張力傾角等,這些參數(shù)的變化對平臺和系泊系統(tǒng)的運動響應(yīng)和動力響應(yīng)產(chǎn)生影響。本次浮托法采用的錨泊系統(tǒng)是由8根直徑60 mm、不同長度的錨鏈組成,錨鏈質(zhì)量為71.77 kg/m,破斷強(qiáng)度為3147 kN,駁船駛?cè)霕豆芊轿粫r系泊系統(tǒng)布置如圖10所示。駁船首尾兩條錨鏈與拖船連接,用以牽引駁船前進(jìn)和后退;駁船船側(cè)的系泊鏈組通過絞纜機(jī)放松或者收緊錨鏈,控制駁船的運動幅度。

3.3 浮托駁船運動結(jié)果

浮拖安裝時的駁船、上部組塊及系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)通過專業(yè)水動力分析軟件SESAM求得。裝載著上部組塊的駁船的一二階波浪傳遞函數(shù)、附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)在頻域內(nèi)求得。在靜力分析中,系統(tǒng)的平衡位置由風(fēng)、流載荷及平均波浪漂移力決定。進(jìn)而,通過調(diào)節(jié)系泊鏈的預(yù)張力,保證在各種安裝工況下駁船的平衡位置最佳。在時域中,進(jìn)行了系統(tǒng)的耦合動力分析,得到了駁船的運動響應(yīng)及系泊鏈張力值。

浮托安裝數(shù)值模擬計算需要考慮到各種安裝工況,充分驗證在不同風(fēng)浪流大小及方向下安裝的可行性,計算量較大。通過計算發(fā)現(xiàn),橫浪時安裝的難度最大。本文給出了駁船就位狀態(tài)時(吃水為3.0 m),1.0 m有義波高橫浪條件下,駁船的運動響應(yīng)和系泊鏈張力值。此時,駁船的運動需要滿足的條件是:

(1)駁船所裝載的上部組塊樁腿的縱橫蕩運動幅度在LMU捕捉范圍之內(nèi);

網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點在收到新區(qū)塊之后，首先驗證區(qū)塊的合法性，是否包含上個區(qū)塊的哈希值。對于概率性共識，如比特幣中，還需要對區(qū)塊中交易的合法性、PoW的正確性進(jìn)行驗證，驗證通過后節(jié)點將本地鏈進(jìn)行更新，并開始新一輪的“挖礦”；對于確定性共識，節(jié)點直接更新本地區(qū)塊鏈。

(2)上部組塊樁腿向下運動的幅值<1 m,以防止上部組塊的樁尖與導(dǎo)管架樁腿發(fā)生碰撞;

(3)駁船的橫蕩幅度<0.75 m,以防止駁船與導(dǎo)管架發(fā)生碰撞。

在1.0 m有效波高橫浪條件下,駁船的橫蕩運動如圖11所示,可以看出駁船的橫蕩最大值僅為了0.6 m,此時滿足安裝要求。此時垂蕩的位移(如圖12所示)只接近0.5 m?？梢钥吹?1.0 m的橫浪條件是適合浮托安裝的。

圖11 就位狀態(tài)駁船橫蕩運動時程Fig.11 Sway motion of the barge

圖12 就位狀態(tài)駁船垂蕩運動時程Fig.12 Heave motion of the barge

4 浮托法技術(shù)關(guān)鍵

如前所述,海上浮托安裝是1項復(fù)雜的海上安裝工程,涉及到的因素非常多,因此整個安裝過程要做好總體施工方案。本處僅就其中的一些關(guān)鍵點做一下探討。

(1)避免安裝過程中可能的碰撞 在駁船駛?cè)雽?dǎo)管架槽口和安裝過程中,駁船在環(huán)境荷載作用下,不可避免地會發(fā)生運動,因此駁船與導(dǎo)管架樁腿之間、上部組塊樁尖與導(dǎo)管架鋼樁或LMU之間可能會發(fā)生碰撞。是否會碰撞以及碰撞力的大小取決于結(jié)構(gòu)本身(駁船、上部組塊、導(dǎo)管架的槽口寬度等)、環(huán)境條件(風(fēng)、浪、流的大小及方向)以及錨泊系統(tǒng)的布置等因素。過大的撞擊力可能會造成導(dǎo)管架樁腿的損壞,因此如何考慮各種影響因素,準(zhǔn)確地模擬出駁船的運動及碰撞力的大小,是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、護(hù)舷設(shè)計的關(guān)鍵。此外,在駁船撤離退出導(dǎo)管架槽口的過程中,要注意駁船底部與導(dǎo)管架的水平橫撐之間的要保留足夠的間隙,以免發(fā)生觸底危險。

圖13 碰撞示意圖Fig.13 Sketch of collision

(2)樁腿耦合裝置的設(shè)計 樁腿耦合裝置用于上部組塊插尖與導(dǎo)管架樁管對接期間起緩沖碰撞作用,是海上浮托安裝的最重要裝置之一。浮托安裝時LMU的緩沖作用是通過位于套筒內(nèi)部的砂箱和橡膠彈簧來完成的。砂箱主要承受垂向力;垂向橡膠彈簧和砂箱一樣承受組塊的重力,而環(huán)向彈簧則承受組塊的側(cè)向力。砂箱和橡膠彈簧在組塊重量由DSU向LMU轉(zhuǎn)移過程被壓縮,逐步完成組塊重量的轉(zhuǎn)移,先把部分重量轉(zhuǎn)移至LMU套筒內(nèi)部構(gòu)件,待垂向橡膠彈簧完全被壓縮再把剩余重量轉(zhuǎn)移至LMU外套筒。隨著砂箱中的砂子從LMU的排砂口排除,垂向橡膠彈簧內(nèi)應(yīng)力消除恢復(fù)自由,組塊重量完全轉(zhuǎn)移至LM U外套筒。另外,因平臺上部組塊各層甲板設(shè)備布置不均衡,因此組塊各個立柱的受力也不一樣,為保證在浮托安裝過程中LMU的受力均衡,需要根據(jù)各立柱的受力情況選擇不同型號的LM U。海上安裝時要確認(rèn)LMU的位置和型號,對號入座。

截至目前為止,LMU的設(shè)計與制造還屬于國外公司的專利產(chǎn)品,目前尚未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)公司有自主知識產(chǎn)權(quán)的LMU產(chǎn)品。

(3)雙船浮托安裝 采用單船浮托安裝必須滿足如下條件:導(dǎo)管架的槽口寬度比駁船型寬大,適合駁船的進(jìn)出;導(dǎo)管架所在海域必須滿足駁船吃水要求;駁船排水量足可以托起組塊重量,并有足夠的儲備浮力在克服潮汐變化的情況下把組塊浮托到導(dǎo)管架上。

圖14 LMU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Leg Mating Unit

隨著上部組塊的增大,當(dāng)單船浮托不滿足要求時,可以采用雙船浮托來進(jìn)行海上安裝。近幾年來有學(xué)者提出整體平臺上部組塊雙船浮托安裝的方法,并且Technip公司采用雙船浮托技術(shù)實際操作取得成功,為將來更大的上部組塊安裝提供了可能。雙船浮托安裝的技術(shù)難點主要是駁船與組塊的連接方案選擇,對比剛性連接和柔性連接,目前國內(nèi)推薦采用剛性連接,船與組塊之間進(jìn)行剛性連接,重點是剛性節(jié)點的結(jié)構(gòu),即上部組塊支腿直接與滑靴支腿通過加強(qiáng)板焊接在一起,通過斜支撐將滑靴焊接在駁船上,各個DSU之間通過橫撐連接,進(jìn)一步加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。剛性連接能夠解決柔性連接在側(cè)動力的作用下產(chǎn)生的剪切變形的缺點,降低了DSU折斷的可能性。

(4)海洋平臺大型組塊與浮托安裝駁船的匹配性問題

浮托安裝駁船的運動性能是成功進(jìn)行海上浮托安裝的一大關(guān)鍵。影響海上浮托安裝駁船選擇的因素很多,主要包括①平臺安裝位置的水深及潮位;②駁船的吃水:過大的半潛駁吃水將會使得船底與海底的間隙過小,從而影響退出時的安全,而且租用成本會較高;③駁船的寬度:要保證駁船可以駛?cè)雽?dǎo)管架樁排之間,而且要留出一定的間隙,以避免安裝過程中駁船與樁管發(fā)生碰撞。④載重量的限制;⑤穩(wěn)性的限制等。⑥上部組塊的尺寸、質(zhì)量、重心位置及慣性半徑等。綜合考慮上述因素,合理選擇運輸駁船,進(jìn)行海洋平臺大型組塊與浮托安裝駁船的匹配性分析研究,將是一項非常重要的研究任務(wù)。

(5)分析方法 浮托安裝過程需要分析安裝駁船的運動,評估和預(yù)測系泊系統(tǒng)、LMU、DSU等關(guān)鍵部位的受力大小,因此需要建立上部組塊-浮托安裝駁船-系泊系統(tǒng)耦合動力分析模型-多體分析模型。該分析模型要能夠包括如下部分:①駁船同海底通過系泊系統(tǒng)連接;②駁船與導(dǎo)管架樁腿之間的碰撞;③上部組塊與駁船之間通過DSU的耦合;④上部組塊通過LMU與導(dǎo)管架的耦合;分析模型既要能夠模擬panel模型,又可以模擬剛體模型,同時還要能夠選擇合適的單元來模擬其耦合(連接),其分析難度可想而知。

5 結(jié)語

隨著我國淺海油氣資源開發(fā)力度的不斷加大,大型海洋結(jié)構(gòu)物越來越多。以前使用的在海上進(jìn)行設(shè)備安裝施工方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求,單船浮托法在海洋工程施工中應(yīng)用的例子越來越多。短短的十年來,浮托技術(shù)從產(chǎn)生到實際應(yīng)用取得了重大的進(jìn)展,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,浮托技術(shù)也將日益完善,采用浮托法海上安裝工藝是國內(nèi)油田大型平臺的發(fā)展趨勢。浮托法解決了組塊建造受起重能力的限制無法做大的矛盾,提高了平臺建造效率;與吊裝相比更加穩(wěn)妥、提高施工質(zhì)量,減少海上作業(yè)時間,降低海上作業(yè)風(fēng)險。應(yīng)該看到,盡管國內(nèi)有多例浮托法海上安裝取得了成功,仍有一些很多方面需要完善、改進(jìn)或進(jìn)一步研究。

本文詳細(xì)描述了海洋平臺海上浮托安裝的步驟,介紹了安裝關(guān)鍵裝置和設(shè)備,進(jìn)行了某海洋平臺浮托安裝初步分析,指出了浮托安裝法的的一些關(guān)鍵技術(shù),為進(jìn)一步的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

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State of the Art and Some Key Techniques for Offshore Floatover Installation

WANG Shu-Qing,CHEN Xiao-Hui,L IShu-Yi,YANGWen-Long,L IHua-Jun
(College of Engineering,Shandong Provincial Key Lab of Ocean Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

The heavy lift technology is a traditional installation method for integrated topside installation.But the availability and capacity of such heavy lift vessels restricted the application.Floatover method is becoming a preferred offsho re top sides installation method and has been successfully applied to offshore installations of integrated topsidesonto different fixed and floating platform substructures.This paper presents a comprehensive overview offloatover installation and the primary equipment system s.Floatover installation examples in domestic and abroad are summarized and listed.And the key technologies offloatover installation are summarized.Finally,a floatover analysis is demonstrated based on a practical engineering installation.

offshore platform;large-scale topside;floatover technology;offsho re installation

TE951

A

1672-5174(2011)7/8-189-08

國家自然科學(xué)基金項目(50909088,51010009);青島市科技計劃項目(09-1-3-18-coh)資助

2010-11-24;

2011-04-14

王樹青(1975-),男,教授。E-mail:shuqing@ouc.edu.cn

**通訊作者:E-mail:huajun@ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 陳呈超