倫燦章

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

浮托法工程應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

倫燦章

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

結合國內(nèi)外海上油氣資源開發(fā)項目的歷史與現(xiàn)狀，以全新的角度對浮托法進行系統(tǒng)的分類，闡述了浮動式浮托、動力定位浮托、雙船浮托和懸臂梁浮托等新式浮托法的基本特點，分析了各類浮托法的優(yōu)劣勢，對浮托安裝技術應用前景和未來的發(fā)展方向進行了展望。

浮托法；上部模塊；動力定位浮托；懸臂梁浮托

與傳統(tǒng)的吊裝法相比，浮托法擺脫了對起重船起重能力的依賴，可對超大、超重的上部模塊進行海上整體安裝。由于運輸和安裝作業(yè)都使用同一艘船舶，浮托法可以減少上部模塊安裝的工作界面，節(jié)省海上作業(yè)的時間。20世紀70年代浮托法首次被引入到石油和天然氣行業(yè)，用于遮蔽水域的重力式平臺上部模塊的安裝。直至1981年，首個在開闊水域的浮托安裝在喀麥隆Ekoundou油田成功實施。而我國則最早于2002年和2003年在渤海趙東油田成功實施了2座海洋平臺上部模塊的浮托安裝[1]。截至今天，浮托安裝技術在我國的應用已經(jīng)逐漸成熟，安裝重量從最初的6 000 t提高到3.1萬t，作業(yè)水域從渤海拓展至南海開闊水域，安裝船也從常規(guī)的甲板駁船發(fā)展到帶動力定位系統(tǒng)的半潛船。

1 工程應用現(xiàn)狀

1.1 固定式浮托與浮動式浮托

根據(jù)下部結構的固定形式，浮托法可分為固定式浮托和浮動式浮托。固定式浮托是指下部結構為固定于海底的如導管架之類的結構物，安裝時調(diào)節(jié)安裝船的吃水使上部模塊的重量從船上轉(zhuǎn)移到下部結構物上，從而實現(xiàn)上部模塊的安裝，見圖1。浮動式浮托是指下部結構為浮式結構物，在安裝前先加壓載水使其下潛至一定深度，僅剩幾米的支腿露出水面，安裝船駛入完成定位后，下部結構逐步排出壓載水上浮將上部模塊從安裝船甲板頂起，達到安全距離后，安裝船駛出完成安裝，見圖2。固定式浮托是目前最為常見的一種浮托安裝方式，多用于導管架平臺上部模塊的安裝。浮動式浮托早期多用于安裝遮蔽水域和近海的重力式平臺上部模塊[2]。直到1993年，浮動式浮托才首次應用于安裝TLP平臺的上部模塊，重量達24 000 t[3]。到2006年，這種浮動式浮托已逐漸應用于半潛式平臺及Spar平臺上[4-5]。

與固定式浮托相比，由于下部結構是浮體，浮動式浮托多數(shù)都可以選擇在遮蔽水域和近海等環(huán)境條件較好的地方實施。在對接階段，由于下部結構的水線面可以起到類似彈簧的作用吸收沖擊載荷，從而降低了載荷轉(zhuǎn)移和分離退船的作業(yè)難度，并簡化了LMU(leg mating unit)和DSU(deck support unit)的設計工作。另外，與安裝船相比，下部結構相對較小的水線面積也顯著降低了對接-分離階段對壓載能力的要求[6]。由此可見，浮動式浮托的作業(yè)風險和技術難度都比固定式浮托低。

1.2 系泊定位浮托與動力定位浮托

浮托安裝過程中，上部模塊需要精確地對準下部結構的接收裝置，因此安裝船的定位非常重要[7]，關系到整個安裝作業(yè)的安全性和可靠性。根據(jù)安裝船的定位方式，浮托法可分為系泊定位浮托和動力定位浮托。

對于系泊定位浮托(見圖3)，系泊系統(tǒng)的設計需要確定系泊纜的數(shù)量、尺寸、預張力，計算安裝船的定位能力，同時還需避開作業(yè)水域的海底管線，防止管線與系泊纜碰撞損壞。因此，系泊系統(tǒng)設計是整個浮托安裝設計中的一個重要環(huán)節(jié)。系泊系統(tǒng)還需具備適應一定環(huán)境條件的能力，能將安裝船在安裝過程中的運動幅值限制在一定范圍內(nèi)，并且不會發(fā)生破斷[8]。在等待安裝階段，安裝船需在指定地點等待合適的氣象窗口，并利用系泊系統(tǒng)抵抗可能面臨的環(huán)境載荷。而在進船、載荷轉(zhuǎn)移和退船過程中，系泊系統(tǒng)則主要用于控制安裝船與下部結構間的橫向與縱向相對位置。

系泊定位浮托需要進行系泊定位以及輔助拖輪牽引，安裝船的甲板上布滿了用于系泊定位的設備和結構，而制造、安裝和使用這些設備和結構將耗費大量的費用和準備時間，且安裝時需要動用大型的浮吊及專業(yè)人員配合[9]。此外，系泊系統(tǒng)受水深影響較大，在深海水域隨著水深的增大，系泊定位浮托的難度和成本將大幅增加。

動力定位浮托以帶動力定位系統(tǒng)的半潛船作為安裝船，利用半潛船的推進器及其控制系統(tǒng)，實現(xiàn)安裝過程中船舶的定位、艏向控制和航跡控制能力，確保安裝船、上部模塊和下部結構的安全。世界上首例動力定位浮托安裝是2003年7月由“泰安口”輪在泰國灣水域安裝的近9 000 t重的Bunga Raya A上部模塊，見圖4。而我國直到2014年5月才由“海洋石油278”輪在南海成功實施了國內(nèi)首例的動力定位浮托安裝。

與系泊定位浮托相比，由于不需要連接系泊纜以及前期的準備工作，動力定位浮托所需的安裝時間更短，從進船到退船可在3 h內(nèi)完成，不但能有效地降低安裝費用，還能相應地降低作業(yè)風險。而且安裝船自身也不需要增加相關的系泊設備，節(jié)省的時間和費用也相當可觀。動力定位浮托安裝的另一個重要優(yōu)勢是，半潛船相對較高的航速而言，可有效減少海上運輸時間，從而使遭遇惡劣海況并對安全構成威脅的可能性顯著降低。因此，半潛船運輸?shù)暮Ｊ仑浳锼坏谋ｋU費要比系泊定位浮托的拖航運輸少得多，最多可節(jié)省達80%[10]。綜上所述，動力定位浮托的優(yōu)勢可總結為以下幾點。

1)不需要預埋錨點和連接系泊纜。

2)更少的暴露時間，更靈活的時間窗口。

3)更短的安裝時間。

4)更少的海上工作界面。

5)更低的海上運輸風險。

6)不受作業(yè)海域的水深限制。

7)不受前期的海底管線影響。

1.3 T型駁船浮托、雙船浮托和懸臂梁浮托

上部模塊安裝時，下部結構一般需要開槽以便安裝船駛入。此槽口的存在對下部結構以及上部模塊的設計產(chǎn)生了一些負面影響。這些負面影響是當前浮托法與吊裝法相比的最大劣勢[11]。為消除這些負面影響，減少下部結構的開槽寬度甚至避免開槽，目前業(yè)內(nèi)主要有3種解決方法，分別是T型駁船浮托、雙船浮托和懸臂梁浮托。

為了減少下部結構開槽寬度，有時不得不對安裝船進行削窄處理，同時為了保證運輸過程中的穩(wěn)性，增加船體的儲備浮力，通常又將未削窄的部分加寬，形成所謂的T型駁船[12]。經(jīng)上述改造后，T型駁船的浮托安裝(見圖5)能力可達到25 000 t以上。一般來說，下部結構開槽方向是朝向主要涌浪方向的，使安裝船處于迎浪狀態(tài)，減少橫向運動。而T型駁船在迎浪方向的投影面積比普通駁船大，導致了更大的波浪載荷和縱向運動，部分抵消了迎浪開槽的優(yōu)勢。另外，與普通駁船相比，T型駁船的阻力也顯著增大，拖航時需要額外增加拖輪馬力或降低拖航速度。

對于難以開槽的SPAR平臺以及槽口較小的導管架平臺，其上部模塊的安裝無法通過常規(guī)浮托法實施，因此Technip公司在2006年首次提出雙船浮托法，見圖6。此方法將上部模塊裝載至兩艘并排布置的駁船上，再對其進行綁扎加固形成一個整體，然后由拖輪拖帶至指定海域進行安裝。雙船浮托可以避免下部結構的開槽，使其結構設計具有更大的自由。但由于上部模塊由兩個浮體支撐，其本身作為兩浮體的連接體，承受運輸過程中兩浮體運動不同步而產(chǎn)生的動態(tài)扭轉(zhuǎn)載荷，增加了上部模塊的結構設計的難度。雙船浮托只能短途或在遮蔽水域運輸。對此，通常先用單船運輸至安裝海域附近，再將上部模塊轉(zhuǎn)移至另外兩艘駁船上。而更快捷的辦法是將雙船以及上部模塊裝載至半潛船上，運輸至指定海域后半潛卸下再進行安裝。

懸臂梁浮托是常規(guī)浮托法的一種變形，其顯著特點是安裝船甲板上的懸臂梁式的桁架系統(tǒng)。利用此懸臂梁式桁架，安裝船可以在下部結構不開槽的情況下完成上部模塊的對接安裝。按照懸臂梁的布置方式，可將該浮托法分為縱向和橫向兩種安裝方式?？v向安裝時懸臂梁沿船長方向布置在船艏或船艉，而橫向安裝時則為沿船寬方向布置在甲板上。海上運輸過程中，為了減小懸臂梁桁架系統(tǒng)的彎矩以及方便綁扎固定，兩種方式都需將上部模塊置于懸臂梁的甲板端，到達指定安裝地點后再將上部模塊滑移至懸臂梁末端進行安裝。安裝時，縱向方式對船體產(chǎn)生了額外的總縱彎矩，對安裝船的總縱強度要求較高，因此縱向方式的安裝能力普遍比橫向方式小。懸臂梁浮托是新穎的上部模塊安裝方法，安裝實例不多，至今國外僅成功實施了3例，而國內(nèi)則尚無實施案例。其中兩例由ICON公司為馬來西亞Murphy Oil公司分別于2002年和2003年在南中國海采用縱向方式(見圖7)安裝了兩個600 t左右的上部模塊[13]。另外一例是HortonGMC公司為BPZ Energy公司于2012年在秘魯海域采用橫向方式(見圖8)安裝了重約2 200 t的上部模塊[14]。

懸臂梁浮托的優(yōu)點是可以消除開槽對上部模塊和下部結構的影響，應用范圍廣泛，適用于固定式和移動式平臺的安裝以及廢舊或老齡平臺上部模塊的拆卸。同時，由于其結構與常規(guī)浮托法不同，對安裝船的要求不高，普通駁船或舊船改造的半潛船都適用。其缺點首先是浮托能力較小，僅能用于輕型上部模塊；其次是對海洋環(huán)境條件的要求比較苛刻，作業(yè)時間窗口?。蛔詈笫切枰~外的滑移系統(tǒng)，增加了安裝的成本。

2 發(fā)展趨勢

2.1 動力定位浮托

海洋油氣資源的開采不斷向深海區(qū)域擴張，海洋平臺作業(yè)水深呈不斷增加的趨勢，需要面對的海洋環(huán)境條件也更加惡劣，傳統(tǒng)的系泊定位技術已經(jīng)難以滿足深海浮托安裝的發(fā)展要求。動力定位浮托具有運輸風險低、對接精度高、壓載能力強、作業(yè)時間短、輔助船舶少，以及不受作業(yè)水深限制等技術優(yōu)勢，尤其適用于海況惡劣、系泊困難的深水海域，已越來越受業(yè)內(nèi)的重視。表1為近年新造及在建半潛船。由表1可見，近年新造及在建的半潛船都配備了動力定位系統(tǒng)，同時船東也都將動力定位浮托能力作為其主要技術競爭力?？梢灶A見，隨著這些半潛船的陸續(xù)投入運營，半潛船將取代常規(guī)無動力駁船成為浮托安裝的首選船舶，動力定位浮托安裝也將逐漸成為上部模塊海上安裝的主流方法。

表1 近年新造及在建半潛船

2.2 低位浮托

浮托法的應用前景十分廣闊，但是安裝船資源的匱乏成為制約其發(fā)展的關鍵因素。上部模塊的安裝重量不斷增大，重心高度也不斷增加，對安裝船的穩(wěn)性要求越來越高，選擇范圍也越來越小。目前通過降低上部模塊的安裝高度，可有效降低對船舶穩(wěn)性的要求，使安裝船選型上具有更大的空間。因此，低位浮托安裝法應運而生，這是對原有浮托技術的優(yōu)化和創(chuàng)新。該方法取消了安裝船甲板上的支撐框架(DSF)，降低了運輸及對接安裝作業(yè)的重心高度，上部模塊對接完成后再采用拉力千斤頂提升至設計高度。低位浮托安裝法為大型海洋平臺上部模塊的安裝提供了新的方法，在一定程度上緩解了安裝船舶資源匱乏的矛盾。

2.3 應用范圍拓展

全球?qū)稍偕鍧嵞茉吹男枨蟪掷m(xù)增加，海上風能資源開發(fā)成為一個高速發(fā)展的市場。隨著風機不斷大型化以及離岸化，起重能力和起重高度的限制以及海況的復雜化使得傳統(tǒng)的起重安裝船舶已無法滿足需求[15]。在這種情況下，國外的學者對浮托法在海上風電基礎樁安裝方面的應用進行了深入的研究和探討[16]，為浮托法進入海上風電領域提供了理論依據(jù)。此外，浮托法還可應用到海上風電場的高壓直流升壓站平臺的安裝中。歐洲BorWin3海上風電場計劃于2018年利用浮托法安裝3個升壓站平臺，該項目將成為世界首個應用浮托法安裝的海上風電轉(zhuǎn)換項目。

根據(jù)有關研究部門預測，到2020年，全球范圍內(nèi)將有大量的海洋平臺達到使用壽命年限。同時，由于當前國際油價持續(xù)在低位運行，海洋石油行業(yè)低迷，市場供過于求，海工裝備制造市場不斷冷卻，而拆卸市場卻逐漸火熱，并將逐步發(fā)展成為一個新興的工程領域，具有巨大的市場空間。目前老舊平臺上部模塊多采用分塊吊裝的方法拆除，但隨著大型浮吊資源的日益短缺，利用雙船浮托、懸臂梁浮托等方式拆除平臺上部模塊的優(yōu)勢突顯，浮托法在海洋平臺的退役棄置方面的應用日漸成為海洋石油工業(yè)的一個重要議題。

目前各種適應深海環(huán)境的深海浮式平臺不斷涌現(xiàn)，其上部模塊正向大型化和綜合化發(fā)展，安裝難度大大增加。而浮動式浮托具有安裝重量大、作業(yè)環(huán)境條件好、設計難度低等優(yōu)勢，特別適用于深海浮式平臺上部模塊的安裝。但國內(nèi)目前對于浮動式浮托的應用還處于探索階段，至今尚未有成功實施的案例。隨著這些深海浮式平臺的建造逐漸向我國轉(zhuǎn)移，浮動式浮托技術在國內(nèi)具有較為廣闊的應用前景。

2.4 標準化

海上浮托安裝作業(yè)是個龐大的系統(tǒng)工程，涉及一系列的設備與作業(yè)流程。然而目前行業(yè)內(nèi)尚未有明確的技術標準，各個設備供應商采用的設計參數(shù)互不相同，設備的可替換性差，難以重復利用，經(jīng)濟性與安全性都有待提高，關鍵設備(LMU、DSU)的標準化要求非常迫切。同時，海上施工作業(yè)的時間成本較高，需對整個浮托安裝作業(yè)流程進行標準化，使其更加科學、合理，提高施工效率，減少海上作業(yè)時間。今后海上浮托安裝行業(yè)將會朝著系統(tǒng)化、標準化方向發(fā)展，并將不斷完善行業(yè)標準，實現(xiàn)安全、高效的目標。

3 結論

浮托法自首次應用在石油天然氣行業(yè)至今已有40多年，技術日趨成熟，已成為上部模塊安裝的可靠方法與主流趨勢，這與其作業(yè)時間短、安裝能力大、成本低、效率高、操作方便等優(yōu)勢密切相關。另外，浮動式浮托、動力定位浮托、雙船浮托和懸臂梁浮托等新式的浮托法不斷涌現(xiàn)，使浮托法的應用范圍進一步拓展，覆蓋了固定式、浮動式平臺上部模塊的安裝與拆除以及風電設備的安裝等領域。然而，浮托法現(xiàn)階段在工程應用方面仍存在以下幾點有待完善，需要進一步研究探討：

1)提高作業(yè)海況限制條件，擴大作業(yè)時間窗口。

2)上部模塊自身結構剛度對多體耦合動力響應的影響。

3)多體耦合作用下的載荷與運動分析預報技術。

4)動力定位系統(tǒng)在浮托安裝過程中的數(shù)值模擬和預報技術。

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Review on the Engineering Application and Future Development of Float-over Methods

LUN Can-zhang

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Combined with the history and current situation of the engineering project of offshore oil and gas exploitation at home and abroad, the float-over methods were classified systematically in a new perspective. The characteristics of new float-over methods such as floating float-over, dynamic positioning float-over, twin barge float-over and cantilever float-over were discussed in detail, the advantages and disadvantages of the various types of float-over and the application prospect were analyzed. The development trend of float-over installation technology was prospected.

float-over; topsides; dynamic positioning float-over; cantilever float-over

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.029

2016-07-15

倫燦章(1982—)，男，碩士，工程師

U674.38；P751

A

1671-7953(2017)02-0124-06

修回日期：2016-09-02

研究方向:重大件海上運輸與安裝設計