王文龍， 林貽海， 馮加偉， 符秀全

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

0 引 言

隨著科技的不斷進步，海洋油氣田也在不斷被勘探和開發(fā)，但國際油價依然搖擺不定。為了更好地開發(fā)海洋油氣田，有效降低海上施工成本成為海洋油氣田開發(fā)的關(guān)鍵手段之一。海洋平臺上部組塊的最大重量一般受限于海上施工船舶吊裝設(shè)備的能力，重量大的上部組塊一般在陸地進行多塊建造后，在海上分別進行吊裝合并，合并完成后再進行最后的連接調(diào)試，整個施工周期相對較長且費用相對較高，再考慮海上環(huán)境惡劣導(dǎo)致的船舶、設(shè)備和人員待機，海上施工成本成為整個油氣田項目開發(fā)成本的大頭。為有效解決這個問題，近年來，浮托技術(shù)廣泛應(yīng)用于海洋平臺上部組塊的整體海上安裝[1]，并取得不錯效果，但浮托技術(shù)對施工環(huán)境、施工船舶、施工設(shè)備和施工人員本身及其相互配合的要求嚴苛，一旦有半點失誤，帶來的后果將是不可逆和不可預(yù)估的。

以在水深百米海域的某油氣田開發(fā)項目中萬噸級組塊整體海上浮托為例，對浮托技術(shù)的施工原理和應(yīng)用效果等進行詳細介紹。

1 浮托設(shè)備及參數(shù)

1.1 上部組塊

在水深為117 m海域的某油氣田開發(fā)項目中，中心平臺為8條樁腿帶井口處理平臺。該平臺的上部組塊重量為13 758.2 t，上部組塊縱向樁腿間距為18 m，橫向樁腿間距分別為14 m、16 m、14 m，共設(shè)4層甲板，分別是直升機甲板、上層甲板、中層甲板和下層甲板。直升機甲板尺寸為21.3 m×21.3 m，標(biāo)高為52.0 m；上層甲板尺寸為73.5 m×40.0 m，標(biāo)高EL.+33.0 m；中層甲板尺寸為64.0 m×40.0 m，標(biāo)高EL.+24.0 m；下層甲板尺寸為64.0 m×40.0 m，標(biāo)高EL.+18.0 m。該萬噸級組塊結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。

圖1 萬噸級組塊結(jié)構(gòu)三維模型

1.2 運輸駁船

運輸駁船的船型為18 000 t浮托無人駁船[2]，船長為180.0 m，型寬為52.5 m/36.0 m，型深為12.75 m，運輸駁船的相關(guān)尺寸如圖2所示。

單位：mm圖2 運輸駁船尺寸

1.3 坐標(biāo)系和環(huán)境條件方向選取

在一般情況下，坐標(biāo)系選取有3種：全球坐標(biāo)系a、平臺坐標(biāo)系b和運輸駁船坐標(biāo)系c。坐標(biāo)系a的原點位于平均海平面上、導(dǎo)管架B1與B4樁腿之間的中心，xa軸指向駁船船尾為正向，ya軸指向?qū)Ч芗?軸為正向，za軸豎直向上為正向。坐標(biāo)系b的原點位于海圖基準(zhǔn)面上、上部組塊樁腿A與樁腿B之間的幾何中心，xb軸指向上部組塊3軸為正向，yb軸指向上部組塊B軸為正向，zb軸豎直向上為正向。坐標(biāo)系c的原點位于駁船底部上、船首的中心，xc軸指向駁船船尾為正向，yc軸指向駁船右舷為正向，zc軸豎直向上為正向。3個坐標(biāo)系如圖3所示。浮托時環(huán)境條件主要包括風(fēng)、浪和流等3種，方向如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)系和環(huán)境條件方向示例

為更好地分析浮托時駁船與上部組塊的整體運動響應(yīng)，以坐標(biāo)系c為參考坐標(biāo)系，將上部組塊重量、重心和回轉(zhuǎn)半徑等參數(shù)加載至駁船上。在浮托進船前，駁船與上部組塊的信息如表1和表2所示。

表1 運輸駁船參數(shù)

表2 上部組塊參數(shù)

2 浮托實例

海上上部組塊浮托過程一般分為3個階段：進船、對接(載荷轉(zhuǎn)移)和退船。進船是指在高潮位時駁船裝載著上部組塊通過牽引向完成安裝的導(dǎo)管架靠近；對接是指通過潮位下降和船舶調(diào)載，駁船上部組塊的重量逐漸轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架上；退船是指在低潮位時上部組塊與駁船的支撐完全脫離至一定間隙后駁船通過牽引退出對接區(qū)域。

在上部組塊浮托時不僅需要掌握作業(yè)海域48 h內(nèi)氣象預(yù)報，而且需要對72 h內(nèi)氣象進行預(yù)測，每12 h進行1次氣象預(yù)報。在整個浮托過程中，對風(fēng)、浪和流的限值要求如表3所示。

同時，還應(yīng)采用實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在整個浮托過程中進行運動、環(huán)境條件和視頻的實時監(jiān)測[3]，為組塊浮托作業(yè)提供實時信息。為防止在進船和對接階段上部組塊受到突然陣風(fēng)的影響而失去控制，上部組塊與駁船之間設(shè)置兩部分的臨時連接固定支撐，分別在進船和對接階段進行切割。

表3 風(fēng)、浪和流的限值要求

在整個浮托過程中每個階段都很關(guān)鍵，在進船、對接和退船等3個階段中，當(dāng)環(huán)境條件和作業(yè)船舶壓載情況及錨泊系統(tǒng)布置情況都滿足要求后，根據(jù)潮汐時間安排船舶進船、對接和退船時間。在浮托作業(yè)前一天連接錨系并準(zhǔn)備浮托；在早上06∶00平潮時開始進船，用時3 h；在最高潮位時，進行載荷轉(zhuǎn)移；在最低潮時，開始退船，連接主拖，回收錨系，樁腿對接緩沖裝置(Leg Mating Unit，LMU)放沙，進行焊接檢驗。

2.1 進船階段

在進船前，運載上部組塊的駁船通過錨固系統(tǒng)在安裝位置300 m處進行系泊等待；在作業(yè)環(huán)境、船舶壓載[4]和錨泊系統(tǒng)滿足要求后，開始進船；在進船時，完成駁船與上部組塊之間一部分的臨時連接固定支撐的切割工作。

(1) 船舶壓載情況

在進船時，駁船壓載至平均吃水為7.5 m；船舶壓載艙考慮自由液面修正，為達到穩(wěn)定性較好的壓載狀態(tài)，不同艙室按調(diào)載方案注水。滿艙考慮95%液量，空艙考慮5%液量。進船時駁船壓載艙分布如圖4所示。

注：字母表示艙室名稱 圖4 進船時駁船壓載艙分布

(2) 錨泊系統(tǒng)

錨泊系統(tǒng)[5]由6條錨纜和2根交叉纜組成，并保持駁船與導(dǎo)管架槽口安裝位置對中。為避免錨纜斷裂等突發(fā)情況使駁船失去控制，在駁船后設(shè)置1條拖船用鋼纜進行牽引，通過錨泊系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)帶動駁船向?qū)Ч芗懿劭谇斑M。具體如圖5所示。

圖5 進船時錨泊系統(tǒng)布置

駁船錨泊系統(tǒng)的錨纜直徑為76 mm，設(shè)計允許最大錨纜張力為 400.0 t，交叉纜設(shè)計允許最大錨纜張力為160.0 t，其中配備15.0 t大抓力錨，錨機最大剎車力為350.0 t。在設(shè)計工況下，根據(jù)計算，在進船階段：交叉纜最大受力為63.2 t，最小安全因數(shù)為2.53，大于規(guī)范要求的最小安全因數(shù)(2.00)，滿足要求；錨纜最大受力為84.4 t，最小安全因數(shù)為4.74，大于規(guī)范要求的最小安全因數(shù)(2.00)，滿足要求。

(3) 浮托導(dǎo)向護舷系統(tǒng)

浮托導(dǎo)向護舷系統(tǒng)為橡膠緩沖材料[6](厚度為700 mm，寬度為800 mm)，安裝于駁船船舷兩側(cè)，有效地緩沖進退船階段中船舶與導(dǎo)管架之間的碰撞，并協(xié)助駁船精確就位。在設(shè)計工況下，根據(jù)計算，橡膠緩沖材料橫向變形量為190 mm(在壓縮范圍要求內(nèi))。

(4) 縱向定位裝置

縱向定位裝置[7]安裝于導(dǎo)管B2樁腿和B3樁腿，用于協(xié)助駁船精確就位于對接位置，并保護導(dǎo)管架作業(yè)。在設(shè)計工況下，進船時：導(dǎo)管架上的定向裝置受到最大橫向水平力為638.4 t，小于設(shè)計載荷(800.0 t)，滿足要求；導(dǎo)管架上的定向裝置受到的最大縱向水平力為40.9 t，小于設(shè)計載荷(100.0 t)，滿足要求。縱向定位擋板在導(dǎo)管架上位置如圖6所示。縱向定位擋板如圖7所示。

圖6 縱向定位擋板在導(dǎo)管架上位置示例

圖7 縱向定位擋板示例

2.2 對接階段

在對接[8]階段，上部組塊插尖與LMU之間垂直間隙須大于1 m[9]，然后通過調(diào)整錨機纜繩張力，確保組塊插尖在LMU捕捉半徑(535 mm)之內(nèi)，再通過駁船調(diào)載使組塊插尖底部與LMU頂部在同一水平線上，將上部組塊的載荷從駁船轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架上，具體如圖8和圖9所示。

圖8 對接時駁船上部組塊與導(dǎo)管架位置示例

單位：mm圖9 上部組塊插尖與LMU間隙示例

同時，進行駁船與上部組塊剩余部分臨時連接固定支撐的切割工作，繼續(xù)調(diào)載并利用落潮完成載荷100%從駁船轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架上。當(dāng)載荷轉(zhuǎn)移完成后，應(yīng)完成所有臨時連接固定支撐的切割工作。

2.2.1 錨泊系統(tǒng)

在對接階段，共有6條錨纜控制船舶運動，在駁船后面設(shè)置1條拖船用鋼纜進行牽引，如圖10所示。

圖10 對接時錨泊系統(tǒng)布置

交叉纜暫時回收不受力，且靠近導(dǎo)管架最近的2條錨纜與導(dǎo)管架樁腿間距為7 m，滿足安全要求。在對接階段，由于駁船在導(dǎo)管架的槽口中受到導(dǎo)管架中間4條樁腿的限位支撐，在設(shè)計工況下，根據(jù)計算，錨纜最大受力相對較小，且其最小安全因數(shù)也滿足要求。

2.2.2 緩沖裝置

(1) LMU

LMU主要用于緩沖浮托安裝過程中上部組塊與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)之間的垂直與水平碰撞, LMU共有8個，分別安裝在導(dǎo)管架對應(yīng)的8條樁腿上，LMU主結(jié)構(gòu)總體高度為4 800 mm、外徑為2 000 mm、壁厚為80 mm，其主要由鋼結(jié)構(gòu)、橡膠體(垂向橡膠體和水平橡膠)和沙子等結(jié)構(gòu)組成，如圖11所示。

LMU的最大設(shè)計緩沖載荷(垂向)為1 650 t，設(shè)計變形量(伸出長度)為450 mm(在整體測試時，當(dāng)壓縮為450 mm時，實際載荷為1 713 t，滿足±5%公差要求)；LMU的最大設(shè)計緩沖載荷(橫向)為600 t，設(shè)計變形量為40 mm。

在設(shè)計工況下，在浮托對接時：最大緩沖載荷(垂向)為2 271 t(按75%的緩沖要求進行計算為1 703 t，小于實際驗收載荷1 713 t)，滿足要求，最大緩沖載荷(橫向)為475 t，小于設(shè)計載荷600 t，

單位：mm圖11 LMU結(jié)構(gòu)示例

滿足要求。

(2) 組塊重量轉(zhuǎn)移緩沖裝置(Deck Support Unit，DSU)

DSU主要用于緩沖組塊與駁船分離時的碰撞[10]，DSU共有4個，分別安裝在組塊的支撐結(jié)構(gòu)上，DSU總體高度為1 470 mm、外徑為1 829 mm、壁厚為60 mm,其主要由鋼結(jié)構(gòu)和橡膠體(垂向)等結(jié)構(gòu)組成，如圖12所示。

單位：mm圖12 DSU在組塊支撐結(jié)構(gòu)位置示例

DSU的最大設(shè)計緩沖載荷(垂向)為1 050 t，設(shè)計變形量(伸出長度)為250 mm(在整體測試時，當(dāng)壓縮為250 mm時，實際載荷為1 013 t，滿足±5%公差要求)。

在設(shè)計工況下，在浮托對接時，最大緩沖載荷(垂向)為3 581 t(按26%～34%的緩沖范圍要求進行計算為931～1 218 t，小于實際驗收載荷1 013 t)，滿足要求。

2.3 退船階段

在上部組塊與駁船的支撐完全脫離后，繼續(xù)進行駁船調(diào)載，當(dāng)DSU頂部與組塊底部之間有1.00 m的間隙時，船底與導(dǎo)管架之間的間隙為3.88 m。通過驅(qū)動錨泊系統(tǒng)來絞動錨纜，駁船逐步退出導(dǎo)管架槽口。然后繼續(xù)退船[11]至待命位置(距導(dǎo)管架300 m)，如圖13和圖14所示。

圖13 退船時上部組塊與導(dǎo)管架位置示例

單位：mm圖14 DSU頂部與組塊底部間隙

(1) 船舶壓載情況

在退船時，駁船壓載至吃水11.00 m(此時駁船干舷=1.75 m)；船舶壓載艙考慮自由液面修正，為達到穩(wěn)定性較好的壓載狀態(tài)，不同的艙室注滿水。滿艙考慮95%液量，空艙考慮5%液量。退船時壓載艙分布如圖15所示。

注：字母表示艙室名稱圖15 退船時駁船壓載艙分布

(2) 錨泊系統(tǒng)

退船時的錨泊系統(tǒng)總共有6條錨纜和2根交叉纜控制船舶運動，在駁船后面設(shè)置1條拖船用鋼纜進行牽引(見圖16)，交叉纜主要控制船頭橫向運動并防止船頭與導(dǎo)管架和縱向定位擋板碰撞，以確保駁船平穩(wěn)地退出導(dǎo)管架槽口。

在設(shè)計工況下，根據(jù)計算，在退船階段，錨纜最大受力為116.6 t，最小安全因數(shù)為3.43，大于規(guī)范要求的最小安全因數(shù)(2.00)，滿足要求。交叉纜最大受力和最小安全因數(shù)也滿足要求。

圖16 退船時的錨泊系統(tǒng)布置

3 應(yīng)用效果

經(jīng)過現(xiàn)場實時監(jiān)測，在整個上部組塊浮托過程中：環(huán)境條件在設(shè)計工況要求范圍內(nèi)；駁船壓載情況穩(wěn)定正常；錨泊系統(tǒng)(錨機和錨鏈等)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，且負荷滿足要求；上部組塊與導(dǎo)管架之間的對接平穩(wěn)，且對接位置的結(jié)構(gòu)受力滿足要求；上部組塊與導(dǎo)管架對接位置的焊接檢驗滿足要求。

整個浮托過程用時不到19.0 h，其中上部組塊重量轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架整個過程僅用時2.5 h。上部組塊浮托安裝的成功不僅是項目質(zhì)量的見證，而且實現(xiàn)了縮短施工周期和降低海上施工成本的目標(biāo)。

采用浮托技術(shù)進行萬噸級組塊在百米深海域的安裝應(yīng)用，取得令人滿意的效果。

4 結(jié) 論

以位于水深百米海域的某油氣田開發(fā)項目中萬噸級組塊整體海上浮托為例，介紹浮托技術(shù)的施工原理和施工方案，通過現(xiàn)場施工情況和實際應(yīng)用效果，總結(jié)經(jīng)驗并提出如下建議：

(1) 選擇天氣良好的作業(yè)時間窗口，是實現(xiàn)萬噸級組塊成功浮托的前提之一；浮托技術(shù)對環(huán)境條件(風(fēng)、浪和流)要求高，同時須根據(jù)施工海域的潮汐時間完成浮托的進船、對接和退船。

(2) 運輸駁船壓載系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)和緩沖裝置等是組塊浮托安裝的關(guān)鍵設(shè)備，在浮托前仔細檢查和測試關(guān)鍵設(shè)備的運行性能和狀態(tài)、對易損率高的設(shè)備或構(gòu)件材料進行適當(dāng)備份、確保關(guān)鍵設(shè)備穩(wěn)定可靠的運行是實現(xiàn)萬噸級組塊成功浮托的保障。

萬噸級組塊浮托技術(shù)在百米水深海域的實踐應(yīng)用為后續(xù)國內(nèi)外海上平臺組塊等結(jié)構(gòu)物的浮托設(shè)計和施工提供技術(shù)支持。