淺析固定平臺重量控制對于降低工程成本的實際效果

柳揚斌， 鄭　路

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 工程建設中心技術部， 天津 300461)

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淺析固定平臺重量控制對于降低工程成本的實際效果

柳揚斌， 鄭路

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 工程建設中心技術部， 天津 300461)

摘要：論述了在全球原油價格低迷的形勢下，海洋石油工程降本增效的必要性與緊迫性，凸顯出平臺重量控制對降低工程成本的重要作用，并通過實際工程案例簡要介紹了固定式平臺上部模塊重量控制的幾種成功做法以及成效。鑒于嚴格優(yōu)化平臺上部模塊重量所產(chǎn)生的顯著經(jīng)濟效益，可以得出結論：固定式平臺的前期設計方案整體論證以及具體設計過程中的不斷優(yōu)化對于降低平臺整體投資意義重大，應予以高度關注和持續(xù)改進。

關鍵詞：海上固定平臺；平臺上部模塊甲板優(yōu)化；重量控制；分塊設計方案優(yōu)化

0引言

海上固定平臺的工程建設成本中相當大的一部分是平臺鋼結構制作成本，在確保平臺滿足生產(chǎn)使用要求的前提下，需盡可能減小海上平臺的上部設施(上部模塊)的設計尺寸和重量以滿足安裝資源的要求，同時降低鋼材使用量。因此，平臺上部模塊的設計重量控制變得尤為重要。

1降低固定平臺模塊重量的重要經(jīng)濟意義

油田總體開發(fā)成本中，新建生產(chǎn)設施所占的費用份額很大，而對于海上油田生產(chǎn)設施中的固定平臺而言，降低其整體建造工程費用所貢獻的效益尤其明顯。降低和控制海上油氣平臺的尺寸和重量成為今后海上平臺設計的重點。

固定式導管架平臺在我國是最為常見的平臺型式，此類平臺適用于水深較淺的海域，能夠承載較大的上部設施重量，便于鉆修井作業(yè)。吊裝安裝為常規(guī)的模塊安裝方式，要求模塊吊重必須在浮吊安全起吊能力范圍之內，對于模塊重量大、安裝風險高的項目，重量控制必須作為項目的重點工作執(zhí)行，以確保模塊的海上安裝順利進行。其中，平臺的模塊和導管架(樁基)的結構鋼材重量，占據(jù)了平臺整體重量相當大的比重。表1為渤海海域近年新建平臺的重量數(shù)據(jù)對比。

表1　渤海海域近年新建平臺的重量數(shù)據(jù)對比

根據(jù)表1所示的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：平臺的結構鋼材重量占平臺整體干重的百分比平均數(shù)為69.3%，建造一座海上鋼質固定平臺，有2/3以上的干重重量是結構鋼材重量。因此，在確保平臺相應井口配套設施及平臺主軸線框架尺寸不變的情況下，盡可能地減少上部模塊甲板整體尺寸、縮減甲板空余面積和提高空間利用率，是減少平臺結構鋼材使用量的有效途徑。

2通過調整平臺工程設計總體布置和輪廓尺寸以降低結構重量

2.1BZ19-4 油田綜合調整項目背景簡介

BZ19-4 WHPC是1座8腿8主樁導管架結構形式的井口平臺，設置32個井槽(4×8)、上部模塊采用梁柱板空間框架結構型式，設有工藝及水處理設施、60人生活樓及HXJ180型修井機。導管架設計水深為21.5 m，工作點尺寸為(18 m+18 m+18 m)×20 m，8根導管腿為Y向單斜，斜度為1∶10，鋼樁樁徑為1.8 m，入泥深度81.5 m。

2.2平臺整體設計優(yōu)化過程

在基本設計第一階段的內部審查中，根據(jù)2015年2月開始實行的《海上固定平臺總體設計規(guī)范》的要求，設計單位開始進一步提高甲板利用率、減少甲板空余面積和降低模塊結構鋼材總重，對各個專業(yè)進行了較大幅度的優(yōu)化調整。

(1) 調整總體甲板設備布置，縮減模塊工作房間面積和局部甲板寬度、取消1層工作甲板，平臺甲板層數(shù)由4層優(yōu)化為3層，總計減少甲板面積1 525 m2。

(2) 將上部模塊分塊線從原設計的靠近2軸東側2 m處改至2軸東側8.1 m處作為東西分塊界線，取消原設計的模塊運輸支撐假腿。從而將上部模塊的吊裝總重從基本設計初始的5 456 t降至5 085 t，上部模塊的鋼結構材料總重從ODP設計的3 420 t減少到3 021 t。同時BZ19-4 WHPC導管架在工作點間距不變的前提下用鋼總重從ODP的5 370 t降低至5 175.9 t。

經(jīng)過此次優(yōu)化，BZ19-4 WHPC上部模塊分東、西2塊吊裝均可滿足4 500 t級起重船“華西5 000”的起吊半徑和起吊能力的要求。

2.3優(yōu)化后成果

BZ19-4 WHPC經(jīng)過基本設計后期對ODP原總體布局的大幅優(yōu)化，提高了甲板空間利用率，在平臺結構上體現(xiàn)出的減重數(shù)據(jù)是非常明顯的，ODP設計與基本設計優(yōu)化后用鋼量對比見表2。

表2　BZ19-4 WHPC平臺ODP設計與基本設計優(yōu)化后用鋼量對比

由BZ 19-4 WHPC平臺的設計優(yōu)化成果可以看出：執(zhí)行新的總體設計規(guī)范后，對于大幅減少平臺設計用鋼量、提高甲板利用率的降本效果是非?？捎^的。

3調整模塊的分塊吊裝方案

3.1SZ36-1二期調整項目背景介紹

SZ36-1 CEPN是1座8腿8主樁導管架結構形式的油氣處理平臺, 上部模塊采用梁柱板空間框架結構型式，設有油氣處理設施。甲板由上、中、下工作甲板組成，甲板主尺寸：74.85 m×39.7 m，工作點間距(18 m+18 m+18 m)×22 m。CEPN導管架設計水深為30.4 m，8根導管腿為Y向單斜，斜度為1∶10，鋼樁樁徑為2.1 m，入泥深度84 m。

3.2CEPN上部模塊吊裝超重問題

在SZ 36-1油田二期調整項目ODP階段鎖定的CEPN安裝資源為“藍鯨號”起重船，由于“藍鯨號”吊裝能力和安全起吊跨距的限制，ODP設計時擬定將CEPN模塊沿2、3軸正中間平均劃分為東塊約6 000 t、西塊約6 000 t進行建造和安裝。在不考慮偏心的情況下，東塊、西塊的吊裝重量已經(jīng)非常接近“藍鯨號”的起重極限能力?！八{鯨”號浮吊在49 m和50 m吊裝半徑下的吊重能力見表3。

表3　“藍鯨”號浮吊在49 m和50 m吊裝半徑下的吊裝能力

在SZ36-1二期工程項目調整的基本設計階段，經(jīng)過基本設計項目組重新復核CEPN模塊的吊裝重量，發(fā)現(xiàn)CEPN東塊初步估算吊重增至6 509 t 超出了“藍鯨號”在49 m吊裝半徑時的吊裝極限能力，且東塊重心偏心嚴重。

3.3設計方提供的幾種解決方案

針對此問題，基本設計項目組會同建造、安裝各相關方的意見，為控制CEPN東塊的單重，提出建議將6臺主機單獨組成一個動力模塊，在與其余部分構成的CEPN東、西塊同時陸地建造，在海上單獨吊裝(即CEPN上部模塊海上3吊安裝)。

3.4工程項目組選定的模塊分塊方案

工程項目組經(jīng)過分析論證，認為將CEPN模塊分為3塊吊裝會帶來以下不利影響：

(1) 兩吊變三吊會增加模塊結構重量，影響導管架計算。CEPN模塊整體構成由2塊改為動力、東、西3塊，必將增加各構成模塊間的連接過渡及結構加強構件，從而進一步增加CEPN平臺上部的總體重量，并造成CEPN導管架及樁基結構荷載的校核必須全部重新計算，影響基本設計及詳細設計的工作進度，以及CEPN導管架開工建造的結構鋼材采辦。

(2) 增加一個動力模塊會增加滑道占用資源。上部模塊分3塊進行陸地建造必定會增加對海洋石油工程股份有限公司青島場地的滑道建造資源的占用，尤其是分出動力模塊單獨建造會增加CEPN模塊的滑道占用面積近一倍，這對于本已經(jīng)非常緊張的場地資源的使用增加了額外的負荷。

(3) 平臺6臺主機獨立分塊會增加海上連接調試工作量。CEPN分成3塊也必將增加上部模塊內部的工藝/配管/電/儀/訊等系統(tǒng)的海上連接、調試工作量，降低了模塊陸地建造完工的完善程度，增加海上施工的時間和成本，加大海上施工現(xiàn)場管理難度，不利于海上施工現(xiàn)場的QHSE風險控制。

基于以上的原因，CEPN模塊的分塊重量是否超出“藍鯨號”的起重能力，將決定選取哪種施工方案，工程項目組根據(jù)以往項目的分塊設計經(jīng)驗以及CEPN甲板設備布置情況，就分塊方案與相關單位進行了充分的討論，從各個角度進行了全面分析論證，為實現(xiàn)項目整體效益最大化，確定了最優(yōu)分塊方案。保持CEPN模塊仍分為東、西2塊的吊裝方案，將東、西分塊界線由ODP設計的2、3軸中間平分，修改為沿CEPN平臺2、3軸靠近3軸位置進行分塊。以此分塊方案為前提，確定了CEPN模塊陸地建造和海上安裝施工方案，并要求設計方進一步細化工作，嚴格控制模塊最終重量，確保CEPN模塊最終吊裝重量滿足“藍鯨號”的安全吊裝要求。圖1為最終確定采用的CEPN模塊分塊方式平面圖，表4為CEPN模塊重新核算吊裝跨距及其對應“藍鯨號”的起吊能力。

圖1　最終確定采用的CEPN模塊分塊方式平面圖

項目吊裝重量/t以模塊甲板邊緣控制以駁船甲板邊緣控制吊裝半徑/m藍鯨號能力/t吊裝半徑/m藍鯨號能力/t西塊634551.09589049.86100東塊591652.73549049.86100

3.5CEPN分塊減重措施

為確保重新劃分的東、西塊各自單獨吊裝重量不超出藍鯨號的起重極限能力，在CEPN模塊的基本設計和詳細設計中采取了以下減重措施：

(1) 細化和準確估算重量：要求設計各專業(yè)重量估算有原則、變化有依據(jù)，重量估算劃分到最小單元；不同階段的重量控制要有充分的設計階段背景和數(shù)據(jù)支持。

(2) 取消所有容器的撬座，嚴格控制設備單撬重量，要求各專業(yè)重量估算劃分到最小單元，部分容器類設備底座設計成馬鞍座形式。

(3) 在設備采辦中，從設備標書編制、評標、技術澄清、現(xiàn)場驗貨等各階段都把重量控制作為關鍵技術指標嚴格控制。

(4) 簡化機械設備底座，降低重量，節(jié)省鋼材。

(5) 優(yōu)化管線路徑，合理共用支架，控制CEPN平臺模塊的重量、重心。

(6) 取消大閥門固定操作平臺，改為可移動式操作平臺。

3.6CEPN平臺重控成果

通過采取以上重控措施，從詳細設計最終版的吊裝重量分析以及加工設計的重控報告顯示，不需采取后裝兩臺主機、部分擋風墻等減重措施，實現(xiàn)了CEPN東塊5 637.96 t，西塊5 578.17 t的指標，此時東、西塊重量均已滿足“藍鯨”號吊裝要求。

經(jīng)過設計過程的精細化控制和模塊建造現(xiàn)場的嚴格把關，CEPO和CEPN模塊的陸地完工重量控制在設計許可范圍內，并于2013年6月12日～6月16日由藍鯨號順利完成了CEPN平臺東、西模塊的海上吊裝，為項目的按期投產(chǎn)提供了有力的保障。

由于成功減重，CEPN模塊東、西塊采用兩吊完成海上安裝，減少極為可觀的單塊預制建造費、海上運輸費用以及連接調試費用。

4通過減少平臺模塊大型設備的底座以減輕模塊總重

4.1取消大型設備底撬

以生產(chǎn)分離器為例，單罐設計尺寸為4 000 mm(I.D.)×16 000 mm(T/T)，假如為此罐體設置底座，底座尺寸應為5 200 mm×19 000 mm，按照型鋼采用45號工字鋼，鋪5 mm花紋鋼板計算，底撬重量約為20 t。CEPN模塊共有12臺類似尺寸的臥式罐體，為減輕重量，在基本設計階段取消了所有臥式罐體的底撬，僅此一項措施即可為平臺上部模塊減重約240 t。

遼東區(qū)域某平臺的生產(chǎn)分離器采用的是整體成撬大底座，如圖2(a)所示。SZ36-1 CEPN平臺生產(chǎn)分離器優(yōu)化調整為：采用馬鞍座形式直接安裝在平臺上部模塊經(jīng)過調整的甲板梁格上，如圖2(b)所示。

4.2簡化機械設備底座，降低重量，節(jié)省鋼材

對于應急發(fā)電機底座，遼東區(qū)域某平臺是采用的通用底座加設備支撐型鋼的雙層底座形式，如圖3(a)所示。SZ36-1 CEPN、CEPO平臺設計時簡化調整為單層H型鋼點對點的支撐底座形式，如圖3(b)所示。

圖2　生產(chǎn)分離器的底座優(yōu)化

圖3　應急發(fā)電機的底座優(yōu)化

5結論

通過上述幾個成功運用減重措施并顯著節(jié)省工程項目投資成本、取得良好降本經(jīng)濟效益的項目案例可以看出：

(1) 對于固定式平臺新建設施從工程設計的源頭就應及早進行緊湊化、精細化的考慮。

(2) 根據(jù)項目確定的施工船舶資源控制住上部模塊的整體重量和各分塊重量，各專業(yè)大型設備也應盡可能降低配套設施重量。

因此，在平臺的設計全過程中應重點關注重量控制的成效，采用各種措施把早已相對成熟的海上固定平臺總體設計水平再提高到新的高度，為滿足新的海上油氣開發(fā)工程的要求而精益求精、繼續(xù)深挖平臺設計的優(yōu)化潛力，以適應新時代的海上油氣開發(fā)大環(huán)境和行業(yè)進步要求。

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收稿日期：2015-08-26

作者簡介：柳揚斌(1980-)，男，工程師。

文章編號：1001-4500(2016)03-0028-06

中圖分類號:P75

文獻標識碼：A

Actual Positive Effect on Engineering Project Cost of Fixed Platform Weight Control

LIU Yang-bin, ZHENG Lu

(Technical Department, Engineering Construction Center, CNOOC Co., Ltd,Tianjin Branch, Tianjin 300461, China)

Abstract：The necessity and urgency of the offshore oil engineering invest efficiency in the global crude oil prices downturn situation were discussed. So fixed platform weight control is very important to reduce the offshore oil fields’ development engineering cost. It shows several concrete methods of platform weight control and the successful results of some practical engineering examples were discussed briefly. So we can draw a conclusion that in the early period of the fixed platform design scheme comparison and specific design in the process of continuously optimize is a great significance to reduce the platform overall investment. We should pay attention to continuous improvement of platform weight control.

Keywords：fixed offshore platform；platform topside’s deck optimization；weight control；division design scheme optimization