半潛式生產(chǎn)平臺(tái)整體合攏技術(shù)研究

侯金林，劉賢權(quán)，王 蓉，王 屹，田立鋒，李應(yīng)曉

（1.上海海洋工程裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，上海 201306；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引 言

我國(guó)海域遼闊，蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，特別是南海深遠(yuǎn)海，具有廣闊的勘探開(kāi)發(fā)空間［1］。隨著海上油氣田開(kāi)發(fā)向深水邁進(jìn)，工程設(shè)施的規(guī)模不斷增大，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也越來(lái)越多。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)具有水深適應(yīng)性廣、上部設(shè)施承載能力大且船體可儲(chǔ)存凝析油等特點(diǎn)，在我國(guó)南海深水油氣開(kāi)發(fā)中具有良好的應(yīng)用前景。而大型半潛式生產(chǎn)平臺(tái)建造中上部組塊與船體的合攏方式選擇是平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，平臺(tái)合攏方式的優(yōu)化，對(duì)于項(xiàng)目的工程建設(shè)進(jìn)度和油氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性都具有重要影響。

國(guó)內(nèi)多數(shù)船廠(chǎng)對(duì)平臺(tái)上部模塊與船體的合攏常采用塢內(nèi)搭載法，一般通過(guò)龍門(mén)吊在干船塢分塊吊裝。國(guó)內(nèi)唯一具有整體吊裝合攏能力的廠(chǎng)家是中集來(lái)福士，該公司擁有全球起重能力最大的2萬(wàn)噸橋式起重機(jī)“泰山”吊，可以一次性完成半潛式平臺(tái)的整體合攏。

在國(guó)外，韓國(guó)和新加坡船廠(chǎng)半潛平臺(tái)的制造能力和施工裝備可代表世界領(lǐng)先水平，世界上規(guī)模較大的半潛式平臺(tái)多數(shù)在這2個(gè)國(guó)家建造完成，例如韓國(guó)先進(jìn)船廠(chǎng)搭載前最大總段重量已突破萬(wàn)噸［2］，下面是幾個(gè)典型的合攏案例。

韓國(guó)大宇船2002年建造的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)Thunder Horse，在船塢內(nèi)組裝下船體，再用浮吊合攏上部模塊；2014建造的CATD系列半潛式平臺(tái)則是在船臺(tái)上組裝主體結(jié)構(gòu)，下水后用浮吊完成剩余上部模塊的組裝。

韓國(guó)三星重工2011年采用浮托法完成俄羅斯天然氣集團(tuán)2座超深水半潛式平臺(tái)的大合攏，先用半潛船將下船體運(yùn)到錨地并下潛定位，再通過(guò)浮托方式完成上下船體大合攏；而2015年三星重工為澳大利亞Ichthys大氣田建造的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，在浮船塢上組裝，然后用浮吊進(jìn)行上部組塊合攏。

新加坡吉寶船廠(chǎng)擁有5 500 t的浮吊，現(xiàn)可以用浮吊進(jìn)行5 000 t左右的大模塊吊裝合攏，而吉寶為巴油建造的3座大型半潛式生產(chǎn)平臺(tái)則采用浮托法完成上下船體合攏。

從國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)家建造半潛式平臺(tái)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以看出，平臺(tái)合攏的方式多種多樣，甚至同一廠(chǎng)家在不同時(shí)期或針對(duì)不同的項(xiàng)目也可能采用不同的合攏方式。其中平臺(tái)的分塊組裝（國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)常稱(chēng)為“搭載”）為半潛式平臺(tái)建造中最為常用的施工方式［3］，其特點(diǎn)是施工技術(shù)成熟，施工方式簡(jiǎn)單，對(duì)施工場(chǎng)地和機(jī)具資源要求不高，一般將船體和組塊預(yù)制成若干組分塊，然后通過(guò)龍門(mén)吊在干船塢內(nèi)依次組裝完成下船體，最后將上部組塊分塊吊裝到船體頂部完成整體組裝。但是，受施工資源限制，組塊需要根據(jù)攏門(mén)吊的能力分成若干小塊，分塊越多，平臺(tái)組裝工作量越大，大量連接調(diào)試工作無(wú)法在合攏前完成，合攏后的連接調(diào)試工作量大，高空作業(yè)比較多，平臺(tái)的建造工期也比較長(zhǎng)［4］。隨著技術(shù)進(jìn)步和施工裝備能力提升，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊與船體組裝的總體趨勢(shì)是向著整體合攏發(fā)展的。因此，本文主要對(duì)整體合攏方案進(jìn)行探討。

平臺(tái)整體式合攏可最大限度地減少連接和調(diào)試工作量，也能顯著降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。整體式合攏可包括平臺(tái)組塊整體吊裝、整體頂升和整體浮托等各種施工方式。下面就對(duì)這幾種典型的整體合攏方式的主要特點(diǎn)、適用范圍以及重點(diǎn)關(guān)注因素進(jìn)行探討。

1 整體吊裝合攏方案研究

大型半潛式平臺(tái)的上部模塊一般在萬(wàn)噸以上，超大型半潛式平臺(tái)的上部設(shè)施可達(dá)數(shù)萬(wàn)噸，常規(guī)的龍門(mén)吊、岸吊、浮吊都不可能實(shí)現(xiàn)整體式吊裝。而像“泰山”吊那樣的大型吊機(jī)正可發(fā)揮其整體吊裝的優(yōu)勢(shì)，下面就“泰山”吊相關(guān)技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用業(yè)績(jī)、整體合攏工序以及合攏中重點(diǎn)關(guān)注因素進(jìn)行如下探討。

1.1 “泰山”吊主要技術(shù)參數(shù)分析

“泰山”吊總體高度為118 m，主梁跨度為125 m，采用高低雙梁結(jié)構(gòu)，單梁起重能力為10 000 t，高梁起吊高度為113 m，低梁起吊高度為83 m，兩組梁跨距為35.5～49.5 m，其中低梁滑移距離為±7 m。該大吊共有12組卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)，其中單組機(jī)構(gòu)起重量為1 680 t［5-6］。

從上述技術(shù)參數(shù)可看出，“泰山”吊的起吊能力處于國(guó)際領(lǐng)先水平。使用“泰山”吊進(jìn)行半潛式平臺(tái)合攏，具有起吊重量大、塢內(nèi)合攏期間水面波動(dòng)小、操作平穩(wěn)、多吊點(diǎn)受力分布均勻、對(duì)上部模塊吊裝結(jié)構(gòu)無(wú)需復(fù)雜的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)［6］。

選擇整體吊裝方案，除了分析“泰山”吊和大塢的技術(shù)參數(shù)外，相關(guān)應(yīng)用業(yè)績(jī)也是支持其技術(shù)成熟度的重要依據(jù)。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，“泰山”吊具有20多項(xiàng)大型吊裝作業(yè)的業(yè)績(jī)，其中最大吊裝重量記錄為18 747 t，超過(guò)陵水17-2半潛式平臺(tái)上部組塊吊裝不可超越重量16 535 t［3］。

1.2 半潛式平臺(tái)整體合攏工序

根據(jù)半潛式平臺(tái)具體項(xiàng)目選擇的施工資源情況，船體和組塊的預(yù)制可具有不同的方式，如塢內(nèi)預(yù)制、碼頭滑道預(yù)制等，本文重點(diǎn)關(guān)注船體和組塊預(yù)制完成后平臺(tái)整體合攏的流程，以中海油陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺(tái)為例，其整體合攏流程如圖1所示。

圖1 中海油陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺(tái)整體合攏流程Fig.1 Flowchart for integration of semisubmersible production platforms

對(duì)于陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，平臺(tái)船體、組塊預(yù)制和整體合攏分別在青島（場(chǎng)地A）和煙臺(tái)（場(chǎng)地B）兩地完成。在合攏之前，半潛式平臺(tái)的船體和組塊分別在青島海工場(chǎng)地完成預(yù)制工作，對(duì)船體部分，采用“新光華”號(hào)大型半潛駁船運(yùn)輸，歷經(jīng)“滑移裝船”—“從青島到煙臺(tái)的拖航”—“煙臺(tái)港灣浮卸”—“靠泊碼頭”等工序具備合攏條件；對(duì)于平臺(tái)組塊部分，類(lèi)似地在預(yù)制場(chǎng)滑道完成整體預(yù)制，采用“海洋石油229”運(yùn)輸，依次通過(guò)“滑移裝船”—“從青島到煙臺(tái)的拖航”—“錨地接拖”—“進(jìn)大塢”等工序。在合攏的關(guān)鍵階段，隨著“泰山”吊掛鉤整體吊起平臺(tái)上部組塊，平臺(tái)船體以濕拖方式被拖進(jìn)大塢內(nèi)，通過(guò)臨時(shí)定位裝置以及系泊系統(tǒng)將船體定位，同時(shí)關(guān)閉塢門(mén)。經(jīng)精確定位，下放平臺(tái)組塊，即完成平臺(tái)的整體合攏。完成焊接后，打開(kāi)塢門(mén)，在高潮水位時(shí)將合攏后平臺(tái)整體拖出［6］。中海油陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺(tái)整體吊裝合攏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺(tái)整體吊裝合攏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)Fig.2 Integrated lifting for LS17-2 semi-submersible production platform

1.3 陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺(tái)合攏效果分析

陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺(tái)是10萬(wàn)噸級(jí)排水量的半潛式平臺(tái)，也是世界上首個(gè)具有萬(wàn)噸級(jí)儲(chǔ)油能力的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)由上部組塊和下船體組成。該平臺(tái)上部組塊包括各種生產(chǎn)處理、公用和生活設(shè)施，平臺(tái)下船體立柱內(nèi)包含凝析油艙、壓載艙等儲(chǔ)存艙室［2-3］。

該平臺(tái)成功采用整體吊裝合攏，保證組塊和船體可以在陸地上同期建造，且在合攏前具備較好的完工狀態(tài)，除部分干涉設(shè)備需要在平臺(tái)出塢后吊裝外，大部分平臺(tái)設(shè)備的連接調(diào)試都可以在陸地完成，與分塊吊裝相比，整體吊裝合攏顯著節(jié)省了平臺(tái)建造工期，為陵水17-2深水氣田的提前投產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。

1.4 整體吊裝合攏關(guān)注因素分析

“泰山”吊巨大的起吊能力和良好的應(yīng)用業(yè)績(jī)?yōu)檫x擇半潛式平臺(tái)的整體吊裝方案提供了重要的基礎(chǔ)條件，但在具體項(xiàng)目方案選擇階段，還需綜合考慮各種因素，重點(diǎn)關(guān)注如下因素：

（1）船塢條件的適應(yīng)性。

由于整體吊裝作業(yè)在船塢內(nèi)進(jìn)行，需要對(duì)船塢尺度、水深、潮位和塢底承載能力等進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)核。

（2）上部設(shè)備的干涉問(wèn)題。

由于在整體吊裝時(shí)眾多的吊繩限制了上部設(shè)施的輪廓尺度，平臺(tái)組塊上部不能像浮托法或頂升法那樣處于開(kāi)發(fā)空間中，部分設(shè)備干涉是難以避免的，在吊裝方案設(shè)計(jì)中，需要事先確認(rèn)干涉設(shè)備的數(shù)量，并相應(yīng)考慮后續(xù)作業(yè)。

（3）單一施工資源問(wèn)題。

充分考慮“泰山”吊施工資源的唯一性，結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)度和投產(chǎn)需求，事先考慮與施工資源檔期的匹配，并盡早鎖定施工資源。

2 整體頂升合攏方案研究

整體頂升合攏方式是保證平臺(tái)組裝整體性的有效手段。整體頂升方案也稱(chēng)為頂升-滑移方案，其工作原理是采用液壓專(zhuān)用設(shè)備將組塊頂起，在上部組塊和船體頂部之間架設(shè)滑道，然后通過(guò)液壓推動(dòng)將組塊滑移到船體頂部［4］。該方案既可應(yīng)用到半潛式平臺(tái)的合攏，也可應(yīng)用到張力腿平臺(tái)的合攏［7］。SHELL公司在馬來(lái)西亞完成的Malikai張力腿平臺(tái)頂升合攏案例如圖3所示。

圖3 Malikai張力腿平臺(tái)頂升合攏Fig.3 Jack-up and skidding method for Malikai Tension Leg Platform（TLP）Integration

2.1 整體頂升施工資源和業(yè)績(jī)分析

相比整體吊裝方案，整體頂升需要依靠國(guó)外專(zhuān)用的頂升設(shè)備。目前世界上只有少數(shù)幾家公司具備頂升合攏的設(shè)備和能力，比較典型的如ALE公司及FAGIOLI公司。ALE完成的SHELL公司的Malikai張力腿平臺(tái)上部組塊重量為14 000 t，頂升高度為42 m，為目前世界上頂升最高的組塊。此外，該公司完成的EXXONMOBIL公司的Arkutun Dagi平臺(tái)上部組塊重量為42 780 t，頂升高度為17 m，為目前世界上頂升重量最重的組塊。

2.2 整體頂升合攏關(guān)注因素分析

在研究大型平臺(tái)頂升合攏方案對(duì)具體項(xiàng)目的適用性時(shí)，除關(guān)注施工資源對(duì)國(guó)外裝備的依賴(lài)性外，還需要考慮下述因素：

（1）頂升作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

在頂升作業(yè)中，隨著頂升重量和高度的增加，潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加，如陵水半潛式平臺(tái)上部組塊需要頂升70多米的高度，比目前類(lèi)似項(xiàng)目的世界紀(jì)錄還高出30多米，意味著頂升作業(yè)的挑戰(zhàn)性更大，對(duì)場(chǎng)地風(fēng)速等環(huán)境因素的要求也更為苛刻。

（2）場(chǎng)地滑道承載力問(wèn)題。

通常較大的平臺(tái)預(yù)制場(chǎng)地滑道承載能力可滿(mǎn)足3萬(wàn)噸級(jí)的導(dǎo)管架和組塊滑移的要求，但類(lèi)似陵水17-2半潛式平臺(tái)的規(guī)模，整體組裝后重達(dá)50 000多噸，這超過(guò)了多數(shù)場(chǎng)地滑道的承載能力，滑道的加強(qiáng)改造工作量需予以充分關(guān)注。

（3）半潛式運(yùn)輸船改造問(wèn)題。

半潛式平臺(tái)在碼頭整體組裝后，裝船和浮卸對(duì)于半潛式運(yùn)輸船也是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對(duì)于具有10萬(wàn)噸級(jí)能力的“新光華”號(hào)，仍難滿(mǎn)足大型半潛式平臺(tái)的整體裝船和浮卸要求，其改造工作量對(duì)項(xiàng)目工期和費(fèi)用也是重點(diǎn)關(guān)注的因素。

3 整體浮托合攏方案研究

與整體吊裝合攏相比，半潛式平臺(tái)的浮托法合攏可以更完整地實(shí)現(xiàn)上部組塊的整體預(yù)制，基本上不存在上部設(shè)施與施工設(shè)備的干涉和合攏后船塢外吊裝問(wèn)題。

3.1 浮托法的技術(shù)特點(diǎn)

半潛式平臺(tái)浮托合攏的機(jī)理與導(dǎo)管架平臺(tái)組塊浮托類(lèi)似。浮托法是將載有平臺(tái)上部組塊的駁船駛?cè)肫脚_(tái)下部結(jié)構(gòu)的槽口內(nèi)，依靠駁船調(diào)載（低位浮托）或拉力千斤頂（高位浮托）將上部組塊整體轉(zhuǎn)移到下部結(jié)構(gòu)的頂部。主要區(qū)別是導(dǎo)管架浮托在海上油氣田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，而半潛式平臺(tái)一般選擇避風(fēng)港灣進(jìn)行，與北?；炷疗脚_(tái)灣內(nèi)的合攏機(jī)理類(lèi)似，如圖4所示。浮托法作業(yè)具有舉升能力大、適用范圍廣、節(jié)省海上安裝時(shí)間等特點(diǎn)。

圖4 浮托法平臺(tái)整體合攏Fig.4 Float-over installation for platform integration

3.2 整體浮托合攏關(guān)注因素分析

在研究浮托法對(duì)半潛式平臺(tái)合攏的適應(yīng)性時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下因素：

（1）施工海域是否具備平緩的海洋環(huán)境條件，應(yīng)具備50%以上概率的氣候窗。

（2）是否具有足夠的深水港灣條件，半潛式生產(chǎn)平臺(tái)不宜在外海浮托安裝。

（3）半潛式平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)形式是否滿(mǎn)足浮托進(jìn)船槽口和支撐要求。

（4）需要在平臺(tái)下船體布置適合浮托作業(yè)的臨時(shí)系泊設(shè)施，以維持船體在浮托對(duì)接作業(yè)中的穩(wěn)定性。

（5）需在平臺(tái)上設(shè)置模塊支撐結(jié)構(gòu)和腿柱連接系統(tǒng)等施工設(shè)施。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析常規(guī)分塊吊裝合攏的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了平臺(tái)整體合攏的技術(shù)特點(diǎn)，包括方案的基本原理、關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用業(yè)績(jī)和對(duì)深水平臺(tái)項(xiàng)目的適應(yīng)性。通過(guò)上述分析，可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）分塊吊裝方案技術(shù)成熟，對(duì)施工資源要求門(mén)檻不高，廠(chǎng)家選擇面廣，但分塊吊裝完成后需要較長(zhǎng)的連接調(diào)試工期，適用于上部組塊規(guī)模不大的平臺(tái)，或?qū)ζ脚_(tái)建設(shè)工期要求不太緊迫的項(xiàng)目。

（2）整體吊裝方案具有節(jié)省連接調(diào)試時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，但2萬(wàn)噸級(jí)的大型吊機(jī)存在資源的唯一性，選擇該方案，應(yīng)提前鎖定施工資源以保證項(xiàng)目的檔期。

（3）整體頂升滑移安裝方案有可能實(shí)現(xiàn)比整體吊裝方案更完整的組塊預(yù)制，國(guó)外已有40 000多噸大型組塊整體頂升的成功案例，但對(duì)于頂升高度大且高空滑移距離較長(zhǎng)的平臺(tái)合攏，需要充分關(guān)注施工場(chǎng)地條件、環(huán)境條件帶來(lái)的局限性和潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)，并關(guān)注對(duì)國(guó)外施工資源的依賴(lài)性。

（4）浮托法安裝方案可充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)施工資源的優(yōu)勢(shì)，對(duì)大型半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的合攏具有良好的應(yīng)用前景，但需要事先落實(shí)施工海域，保證適宜的深水港灣條件，并在平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體布置中充分考慮相應(yīng)的施工要求。

（5）評(píng)判半潛式平臺(tái)整體合攏方案是否優(yōu)化，取決于多種因素的綜合考慮，除施工的直接費(fèi)用外，還應(yīng)考慮技術(shù)成熟程度、風(fēng)險(xiǎn)高低、工期長(zhǎng)短等。總體看來(lái)，整體吊裝、整體頂升滑移與整體浮托均為可行的工程方案，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有施工資源和技術(shù)水平，以技術(shù)成熟程度進(jìn)行排序，以整體吊裝最優(yōu)，然后分別是整體浮托和整體頂升；從工期分析，以整體浮托最優(yōu)，然后是整體頂升和整體吊裝；從風(fēng)險(xiǎn)水平分析，以整體吊裝最優(yōu)，然后是整體浮托和整體頂升。對(duì)于具體項(xiàng)目的方案選擇，應(yīng)根據(jù)半潛式平臺(tái)的特點(diǎn)統(tǒng)籌考慮各種因素綜合評(píng)價(jià)。

（6）對(duì)于陵水17-2這樣的深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)整體合攏，成熟技術(shù)、施工安全和項(xiàng)目工期是方案選擇中重點(diǎn)考慮的因素，方案篩選中綜合考慮了常規(guī)塢內(nèi)搭載、整體吊裝、頂升滑移和浮托法等方案對(duì)項(xiàng)目的適應(yīng)性。從項(xiàng)目工期要求出發(fā)，首先排除了常規(guī)的塢內(nèi)分塊搭載法，因?yàn)檫@種方案工期偏長(zhǎng)，影響深水氣田開(kāi)發(fā)的整體效益；對(duì)于整體浮托法，雖有較好的應(yīng)用前景，但基于當(dāng)時(shí)難以落實(shí)必要的深水港灣條件而未納入推薦，最后以整體吊裝為主推方案，整體頂升滑移為備選方案，整體吊裝合攏成功實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)證明：該推薦是非常合理的，在保證工期的同時(shí)，又充分利用了成熟的技術(shù)和國(guó)內(nèi)大型施工資源，同時(shí)最大限度地規(guī)避了項(xiàng)目實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)［8］。