基于液壓滑移合攏模式下的深水半潛式平臺(tái)建造分析研究

于 琦， 王 嘉， 嚴(yán) 翼

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266500)

0 引 言

浮式生產(chǎn)平臺(tái)主流有幾大種類(lèi)，包括船型或者圓筒形浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)、三柱式或者四柱式張力腿平臺(tái)(TLP)、單柱桁架式或者集束式浮式鉆井平臺(tái)(SPAR)，以及四柱式半潛式浮式生產(chǎn)平臺(tái)(SEMI)。其中，四柱式半潛式平臺(tái)以其甲板面積大、作業(yè)穩(wěn)定性好、操作靈活度高的特點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展成為中國(guó)南海深水油氣開(kāi)發(fā)中的一顆冉冉升起的明星產(chǎn)品[1-2]。陵水17-2深水半潛式平臺(tái)主要由浮箱及四柱式下船體和多層桁架式上模塊組成。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于上部模塊合攏方式有多種，如巨型橋吊合攏法、浮吊吊裝合攏法、提升塔架合攏法、塢內(nèi)連續(xù)搭載法、海上浮拖合攏法、頂升滑移合攏法[3]。本文以5萬(wàn)噸級(jí)半潛式平臺(tái)建造為例，通過(guò)幾種上模塊大合攏方式對(duì)比分析，以海工青島場(chǎng)地選取頂升滑移合攏模式進(jìn)行半潛式平臺(tái)建造分析研究，總結(jié)一套具有可行性的半潛式平臺(tái)建造方法。

1 半潛式生產(chǎn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本文以“深海一號(hào)”能源站建設(shè)工程的半潛式平臺(tái)為建造研究目標(biāo)。如圖1所示，該平臺(tái)下船體設(shè)計(jì)重量約為3.35萬(wàn)噸，船體為回字型浮箱加四柱式立柱構(gòu)成的浮體。上模塊重量約為1.95萬(wàn)噸，該模塊為典型梁板柱及斜撐構(gòu)建的平臺(tái)空間結(jié)構(gòu)。平臺(tái)的排水量為10 500 t，作業(yè)水深為1 500 m。

圖1 半潛式平臺(tái)三維示意圖Fig.1 3D schematic diagram of a semi-submersible platform

2 半潛式平臺(tái)上模塊合攏建造方法

下船體和上模塊建造通常會(huì)以大合攏能力作為重要依據(jù)，倒推船體和模塊建造方法。目前國(guó)際上半潛式平臺(tái)建造經(jīng)驗(yàn)豐富的海洋工程企業(yè)主要分布在歐美、韓國(guó)、新加坡、中國(guó)?，F(xiàn)就各大船廠不同鉆井平臺(tái)合攏工藝進(jìn)行概要介紹。

2.1 巨型橋吊合攏法

提起巨型橋吊合攏法，實(shí)施該合攏方式的建造場(chǎng)地應(yīng)具備大型龍門(mén)吊，如煙臺(tái)來(lái)福士2萬(wàn)噸泰山吊。如圖2所示，巨型橋吊漂浮合攏流程簡(jiǎn)介如下。

圖2 巨型橋吊漂浮合攏流程圖Fig.2 Flowchart of closure of a giant bridge crane semi-submersible platform

(1) 開(kāi)塢門(mén)將具備完工條件的上模塊通過(guò)半潛駁船運(yùn)輸?shù)酱瑝]內(nèi)。

(2) 如圖3所示，經(jīng)試吊后，泰山吊將上模塊在船塢內(nèi)整體吊裝抬高到預(yù)定高度。

圖3 上模塊泰山吊吊裝圖Fig.3 Installation of upper module by Taishan crane

(3) 通過(guò)拖輪將船體濕拖入船塢。

(4) 通過(guò)船塢絞車(chē)將下船體系泊固定到上模塊下方指定位置[4]。

(5) 泰山吊吊裝上模塊緩慢下落，上模塊立柱插尖精準(zhǔn)落入下船體對(duì)應(yīng)立柱內(nèi)。

(6) 焊接固定完成大合攏后，平臺(tái)出塢并碼頭靠泊。

2.2 浮吊吊裝合攏法

浮吊吊裝合攏法的運(yùn)行原理與超大龍門(mén)吊相似，也是合攏平臺(tái)上模塊的一種吊裝方法。2002年，韓國(guó)大宇造船廠承攬了美國(guó)墨西哥灣Thunder Horse大型半潛式浮式平臺(tái)，該平臺(tái)采用了船塢建造總裝下船體、浮吊吊裝上模塊的方式。半潛式平臺(tái)上模塊利用浮吊大合攏施工過(guò)程如下：

(1) Thunder Horse半潛式平臺(tái)下船體在船塢內(nèi)建造總裝，根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式同時(shí)布置多組頂升塔架。

(2) 結(jié)合浮吊起重能力，在保證總體舾裝率的情況下，上模塊分成幾個(gè)總段同時(shí)開(kāi)工建造。

(3) 如圖4所示，下船體建造完工后，根據(jù)上模塊總段合攏順序，在碼頭附近利用大型浮吊起吊總段落于船體立柱與頂升塔架上定位焊接。

(4) 繼續(xù)吊裝剩余上模塊總段，完成合攏定位，全部吊裝結(jié)束后通過(guò)現(xiàn)代精控方法整體測(cè)量保證半潛式平臺(tái)總體建造精度滿足規(guī)格書(shū)尺寸控制要求，大合攏結(jié)束。

圖4 上模塊浮吊吊裝圖Fig.4 Installation of upper module by floating crane

2.3 提升塔架合攏法

提升塔架合攏法也是在國(guó)外船廠有成熟案例，國(guó)內(nèi)中遠(yuǎn)船務(wù)也曾使用該模式。2010年5月，南通中遠(yuǎn)船務(wù)利用提升塔架方式順利了完成了GM4000半潛式平臺(tái)交付。平臺(tái)服役于挪威北海油田，最大作業(yè)水深達(dá)到3 000 m，平臺(tái)自重2.3萬(wàn)噸，其中上模塊重量達(dá)到9 000 t。提升塔架合攏法建造大合攏施工過(guò)程如下：

(1) 在上模塊總段兩側(cè)外邊緣跨越層高焊接規(guī)定多組吊梁結(jié)構(gòu)，在上模塊總段兩側(cè)指定位置建造安裝多組提升塔架，塔架用于支撐吊梁結(jié)構(gòu)，如平臺(tái)模塊下布置4個(gè)提升塔架，平臺(tái)模塊兩側(cè)布置4個(gè)提升塔架[5]。

(2) 通過(guò)力學(xué)計(jì)算分析，在提升塔架上布置足夠承載力的多組液壓提升油缸，并將提升油缸底部錨固到吊梁上，千斤頂配置如下： 以某品牌650 t和450 t液壓設(shè)備為例，外提升塔架上布置4組650 t液壓設(shè)備，內(nèi)提升塔架上布置4組450 t液壓設(shè)備，上模塊重量約為9 000 t，液壓頂升的利用率約為9 000/(650×16+450×16)=51.13%。

(3) 通過(guò)提升油缸輸出動(dòng)力將上模塊提升到指定高度，并通過(guò)臨時(shí)立柱結(jié)構(gòu)輔助支撐平臺(tái)上模塊總段。

(4) 在船塢內(nèi)上模塊與提升塔架平行方向上布置下船體滑移用軌道，二次液壓提升上模塊到指定高度，撤掉臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，將下船體滑移就位到上模塊的下方。

(5) 如圖5所示，在三維精度控制手段輔助下，緩慢釋放并微調(diào)上模塊就位與下船體指定位置并焊接固定，完成提升塔架大合攏作業(yè)。

圖5 上模塊提升塔架合攏圖Fig.5 Integration of upper module lifting tower

2.4 塢內(nèi)連續(xù)搭載法

塢內(nèi)連續(xù)搭載法在船舶業(yè)界稱(chēng)為“搭積木建造法”，這是比較傳統(tǒng)的船舶建造方法。在船塢附近裝焊平臺(tái)以及分段制作工廠內(nèi)進(jìn)行分段制作，最大化提升殼舾涂一體化程度后，各個(gè)分段劃分大小也不盡相同，原則上盡量減少分段數(shù)量的同時(shí)提高預(yù)安裝水平。目前國(guó)內(nèi)起重能力最大的龍門(mén)吊坐落于江南造船廠，起重能力達(dá)到1 600 t。上海外高橋承攬的3 000 m深水半潛式平臺(tái)“海洋石油981”即采用了內(nèi)連續(xù)搭載模式完成平臺(tái)建造合攏。

通過(guò)船體總段船塢建造，并根據(jù)船廠龍門(mén)吊能力將上模塊分成多個(gè)分段吊裝上模塊與船體合攏對(duì)位，完成平臺(tái)建造。

提升塔架合攏法，建造大合攏施工過(guò)程如下：

(1) 下船體浮箱和立柱劃分成多個(gè)分段建造。

(2) 下船體分段建造連續(xù)搭載封頂完工備用。

(3) 上模塊劃分成多個(gè)分段建造，通過(guò)龍門(mén)吊根據(jù)合攏順序分別與下船體搭載合攏。

(4) 如圖6所示，完成全部上模塊分段搭載作業(yè)，最終完成平臺(tái)整體建造合攏。

圖6 上模塊連續(xù)搭載合攏圖Fig.6 Integration of continuous loading of upper module

2.5 海上浮拖合攏法

海上浮拖合攏法，即通過(guò)半潛駁船將平臺(tái)的下船體運(yùn)輸?shù)藉^地下沉，再將平臺(tái)上模塊也通過(guò)駁船運(yùn)輸?shù)藉^地指定位置，通過(guò)駁船壓載下沉將上模塊LMU與下船體插尖對(duì)齊，逐步轉(zhuǎn)移模塊荷載，最終焊接固定完成平臺(tái)合攏。該合攏方法不需要使用大型半潛駁船，適用不具備大型起重設(shè)備的船廠或者上模塊重量比較大工期短不允許連續(xù)搭載的施工建造情況。如圖7所示，韓國(guó)三星集團(tuán)利用浮拖法完成了2艘半潛式平臺(tái)上模塊合攏作業(yè)。

圖7 上模塊海上浮拖合攏圖Fig.7 Integration of offshore floating towing of upper module

2.6 液壓頂升滑移合攏法

如圖8所示，液壓頂升滑移合攏法是通過(guò)大型液壓裝備對(duì)平臺(tái)上模塊進(jìn)行頂升，然后建立空中滑移通道，將上模塊滑移到下船體就位位置后下降，完成對(duì)接大合攏。馬來(lái)西亞船廠為殼牌公司建造了一艘半潛式平臺(tái)，即利用該合攏方式完成平臺(tái)大合攏建造。

圖8 上模塊頂升滑移合攏圖Fig.8 Integration of lifting sliding of upper module

3 基于海油工程青島場(chǎng)地的平臺(tái)建造合攏方法對(duì)比

以2萬(wàn)噸半潛平臺(tái)上模塊和3.3萬(wàn)噸半潛平臺(tái)船體合攏為例，對(duì)比上述6種合攏方法在海油工程青島場(chǎng)地建造合攏的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

巨型橋吊合攏法，即平臺(tái)建造和合攏需要2個(gè)場(chǎng)地完成，有利于模塊建造完整性，建造合攏工期短，合攏費(fèi)用比海上作業(yè)以及其他液壓設(shè)備合攏方法低。該合攏的必要條件是需要與具備大型吊機(jī)的船廠協(xié)商談判確定船塢總裝作業(yè)空擋周期，平臺(tái)上模塊和下船體需要預(yù)定運(yùn)輸駁船，分兩次運(yùn)輸?shù)絽f(xié)作單位，該合攏方法可作為備選項(xiàng)。

浮吊吊裝合攏法，即平臺(tái)建造和合攏能夠在青島場(chǎng)地完成，但上模塊需分為2個(gè)萬(wàn)噸級(jí)小平臺(tái)，缺點(diǎn)是需要預(yù)定超大型浮吊資源，浮吊資源本身較為緊缺，租賃費(fèi)用高。在合攏實(shí)施過(guò)程中，對(duì)于碼頭岸線水深也有一定要求，浮吊起升能力、起升高度、吊臂長(zhǎng)度都是計(jì)算校核的重點(diǎn)，受到浮吊起重能力限制。

提升塔架合攏法，即借助塔架工裝，利用液壓設(shè)備提供動(dòng)力完成平臺(tái)提升的對(duì)位合攏，可在青島場(chǎng)地完成，建造合攏周期短，合攏風(fēng)險(xiǎn)適中。提升塔架法需要使用多組提升塔架，工裝制作、安裝及拆除費(fèi)用高。目前，半潛平臺(tái)尚不具備批量建造條件，塔架也不能重復(fù)利用。綜上所述，提升塔架合攏法不作為備選項(xiàng)。

塢內(nèi)連續(xù)搭載法，即利用船廠船塢平臺(tái)配備的龍門(mén)吊起重能力，可在青島場(chǎng)地完成，上模塊不能整體預(yù)制，合攏風(fēng)險(xiǎn)小。對(duì)于青島建造場(chǎng)地，當(dāng)前船塢平臺(tái)僅配備一臺(tái)800 t龍門(mén)吊，且分段建造吊裝均需使用，分段過(guò)多對(duì)于采用塢內(nèi)連續(xù)搭載法平臺(tái)建造工期會(huì)較長(zhǎng)，平臺(tái)多專(zhuān)業(yè)建造完善情況相比整體建造會(huì)下降較多。綜上所述，塢內(nèi)連續(xù)搭載法不作為備選項(xiàng)。

海上浮拖合攏法，目前國(guó)際上采用該合攏方式的船廠比較少，該合攏方法的缺點(diǎn)有許多，海上作業(yè)氣候環(huán)境復(fù)雜多變，合攏安全性比陸地差，如在錨地合攏海上拖船運(yùn)輸路線長(zhǎng)，拖輪和半潛駁船租賃時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于陸地不具備合攏條件的船廠，海上浮拖能夠較好完成合攏任務(wù)，海洋平臺(tái)模塊和導(dǎo)管架安裝采用浮拖法應(yīng)用也較為成熟，安全性有保證[6]。本著以能在陸地完成的工作不拖到海上作業(yè)的原則，該海上浮拖合攏法也不作為備選項(xiàng)。

頂升滑移合攏法，隨著科技不斷更新迭代，液壓設(shè)備也有了長(zhǎng)足進(jìn)步發(fā)展。國(guó)際上主流的液壓設(shè)備有英格蘭ALE公司、荷蘭Mammoet公司等[7-8]。ALE公司與青島公司在陵水17-2項(xiàng)目半潛式平臺(tái)3萬(wàn)噸級(jí)船體液壓滑移裝船有過(guò)合作基礎(chǔ)。液壓設(shè)備頂升滑移的特點(diǎn)需要租賃整套頂升裝備，包括成套的頂升工裝，無(wú)須自制，當(dāng)然也存在需要公司自制的一些配套工裝，如頂升支撐和高空滑移通道工裝，相對(duì)于提升塔架法，頂升滑移合攏法能夠在頂升工裝制作和安拆方面節(jié)省人工和材料。在平臺(tái)合攏風(fēng)險(xiǎn)中，應(yīng)注意頂升高度大于60 m以上的抗風(fēng)能力。綜上所述，該頂升滑移合攏法可作為備選項(xiàng)。

總結(jié)上述6種平臺(tái)合攏方法(見(jiàn)表1)，巨型橋吊合攏法和頂升滑移合攏法都是比較可行的，“深海一號(hào)”能源站的上部模塊接近2萬(wàn)噸，工程實(shí)踐采用了泰山吊合攏。因此本文擬繼續(xù)開(kāi)展基于液壓頂升滑移合攏模式，對(duì)海油工程青島場(chǎng)地半潛式平臺(tái)建造合攏實(shí)施要點(diǎn)的分析研究。

表1 基于海油工程青島場(chǎng)地的平臺(tái)合攏方法對(duì)比Tab.1 Comparison of platform integration methods based on Qingdao site of CNOOC

4 半潛式平臺(tái)滑道建造合攏與船塢建造合攏實(shí)施技術(shù)可行性分析研究

4.1 半潛式平臺(tái)滑道建造合攏流程

從前文半潛式平臺(tái)合攏方案對(duì)比分析來(lái)看，上模塊和下船體在某些船廠存在不同建造工廠預(yù)制后，運(yùn)輸回總裝場(chǎng)地合攏的實(shí)施策略，這也比較符合現(xiàn)代模塊化造船理念，既可以加快建造工期也能夠聯(lián)合利用其他船廠資源。本文擬定船體和模塊都在青島場(chǎng)地建造及合攏，開(kāi)展基于液壓滑移合攏模式對(duì)深水半潛式平臺(tái)建造的分析研究。圖9為液壓滑移合攏模式的流程圖。

圖9 液壓滑移合攏模式的流程圖Fig.9 Flowchart of integration of hydraulic sliding

第一步： 如圖10所示，進(jìn)行滑道準(zhǔn)備，滑道總裝場(chǎng)地的地基承載力應(yīng)達(dá)到半潛式平臺(tái)船體、組塊以及上部模塊滑移區(qū)域的地基承載力要求，對(duì)于局部地基承載力不足的總裝區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)改造，相應(yīng)承載區(qū)域應(yīng)經(jīng)過(guò)承載力復(fù)驗(yàn)。

圖10 液壓滑移裝船平臺(tái)船體及模塊場(chǎng)地布置圖Fig.10 Layout of hull and module of hydraulic sliding shipping platform

第二步： 如圖11所示，下船體在滑道總裝區(qū)域建造完工，在下船體浮筒內(nèi)側(cè)布置6組固定支撐并在其頂部安裝液壓滑移用軌道梁。應(yīng)確保在總裝場(chǎng)地的固定支撐下塔架基礎(chǔ)點(diǎn)承載力滿足要求。

第三步： 如圖12所示，上模塊在滑道總裝區(qū)域建造完工，通過(guò)液壓設(shè)備低位滑移的方式將模塊滑移至指定位置。如圖13所示，對(duì)上部模塊進(jìn)行頂升，需要頂升高度為70 m。

圖11 液壓滑移固定框架示意圖Fig.11 Schematic diagram of fixed frame of hydraulic sliding

圖12 液壓頂升支撐布置示意圖Fig.12 Layout of hydraulic jacking support

第四步： 如圖13所示，在上部模塊頂升到70 m后，在2組頂升支撐框架頂部之間的滑移軌道處，安裝高位滑移架橋用的跨接梁(linkbeam)，完成滑移大合攏。

4.2 半潛式平臺(tái)滑道建造液壓滑移合攏實(shí)施要點(diǎn)分析

(1) 滑道總裝場(chǎng)地的地基承載力達(dá)到半潛式平臺(tái)建造及合攏要求，青島公司五號(hào)滑道總裝場(chǎng)地已經(jīng)過(guò)地基改造，可以滿足要求，對(duì)于局部滑移區(qū)域也需要進(jìn)行必要的地基改造，并完成地基承載力平臺(tái)驗(yàn)證。

(2) 滑道總裝吊裝設(shè)備資源投入達(dá)到半潛式平臺(tái)建造及合攏要求，該區(qū)域已經(jīng)具備風(fēng)水氣電施工保障條件，但沒(méi)有配備大型龍門(mén)吊資源，常規(guī)模塊建造通常使用公司現(xiàn)有履帶吊。建造場(chǎng)地履帶吊數(shù)量和能力對(duì)平臺(tái)分段有限制，對(duì)于底部下船體可考慮使用公司現(xiàn)有SPMT車(chē)輛合攏或者使用三維調(diào)整機(jī)合攏，對(duì)其他標(biāo)高分段劃分尺寸和重量，資源不足時(shí)建議租賃或購(gòu)置大型起重機(jī)設(shè)備。

(3) 船體和上模塊滑道建造以及上模塊大合攏建造的滑道場(chǎng)地布置要滿足建造要求，既要考慮總裝階段的總裝墊墩以及部分液壓頂升用工裝設(shè)計(jì)與布置，也要在明確后續(xù)使用大型吊機(jī)資源情況下事先預(yù)留出足夠行車(chē)通道和吊裝作業(yè)區(qū)域，避免吊機(jī)施展不開(kāi)的情況。

(4) 半潛式平臺(tái)在滑道建造合攏后的液壓滑移裝船屬于建造關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，應(yīng)注意作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制和方案論證。深水碼頭能力也是海洋工程建造場(chǎng)地設(shè)施能力的重要體現(xiàn)。由于平臺(tái)大合攏后重量已經(jīng)超過(guò)5萬(wàn)噸，臨時(shí)系泊期間吃水深度需要計(jì)算確定?，F(xiàn)有五號(hào)滑道前沿碼頭水深不足應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)評(píng)估并清淤處理，如有必要也應(yīng)考慮傾斜試驗(yàn)要求。因平臺(tái)傾斜試驗(yàn)水深要求會(huì)更高，如碼頭確不具備條件，該作業(yè)項(xiàng)也可協(xié)調(diào)在指定海域完成。

圖13 液壓滑移合攏示意圖(單位mm)Fig.13 Schematic diagram of integration of hydraulic sliding

5 結(jié) 語(yǔ)

世界各大船廠對(duì)于半潛式平臺(tái)上模塊大合攏施工采取了多種不同的建造合攏方法，本文對(duì)6種大合攏方式的經(jīng)典建造案例及其合攏工藝順序進(jìn)行概要描述。結(jié)合海油工程青島場(chǎng)地實(shí)際建造能力，本文對(duì)上述合攏方式進(jìn)行了選型分析，選型分析結(jié)果為巨型橋吊合攏法和頂升滑移合攏法為優(yōu)選項(xiàng)。本文進(jìn)一步基于液壓頂升滑移合攏模式下，對(duì)深水平臺(tái)在滑道建造合攏進(jìn)行了可行性分析，并對(duì)所需資源以及施工要點(diǎn)加以描述，半潛式平臺(tái)建造合攏在青島場(chǎng)地的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)具備初步的技術(shù)可行性。