深水半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊陸地安裝技術(shù)研究

張 偉

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 南京 211100)

0 引言

海洋平臺由下浮體和上部模塊組成。上部模塊是海洋平臺一個非常重要的組成部分，布置了油氣處理、電站動力、生活樓等大型模塊。與下浮體相比，上部模塊的構(gòu)成較為復雜，對于海洋平臺的施工與管理造成一定影響[1]。上部模塊是海洋平臺作業(yè)的核心部位，因此對其建造以及安裝方案進行研究具有重大工程意義。本文以一深水半潛式生產(chǎn)平臺為例，結(jié)合國內(nèi)某大型船廠現(xiàn)有硬件設(shè)施條件，對該平臺上部模塊的陸地安裝技術(shù)進行了研究。

1 平臺概述

目標半潛式生產(chǎn)平臺由下浮體和立柱(以下簡稱“下部結(jié)構(gòu)”)以及上部模塊組成。下部結(jié)構(gòu)包括環(huán)形下浮體、立柱，環(huán)形下浮體為整個生產(chǎn)平臺提供浮力，并調(diào)節(jié)各種工況下的吃水；立柱承上啟下，內(nèi)部通道很多，結(jié)構(gòu)復雜。上部模塊采用框架式結(jié)構(gòu)，主甲板上布置了油氣處理、電站動力、生活樓等大型模塊。

上部模塊(包括：主體框架和其他次要結(jié)構(gòu)、主甲板以上的獨立模塊結(jié)構(gòu)以及所有固定設(shè)備、管線等)的質(zhì)量約32 000 t。半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊主體結(jié)構(gòu)采用主甲板(Main Deck)與下沉甲板(Cellar Deck)之間的桁架式框架結(jié)構(gòu)。該框架結(jié)構(gòu)包括由方鋼連接而成的位于主甲板與下沉甲板高度的兩個平面框架，以及由支柱與斜撐組成的若干橫向和縱向框架。主體結(jié)構(gòu)框架以外，根據(jù)模塊布置需要在橫向和縱向擴展延伸出懸臂結(jié)構(gòu)，同時部分生產(chǎn)工藝模塊、動力共用模塊以及生活模塊作為獨立的模塊結(jié)構(gòu)坐落于主體框架結(jié)構(gòu)的主甲板面以上。

2 上部模塊塢內(nèi)安裝方案

對于目標半潛式生產(chǎn)平臺，由于上部模塊的質(zhì)量達到32 000 t，船廠不具備對該平臺上部模塊進行整體吊裝的能力；整體滑移法和整體提升法需要用到大量的工裝件，材料耗費大，工裝件重復利用率低，成本太高，另外下部結(jié)構(gòu)整體高度接近50 m，上部模塊需要抬升的高度非常大，安全性大大降低，也不適用于目標半潛式生產(chǎn)平臺。因此，基于該船廠現(xiàn)有硬件資源條件，對目標半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊采用塢內(nèi)總段吊裝合攏方案進行整體安裝[2]。

半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊在塢內(nèi)采用總段吊裝進行總裝合攏的建造方案基本思路如下：

(1)在完成半潛式生產(chǎn)平臺下部結(jié)構(gòu)整體總裝合攏的基礎(chǔ)上，利用平板車將建造完成的上部模塊分段/總段運至船塢的外場，為總段吊裝搭載做好準備。

(2)利用船塢龍門吊把平臺組裝所用的支撐工裝吊至船塢，將其架設(shè)起來。

(3)再次利用龍門吊，吊裝上部模塊分段/總段至下部結(jié)構(gòu)上方進行搭載，完成上部模塊結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的對接安裝。

(4)平臺在塢內(nèi)完成上部模塊總裝建造，打開塢門放水，由拖輪將平臺拖出船塢，靠泊碼頭。

上部模塊在船塢內(nèi)安裝完成后，要開啟塢門放水使平臺漂浮，之后由拖輪將平臺拖出船塢，因此需要考慮船塢深度是否滿足平臺漂浮所需達到的吃水。經(jīng)計算，船塢深度滿足平臺漂浮所需吃水。

2.1 分段/總段搭載方案

上部模塊結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為2 864 t，超出了1號龍門吊起重的最大能力，因此將上部模塊分為9個分段，單個分段質(zhì)量控制在240～400 t，最大分段尺寸為31 m×33 m。上部模塊主體框架結(jié)構(gòu)的分段劃分方案如圖1所示。901～903分段為跨中分段，921～923(931～933)為左右舷對稱分段。其中，901～903構(gòu)成了總段90A，921+922組成了總段92A，931+932組成了總段93A。

上部模塊分段搭載在船塢中進行，由于受限于吊車起重能力，無法進行整體吊裝，因此需要將搭載過程分解為5吊：首先，搭載92A總段，完成跨中總段90A的吊裝搭載；其次，單獨吊裝923分段；最后吊裝93A總段和933分段，完成整個上部模塊的搭載工作，具體吊裝步驟如圖3所示。

上部模塊的搭載過程，主要需要確定船塢內(nèi)上部模塊支撐胎架的尺寸，并保證其水平精度。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，選擇桁架式的胎架，以克服胎架因大尺寸引起的柔性變形問題。在船塢內(nèi)劃好定位格子線，完成胎架布置工作后，使用經(jīng)緯儀，測量每個胎架頂部的水平度，必要時，調(diào)整胎架底部墊高。

92A總段吊裝到位后，保持龍門吊連接狀態(tài)直至總段和立柱之間確定連接后，松開掛鉤。90A總段為第2個搭載的總段，吊裝前，需要對92A進行測量，并切除搭載余量；90A與92A之間焊接節(jié)點較多，需要安排8個焊工進行總段定位焊，在90A完成焊接后，對其寬度進行測量。在搭載923分段前，需要對90A總段與923分段對接處進行測量，再切割90A相應(yīng)的搭載余量，最后吊裝923分段，完成左舷和跨中部分的模塊搭載。右舷總段和分段的吊裝與左舷一側(cè)一致，需要根據(jù)精度布置圖和現(xiàn)場測量結(jié)果，切除搭載余量，保證模塊整體的尺寸精度。

在完成上部模塊搭載后，需要對其總體精度進行測量，并繪制其完工精度圖。

2.2 分段/總段吊裝方案

結(jié)合目標半潛式生產(chǎn)平臺分段/總段的劃分方案，采用“總段吊裝法”進行總裝建造時，需要根據(jù)平臺上部模塊各分段/總段結(jié)構(gòu)特點，保證吊裝作業(yè)的安全性，控制吊裝作業(yè)對平臺上部模塊結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響，從而制定合理的吊裝方案。

在本次搭載方案中，根據(jù)起重要求，合理布置吊耳位置，選擇合適的吊裝方案，如表1所示。

表1 上部模塊結(jié)構(gòu)吊裝方案

本節(jié)選取一質(zhì)量最大的總段90A，對其吊裝方案進行有限元強度分析。該總段位于上部模塊框架結(jié)構(gòu)中間區(qū)域，由901，902和903分段組成。90A總段由主甲板和下沉甲板中間的框架結(jié)構(gòu)組成，質(zhì)量約800 t，長81.15 m，寬31 m，高9.5 m。該總段結(jié)構(gòu)長高比、長寬比均較大，結(jié)構(gòu)剛度小，容易產(chǎn)生變形，吊裝過程中要充分考慮這一特點，合理布置吊點位置。分析總段特點，可由1號船塢內(nèi)的兩臺龍門吊以抬吊方式進行吊裝。

采用有限元軟件MSC.PATRAN建立90A總段結(jié)構(gòu)的有限元模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)分布特點，在框架特定位置處，即方鋼結(jié)構(gòu)相交處設(shè)置6個吊點，每個吊點處有2個吊耳，由于吊耳和框架結(jié)構(gòu)是以焊接的方式連接的，因此在建立邊界條件時，在吊點處進行簡支處理，有限元模型和邊界條件加載如圖3所示。載荷僅考慮總段所受重力作用，同時考慮到吊裝過程中可能產(chǎn)生的動態(tài)加速度，將總段質(zhì)量放大到1.1倍。

分析有限元計算結(jié)果可知，框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為74.9 MPa，出現(xiàn)在第四道橫向框架中間處。結(jié)構(gòu)材料為AH40鋼，根據(jù)ABS MODU[3]規(guī)范，許用應(yīng)力為280 MPa，UC值為0.27，因此結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)整體的變形值為40.9 mm，考慮到模塊的大尺度，該變形較小，因此也滿足要求。綜上所述，抬吊時上部模塊結(jié)構(gòu)是安全的，吊裝時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果如圖4—5所示。

3 結(jié)語

本文基于一深水半潛式生產(chǎn)平臺上部模塊，結(jié)合國內(nèi)某大型船廠現(xiàn)有硬件設(shè)施條件，考慮其結(jié)構(gòu)型式及質(zhì)量，對其分段/總段在塢內(nèi)搭載方案以及吊裝方案進行了研究，避免了修建巨型工裝,為后續(xù)的碼頭浮吊安裝模塊方案奠定了基礎(chǔ)。