被动式浮托结合牵引提升安装南中国海大型平台组块

张广磊, 董宝辉, 杨小龙, 陈 峰， 巩 雪

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

被动式浮托结合牵引提升安装南中国海大型平台组块

张广磊, 董宝辉, 杨小龙, 陈 峰， 巩 雪

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

针对南中国海平台组块海上安装实际情况，开创性地提出了大型组块低位浮托结合牵引提升就位的安装设计方法。综合考虑组块重量、南中国海域环境特征、安装船舶特性等因素，对海上牵引提升的方式及被动式低位浮托技术进行了深入分析。同时，从经济性和安全性等方面，系统地阐述了组块低位浮托安装的适应性和海上牵引提升的可操作性。该方法丰富了南中国海大型组块安装设计技术，其理论分析和海上安装的顺利实施对同型平台的海上施工具有重要的指导意义。

海上牵引提升；被动式；低位浮托

0 引言

随着南海深水油气开发的稳步推进，平台上部模块也向着规模化、大型化、集约化方向发展，这对海洋平台的制造和安装提出了更大的挑战，大型组块的安装技术成为了制约其发展的关键因素。浮托法安装[6]由于在船舶资源和缩短海上调试时间等方面的巨大优势得到了越来越广泛的应用。其中，海洋石油工程股份有限公司(简称海油工程)在近几年中使用浮托法安装了多个万吨级组块。2013年使用浮托法完成了荔湾平台三万吨组块，创造了中国浮托法安装重量之最；2014年使用动力定位浮托法完成了惠州平台15 000 t组块，是国内首次成功使用动力定位浮托法进行海上安装作业。

在浮托安装中，由于受到组块重量、导管架槽口宽度和油田水深的影响，选择合适的驳船是非常重要的，驳船选型的依据主要包括驳船的稳性、强度以及主尺度等。由于现有浮托安装法中，组块设置在运输船上的位置较高，对运输和安装过程中船舶的稳性不利，同时，高位布置组块要求所使用驳船的主尺度较大，导致安装费用较高。大型驳船也造成导管架槽口宽度相应的增大，不利于导管架结构的优化和制造成本的降低。

该文的主要目的是基于现有浮托技术提出了一种海洋平台组块被动式浮托加牵引提升就位的安装方法，其不仅能够降低上部组块在驳船上的高度，获得更好的稳定性，而且减少了安装碰撞载荷，降低了环境要求，增加了驳船的选择性，有利于节省海上安装的工期。

1 主要安装程序

浮托安装的整个过程是把建造完成后的平台上部组块(如图1所示)在码头装船，由驳船运载至井口导管架处，并安装到导管架上。装船与拖航作业与传统浮托安装类似[3-5]，浮托安装(floatover) 一般指从安装驳船到达指定海域等待到驳船撤离的整个阶段，这也是海上浮托安装最复杂的阶段。如果气象、水文条件合适，就正式进入海上浮托安装程序，海上安装主要包括以下6个步骤：

图1 组块主体结构图

(1) 待机(Standby)

安装驳船利用系泊系统停泊在距离导管架一定安全距离的区域等待合适的环境条件进行安装，待机系泊系统布置如图2所示。这期间一般要进行安装准备工作，如切除部分临时固定绑扎、准备快速压载系统等。

(2) 进船(Docking)

在准备就绪和安全条件合适的情况下，驳船在进船交叉缆的作用下缓慢进入导管架槽口，并通过不同位置布置的锚缆控制其运动方向和运动速度，如图3所示。在进船的过程中，横荡护舷发挥缓冲碰撞作用，进船的最终位置由驳船上的限位装置(纵荡护舷)碰到导管架桩腿确定，此时驳船上的组块正好停留在导管架正上方，并且组块腿部插尖与位于导管架桩腿的LMU(桩腿对接缓冲装置)保持垂向对中。

图2 待机示意图 图3 进船立面示意图

(3) 对接(Mating)

通过凋节驳船的压载系统压载下沉或利用潮差使驳船缓慢下降，期间需要通过驳船的精确定位，使组块腿插尖和导管架桩腿上的LMU精确对中，如图4所示。驳船继续压载下沉至组块腿插尖与导管架上的LMU接触，直到组块插尖完全进入LMU接收器内，使得组块重量从船上转移到导管架上，此时整个对接过程完成，如图5所示。

图4 进船就位示意图 图5 对接完成示意图

(4) 退船(Separation and Undocking)

继续压载驳船下沉，上部组块与驳船分离，当滑靴与上部组块之间达到一定的安全间隙时，将驳船从导管架中拖出，驳船撤离，从而完成平台组块的海上安装就位工作，图6为退船后的组块状态。

(5) 组块提升(Lifting)

驳船撤离后，利用牵引提升装置，提升上部组块至设定高度。其次，调节设在上部组块外四腿的牵引提升装置载荷，分配导管架外四腿的载荷。最后，将上部组块与导管架在外四腿处采用焊接方式进行连接，并释放设在牵引提升装置上的载荷。

(6) 载荷分配(Force Rebalance)

安装内四腿载荷分配顶升装置，分配上部组块在内四腿上的载荷，将上部组块与导管架的内四腿采用焊接方式进行连接，同时释放顶升装置上的载荷。至此，整个组块低位浮托牵引提升安装完成，如图7所示。

图6 退船完成示意图 图7 牵引提升和载荷分配示意图

2 安装关键技术及关键装置

从低位浮托安装基本步骤可以看出，装船、拖航、待机、进退船和对接步骤与常规浮托安装基本类似，其关键技术为采用组块低位布置在驳船进行浮托安装和使用牵引提升装置进行海上提升作业。

2.1 组块在驳船上的低位布置

浮托法安装中，从运输到安装是同一条驳船，驳船的设计及参数的选择需要考虑运输和安装两方面。对于固定式平台安装，驳船浮托上部组块对组块在驳船上的高度有限制。同时，驳船需要进入平台桩腿之间，桩腿间隙制约驳船宽度。另外，驳船在最大吃水时底部要与平台下部基础中间的横撑保持安全间隙，这对驳船型深有一定的要求。综合考虑，首先根据上部模块的重量和平台下部基础的高度，在满足稳性的前提下，挑选尽可能小的驳船型宽和型深，从而节省安装费用和导管架的制造成本。

从图8、图9对比来看，常规浮托法组块底层甲板距离驳船甲板15 m，而低位浮托法中两者只有5 m的距离，远小于常规浮托法。

图8 低位浮托拖航立面图 图9 常规浮托拖航立面图

基于低位浮托设计方法，组块在驳船上的布置有以下四点考虑：

(1) 组块低位布置在船上，在满足驳船稳性的情况下选用较小的驳船，节约成本，同时减少了海上安装的碰撞载荷。

(2) 大大减少组块在场地的建造高度，提高了建造效率，节约了建造成本。

(3) 减少了组块在驳船上的大型支撑结构和绑扎固定材料。

(4) 组块重心降低，增加了装船时的安全性。

2.2 组块海上提升技术

组块海上提升技术是该安装方法的核心技术。常规浮托中，组块在驳船上的布置高度是根据组块在位状态高度进行设计，组块和导管架对接后的状态即为在位状态，不需要进行高度上的调节。在低位浮托中，组块在驳船上的布置位置较低，完成组块和导管架对接后，组块的高度未达到在位设计高度，这样就需要采用海上提升技术将组块提升至设计高度。

海上提升操作中包含两种机械装置，分别是牵引提升装置和载荷分配顶升装置。这两种装置的工作原理如下：牵引提升装置安装在组块外四腿上，如图10所示,每个腿包括一个套筒和插入腿。套筒和组块的整体结构为一体，套筒和插入腿之间有牵引装置进行连接。套筒和提升装置连接位置在顶层甲板腿部周围，插入腿和提升装置连接位置在每个外腿的顶部。组块重量完全转移至导管架后，插入腿和导管架连接，作为提升的支撑基础，牵引提升装置牵拉组块进行提升。组块提升至设计高度后，调节外腿牵引提升装置上的载荷至设计值，完成外腿载荷分配。

载荷分配顶升装置位于组块底层甲板内腿周围，如图11所示。当组块提升至设计高度后，在组块底层甲板内腿周围焊接顶升装置支撑结构，调节顶升装置载荷至内腿的设计载荷，即完成组块内腿的载荷分配。

图10 牵引提升装置 图11 载荷分配顶升装置

3 实例

2014年5月位于南中国海某油田的钻井平台组块采用该方法进行安装。此油田水深110 m，采用8腿导管架。上部组块分为3层，标高分别为19 m、24 m和29 m，安装重量约为12 700 t。

3.1 设计模型

驳船主尺度及主要参数见表1、拖航装载立面如图12所示。

表1 驳船主尺度及主要参数

图12 拖航装载立面图

3.2 分析方法

浮托安装过程需要分析安装驳船的运动和强度，评估并预测系泊系统、LMU、滑靴和护舷等关键部位的受力。建立上部组块、导管架基础、浮托安装驳船和系泊系统的耦合多体分析模型。该模型主要分为驳船的PANEL模型，组块和导管架的刚体模型和多体之间的耦合模型等。其中，多体耦合模型包括以下四部分：

(1) 驳船同上部组块之间的耦合，两者通过滑靴进行连接。实例中使用的两条滑靴位于驳船滑道上部与组块底层甲板大梁之间。

(2) 驳船同海底之间的耦合。该耦合是通过系泊系统实现，此次安装实例使用了4根系泊缆。

(3) 驳船同导管架腿之间的耦合。驳船舷侧装有护舷装置，包括横荡护舷和纵荡护舷。护舷不仅减少驳船同导管架的碰撞力，同时起到驳船限位的作用。

(4) 组块和导管架之间的耦合。组块在下放过程中同导管架接触是通过桩腿对接缓冲装置(LMU)实现的，该缓冲装置起到限位捕捉和减少碰撞力两个作用。

3.3 提升操作

退船完成后进行组块提升工作，提升的步骤已在安装程序中做了详细说明。

每个外四腿上的牵引提升装置有六个拉力千斤顶，每个千斤顶能力为850 t，则每个腿的牵引装置能力为5 100 t。根据表2所列，4个腿的牵引提升装置中最小的安全系数为1.27。保证每个腿失效一个千斤顶，则安全系数仍大于1。

表2 组块提升工况下外四腿设计载荷及提升装置能力

每个内四腿载荷分配顶升装置包含四个千斤顶，每个千斤顶的能力为500 t，详细数据见表3。

表3 组块内四腿设计载荷及顶升装置能力

4 结论

随着浮托法安装技术的应用越来越广泛，在原有成熟的浮托技术基础之上，对其进行优化和创新的技术也越来越多，低位浮托技术就是成功案例之一。现对此方法的五点阐述如下：

(1) 与传统浮托方法相比，该方法降低了组块在驳船上的固定高度，增加了船舶稳性。

(2) 降低了组块重心，减少对船舶稳性的要求，在驳船选型上有了更大的空间，减少安装费用。

(3) 减小驳船尺度，降低对导管架槽口间隙的尺寸要求，有利于控制导管架的制造费用。

(4) 减少了系统的运动和安装时的碰撞载荷，降低了浮托环境要求，扩大了安装气候窗，有利于海上安装的工期选择。

(5) 提升操作过程是在组块重量完全转移到导管架上之后进行的，属于静态提升，大大增加了海上提升操作的安全性。

此方法在施工上还存在部分缺点：

(1) 由于此方法采用了海上提升的操作，增加了海上施工的危险性和复杂性，同时增加了提升和顶升等设备的费用。

(2) 提升操作的设计要求增加了组块腿部结构设计的复杂性。

总体来说，低位浮托方法具备了优化船型和平台结构、增加海上操作安全性以及提高作业效率的特点，是对浮托技术的一种创新式的尝试。该技术的应用成功，为发展深海大型平台的安装提供了新的借鉴方法，进一步巩固了浮托法安装在海洋石油工程领域的重要地位。

[1] GL Nobel Denton.General Guidelines for Marine Projects[S].2013.

[2] GL Nobel Denton. Guidelines for Float-Over Installations/Removals[S].2013.

[3] 许鑫,杨建民,李欣.浮托法安装的发展及其关键技术[J].中国海洋平台, 2012,27(1):44-53.

[4] 廖红琴,蔡元浪,毛程亮,等.大型平台冬季浮托技术的开发与应用[J].中国造船, 2014,55(1):158-163.

[5] 杨小龙,高定全,董宝辉,等.T型驳运载超大型组块运动特性分析[J].船海工程, 2013,42(1):129-131.

[6] 李达,范模,易丛,等.海洋平台组块浮托安装总体设计方法[J].海洋工程, 2011,29(3)：13-22.

Passive Floatover Installation Method with Lifting for Large Deck of Drilling Platform in South China Sea

ZHANG Guang-lei, DONG Bao-hui, YANG Xiao-long, CHEN Feng, GONG Xue

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

For offshore installation of drilling platform topsides in the South China Sea, low-deck floatover method is described and analyzed systematically based on the weight of topsides, environmental condition of the South China Sea and combined with ship characteristics. In this method, offshore strand-jack lifting technique is used. Moreover, from economic and security, this paper discusses the adaptability of the low-deck floatover installation and operability of strand-jack lifting technique. This method enriches the offshore installation technology for large deck in the South China Sea. Theoretical analysis of this method and successful implementation in offshore installation has an important guide and reference to the similar offshore platform installation.

offshore strand-jack lifting； passive； low-deck floatover

2014-09-22

张广磊(1984-)，男，工程师。

1001-4500(2015)05-0013-06

P75

A