气囊助浮张力腿平台出坞可行性分析

李 冉， 林 焰， 刘广辉， 李 强， 郭 宁

(1.大连理工大学 船舶工程学院， 辽宁 大连 116023； 2.海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)

0 引 言

随着全世界工业化、城市化和现代化进程的加快，能源对全球的发展已变得必不可少。石油在世界能源经济中处于主导地位，各个国家正积极开采和争夺石油。从全球海洋石油和天然气的分布情况看，目前全球已经探明的海洋石油储存量的80%以上在500 m水深以下，而90%以上的海洋面积的水深在200～6 000 m，因此设计和建造深海平台迫在眉睫。张力腿平台作为适合深水开采油气的海洋平台之一，是各国都积极研究和建造的重点。

张力腿平台在建造过程中，由于其吨位较大，一般船厂的船坞所允许的最大吃水不能保证其达到起浮状态。为了使张力腿平台顺利出坞，可借助气囊提供额外的浮力。本文就气囊助浮张力腿平台出坞进行方案设计和可行性分析。

1 气囊的应用

船舶采用气囊下水是一项创新技术[1]，具有我国自主知识产权。1981年5月，一艘几十吨的船舶利用卷扬机，在由棉帆布做骨架的胶布气囊的辅助下成功下水，这开启了气囊用于船舶下水的新时代[2]。随着气囊技术日渐成熟，利用气囊下水的船舶的吨位提高了千倍，从几十吨扩大到万吨以上；下水气囊的结构也越来越复杂，从早期的挂胶帆布搭接发展成如今的挂胶帘子布整体缠绕成型，其性能提高了至少5倍[3-4]。

实践表明，气囊具有很多优点，主要体现在成本低、效率高、环保无污染、灵活性好和可以重复利用等方面。目前，气囊主要用于船舶下水、船舶修理、沉箱下水和拖运以及海底打捞等领域[1，5-6]。气囊的传统应用如图1所示。

图1 气囊的传统应用

近年来，随着海洋工程向大型化发展，该领域应用气囊的情况越来越多。2011年11月，由渤海装备辽河重工有限公司建造的CP 300自升式海上钻井平台，首次采用超大型气囊实现平台下水，开启了气囊用于海洋工程下水的新时代[7]。随着导管架的大型化，为了保证结构物浮在水面上，得到所需的储备浮力，在设计中采用增加气囊的方式提供浮力。气囊在导管架的应用如图2所示[5]。本文重点研究气囊应用于张力腿平台出坞作业的方案设计和可行性分析。

图2 气囊在导管架的应用

将气囊应用于海洋工程领域时，需要考虑气囊的安全性和工艺性，具体情况如下：

(1) 安全性。海工领域所使用的辅助气囊不同于应用在船舶中的下水气囊，要求气囊能够克服水压。为确保气囊能够不断地提供浮力，气囊外部水压的最大值应该小于其内部的工作压力[5，8]。

(2) 工艺性。气囊助浮张力腿平台出坞是利用气囊充气产生较大的浮力。为了保证气囊能够牢牢地固定在张力腿平台的浮筒和立柱上，推荐使用在浮筒和立柱上安装专用吊鼻将张力腿平台与气囊连接。张力腿平台出坞后，必须及时将气囊与张力腿平台脱离，所以安装气囊时应考虑后期在海上如何方便地将其拆除，应设法使气囊自动脱离张力腿平台，减少潜水员的工作[5]。

2 气囊助浮方案概述

某公司设计的张力腿平台：4个立柱，每个立柱高为46.2 m，直径为17.8 m；4个浮筒将立柱连接起来，每个浮筒高为7 m，宽为9.069 m。为保证其正常出坞，要求吃水为17.9 m，而建造张力腿平台的公司的船坞所允许的出坞最大吃水为13 m，所以采用气囊助浮张力腿平台出坞。张力腿平台绑扎气囊后的3D模型如图3所示。

图3 绑扎气囊后的张力腿平台

张力腿平台结构自重约26 000 t，需要配置92个气囊，每个气囊长为20 m，直径为2 m，共计可以产生近6 272.7 t的净浮力。

2.1 完整稳性规范要求

《海上移动平台入级规范》(2012)[9]对张力腿平台完整稳性的要求是：至第2交点或进水角处的复原力矩曲线下的面积的较小者，至少应比至同一限定角处风倾力矩曲线下面积大30%；复原力矩曲线从正浮至第2交点的所有角度范围内，均应为正值；在所有漂浮作业工况的整个吃水范围内，经自由液面修正后的初稳心高度应不小于0.15 m，如图4所示。

2.2 完整稳性校核

图4 GZ曲线

校核本项目中张力腿平台完整稳性时，假定平台只发生横摇，没有纵摇。由于该张力腿平台横向和纵向的尺寸相近，所以分别计算风向为0°、30°、60°、90°、120°和150°时的大倾角稳性。计算结果如表1和图5所示。

表1 稳性校核表

图5 张力腿平台GZ曲线

3 气囊与浮筒助浮经济效益对比

由于船坞内水深的限制，张力腿平台需要借助气囊或者浮筒等提供额外的浮力以保证其顺利出坞，所以张力腿平台出坞的工程费用主要集中在气囊或者浮筒的费用上。

(1) 以本项目中的气囊(见图6)为例，直径为2 m、长度为20 m的气囊可以产生60 t的净浮力。由于气囊具有质量轻、易于运输和安装、拆卸方便和能够重复使用的特点，所以每产生1 t净浮力的费用约在2 000元以下。对于结构自重约26 000 t的张力腿平台，经过计算得到需要气囊提供的净浮力约为3 580 t，折算费用总计约716万元。

图6 船用下水气囊

(2) 使用钢质浮筒提供额外的浮力，由于其具有切割量大、焊接困难、回拖过程占用驳船和拆除费用高的特点，所以每产生1 t净浮力费用约在1万元以上。对于本项目中的张力腿平台，需要的净浮力约为3 580 t，折算费用总计约3 580万元[5]。

通过对比，采用钢质浮筒助浮的工程费用为采用气囊助浮的工程费用的5倍，且气囊具有重复使用、便于拆卸的特点，所以使用气囊助浮张力腿平台出坞是经济可行的。

4 气囊助浮工艺流程

气囊的安装不仅要考虑使其牢牢地固定在张力腿平台的浮筒和立柱上，还要考虑其拆除的方便性。为满足以上要求，采用以下的工艺流程。

(1) 准备好助浮气囊、充气设备和拖船等并保证其正常运行；

(2) 在张力腿平台的浮筒和立柱上焊接气囊专用吊鼻；

(3) 对气囊进行充气，达到指定压强后，按规定位置安装；

(4) 用浮筒和立柱上的专用吊鼻将气囊牢牢地固定住；

(5) 全部气囊安装完毕；

(6) 船坞内放水直至张力腿平台达到起浮状态；

(7) 打开船坞门，拖船将张力腿平台拖出船坞，到达舾装码头；

(8) 张力腿平台完成舾装后，拖船将其拖至工作水域，并用锚链将其固定；

(9) 派遣潜水员下水作业，将气囊放气且保留少量气体，这时气囊借助留有的少量气体可浮至水面；

(10) 拆卸工作完成后，连接好气囊，并用拖船把气囊拖回岸边回收。

清晰完善的工艺流程表明使用气囊助浮张力腿平台出坞在工艺上是可行的[10]。

5 结 论

通过对气囊助浮张力腿平台的相关分析得出如下结论：

(1) 从完整稳性校核的结果可以看出：采用气囊助浮张力腿平台出坞在技术上是可行的。

(2) 对比气囊与浮筒的工程费用，考虑气囊的可重复使用和便于安装拆卸的特点，得出采用气囊助浮在经济上具有巨大优势。

(3) 对于船坞内水深较小、吨位较大的海洋平台出坞来说，借助气囊助浮是一种可行方案。

张力腿平台的吨位都比较大，需要借助气囊才能顺利出坞。由于气囊具有成本低、消耗低、无污染、效率高、可重复使用、便于安装拆卸等优点，气囊应用于海洋工程中必定具有良好的发展前景。