张力腿平台筋腱安装与临时浮筒设计

袁玉杰， 胡春红， 阮胜福， 史 睿

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

张力腿平台(tension leg platform， TLP)采用垂直方式系泊，利用筋腱将平台固定于海底[1]。目前已建成的张力腿平台中，最大工作水深为1 585 m。由于其优良的运动性能，在海洋油气开发中得到了广泛应用。典型的张力腿平台一般包括上部组块、船体、顶张力立管系统、张力筋腱系泊系统、锚固基础等五部分。张力腿平台通过船体深吃水的形式将产生远大于上部组块和船体重量的浮力，剩余浮力与筋腱的预张力平衡，使得张力筋腱始终处于张紧状态。这种受力状态使得平台的横摇、纵摇和垂荡近于刚性，而平面内运动横荡、纵荡和首摇则显示出柔性，使得张力腿平台在各个自由度上的运动固有周期都远离常见的海洋能量集中频带[1]。

张力腿平台根据其结构形式，通常布置6～16根张力筋腱。上部与船体连接，下部与桩基础连接。构成张力腿平台系泊系统的张力筋腱由厚壁钢管组成，贯穿整个水体，在平台服役期间承担着巨大的张力，将平台牢牢地固定在设计位置上。

中国南海某张力腿平台采用传统的张力腿平台形式，立柱直径为19. 5 m，中心距为61 m，平台吃水为31 m，在操作工况下的排水量为50 132 t。每根立柱设置2根共8根张力筋键。张力筋键钢管直径为40 in(1 in=25.4 mm)，底部分段和顶部分段壁厚为1.6 in，主体分段壁厚为1.5 in，张力筋腱预张力为2 103 t。每根张力筋键各包含1个顶部段和底部段、若干主体段，其中顶部段用来将张力筋键固定到船体的Porch位置，主体段贯穿平台水深，底部段将张力筋键连接至下部桩基础接收装置。

该张力腿平台筋键系统包含1个顶部段(包括张力监测系统)、4个主体段和1个底部段，如图1所示。每一段的详细描述如下：

(1) 顶部段：位于张力筋腱顶部，上部与船体Porch相连，下部与主体段相连，包括顶部连接器、筋腱钢管、耦合连接器、临时浮筒抱夹机构、张力监测系统、手镯式阳极等。

(2) 主体段：是张力筋腱的主要组成部分，从上至下包括耦合连接器、张力筋键钢管、耦合连接器和手镯式阳极等。

(3) 底部段：位于张力筋腱底部，上部与主体段相连，下部与桩基础相连，包含耦合连接器、筋键钢管、底部延伸段、转动锁紧机构等，张力筋腱接收装置位于桩基础的顶部。

图1 张力腿平台筋腱分段及硬件组成[2]Fig.1 TLP tendon segment and component

1 张力筋腱安装方法

张力筋腱由厚壁钢管组成，内部不充水，其重量略大于浮力，一是可以尽可能减小上部平台载荷，二是方便海上安装，降低对浮吊的能力要求。

张力筋腱在陆地分段建造，每段两端分别焊接耦合连接器，建造工作完成后，筋腱整体装船，运输至施工场地进行海上安装。该平台张力筋腱的安装就采用该方法进行海上安装，其中顶部段长度为52.4 m，主体段长度为70.6 m，底部段长度为48.7 m。在张力筋腱安装前，应对浮吊进行适应性改造，在船侧设置筋腱组对塔及临时浮筒安装塔，张力筋腱海上安装步骤如图2所示。

步骤1：起吊扶正张力筋腱底部段

步骤2：将底部段移动至组对塔

步骤3：将底部段固定至组对塔

步骤4：起吊下一分段，使用专有工具进行机械连接，顺序完成其他分段连接

步骤5：筋腱束移至临时浮筒安装塔

步骤6：筋腱束与临时浮筒连接

步骤7：张力筋腱束下放

步骤8：与底部桩基础连接，完成安装

2 临时浮筒设计要求

张力筋键在平台安装前一直保持自由站立状态，由于张力筋腱重量略大于浮力，安装完成后需要借助筋腱临时浮筒提供向上的张力，从而保持筋腱强度和屈曲满足要求。

临时浮筒通常为圆柱形结构，一侧设有马蹄形槽口，槽口的宽度需要与筋腱直径匹配，槽口深度需保证筋腱与临时浮筒连接后，临时浮筒的浮心与张力筋腱重心接近，尽可能地避免在筋腱上产生额外的弯矩。临时浮筒直径和高度需要根据张力筋腱安装强度和干涉分析得到，在波浪和海流的影响下，需为筋腱自由站立提供足够的浮力，保证筋腱强度满足要求，同时避免邻近张力筋腱或临时浮筒发生碰撞。典型的临时浮筒形式如图3所示。

图3 张力筋腱临时浮筒外形图

张力筋腱临时浮筒通常划分为若干舱室，舱室之间采用水密隔板分隔，防止相连舱室连通。当某个舱室进水导致浮力丧失时，临时浮筒仍能提供足够的浮力，在降低的环境条件下保证筋键有足够的张力而不发生干涉。同时配备充水和排气系统，实现临时浮筒的压排载控制。

为满足功能和操作要求，张力筋腱临时浮筒主要设计了如下几个系统。

2.1 卡子系统

临时浮筒卡子系统由张力筋腱夹具、张力筋腱上的凸起结构、临时浮筒顶部的对中系统组成。在张力筋腱的安装过程中，将已经连接完成的张力筋腱束移动至临时浮筒安装塔，利用卡子系统将临时浮筒固定到筋腱上，对临时浮筒进行充水下放并与桩基础相连，连接完成后，给临时浮筒舱室充气，排出压载水，为筋腱提供向上的浮力。

临时浮筒底部的卡子主要用来传递张力、弯矩和剪切力，临时浮筒顶部的对中系统保持浮筒整体浮心与张力筋腱共线，给张力筋腱留有一定空间，可以抵抗波浪和海流导致的水平作用力。

临时浮筒安装完成后通常位于水面以下40～70 m，在张力腿平台回接完成后，需要拆除临时浮筒。因此，卡子系统应设计成易于拆卸的形式，通常采用液压控制系统，首先对浮筒进行充水，使重力稍大于浮力，然后在ROV的配合下，实现卡子系统的快速解脱，利用浮吊将浮筒吊装至驳船上。

2.2 充放气系统

临时浮筒可以设计成密闭结构，此时浮筒会承受较大的静水压力，需要增加内部支撑用来抵抗静水压溃，会导致用钢量增加，经济性不好。此外，临时浮筒也可以设计成底部开口的结构，通过计算张力筋腱和浮筒自由站立期间最大的转角，确定浮筒内部舱室的压力变化，设计排水孔、充气孔的垂直位置，该形式浮筒的优点是可以保证浮筒内外压力平衡，最大限度地降低结构用钢量。

通常临时浮筒的每个舱室均会设置多个排水充气孔，其中2个可以作为充气孔，一用一备，位于浮筒外侧。排水孔和充气孔结构上没有差别，但充气孔会设计专门的供ROV操作的装置，来实现舱室的充气，当舱室被气体充满时，临近气孔或对面气孔有气泡冒出，证明内部海水已经全部排出。

排气阀门控制机构一般统一放置在临时浮筒顶部，当控制阀门打开时，浮筒外部海水通过排水孔进入舱室，反之，关闭控制阀门，通过充气孔向舱室注入空气，则可将内部海水通过排水孔排出。控制阀门需配备ROV长手柄，方便进行水下开关，阀门的开关状态应容易快速识别。

2.3 吊装固定系统

为满足临时浮筒的功能要求，需设计多套吊装吊点和绑扎吊点，用于水面和水下操作、张力筋腱绑扎和运输时的固定。

临时浮筒顶部共设置有5个吊点，用于陆上吊装、装船、倒驳、水下到水上的拆除。其中4个点成90°分布，用于水面上四点吊装。另一个吊点位于张力筋腱槽口的反方向，位于浮筒的强支撑框架，适用于临时浮筒拆除时，将浮筒由水下吊装至浮吊。

在临时浮筒中部和底部同时配备绑扎固定索具系统，在拖航运输过程中，用于固定临时浮筒，同时也可以作为张力筋腱自由站立期间临时浮筒的绑扎点。

2.4 梯子栏杆系统

在临时浮筒安装和操作环节，需经常对浮筒顶部对中机构、阀门组和索具进行操作，对吊点进行检验，为方便人员上下浮筒，使操作更为安全，需要在临时浮筒上设置人员通道和梯子栏杆防护系统，在浮筒外侧通常布置橡胶护舷对浮筒进行保护。

2.5 支撑框架

由于浮筒最下侧舱室的排水充气管线位于浮筒正下方，同时为方便临时浮筒的装船和运输，在临时浮筒下部通常设计支撑框架，用于承受浮筒重量以及拖航过程中产生的运动荷载，同时不影响临时浮筒和张力筋腱的连接。

3 张力筋腱站立期间的绑扎设计

该张力腿平台每个立柱设有2根张力筋腱，相邻筋腱的距离为8.95 m，为减少筋腱碰撞风险，浮筒绑扎一般采用一高一低的布置方案。但此时浮筒和筋腱的距离也仅有5 m。由于运动相位不统一，需进行张力筋腱干涉分析，确定张力筋腱是否需要进行绑扎固定。

张力筋腱的绑扎就是通过索具，将同一侧的两根张力筋腱拉近，使得同一立柱上的两根筋腱距离变大，避免发生相互碰撞，如图4所示。该平台张力筋腱的绑扎方案是将绑扎索具布置在浮筒下端，利用绑扎索具将两根张力筋腱在索具点处的距离拉近了15 m，即每根张力筋腱偏离原位置7.5 m。当张力腿平台到达安装地点，准备与张力筋腱回接时，需要首先解除筋腱之间的绑扎固定，再进行张力筋腱平台与船体的回接。

图4 张力筋腱自由站立期间浮筒绑扎状态

Fig.4 TLP tendon tie-back arrangement plan

4 临时浮筒设计实例

该张力腿平台上每个立柱设有2根张力筋腱，相邻筋腱临时浮筒的垂向位置分别布置在距离筋腱顶端28.1 m和43.1 m处。临时浮筒按照如下流程开展设计：

(1) 张力筋腱碰撞分析，确定临时浮筒的完整浮力和破舱浮力要求，确定张力筋腱绑扎方案。

(2) 张力筋腱的总体布置方案，确定张力筋腱外形尺寸，舱室布置方案。

(3) 张力筋腱结构设计，包括在位强度分析、静水压分析、吊装运输分析、吊点设计。

(4) 张力筋腱系统设计，包括充水排气系统设计、卡子固定系统设计。

张力筋腱安装期间设计环境工况如表1所示。

表1 张力筋腱安装设计环境工况

通过计算分析，最终确定临时浮筒的直径为8.1 m，高度为12 m，浮筒采用6个舱室的设计方案，临时浮筒设计参数如表2所示，临时浮筒俯视图和主视图如图5所示。

表2 临时浮筒设计参数

图5 张力筋腱临时浮筒总体示意图Fig.5 TLP tendon temporary buoy general arrangment

根据确定的临时浮筒设计参数及相应的环境条件，计算张力筋腱在完整状态和破舱状态下的底部转角，计算结果如表3所示。

表3 张力筋腱安装状态底部转角

(续表)

在张力筋腱绑扎状态下，同时还要对相连筋腱的间隙进行检查，结果显示筋腱之间不会发生碰撞，浮筒设计满足要求，计算结果如表4所示。

表4 张力筋腱绑扎状态下相互间隙

5 结 语

本文以中国南海某张力腿平台设计为基础，介绍了张力腿平台筋腱安装方法，以及张力筋腱临时浮筒系统组成、设计要求和临时浮筒设计方案。临时浮筒对张力筋腱自由站立期间的安全性至关重要，需要特别关注以下两个方面：

(1) 要求浮筒拆卸快捷，海上安装窗口时间短，尽可能地采用液压系统设计方案，在保证连接可靠的前提下，实现浮筒的快速连接解脱。

(2) 浮筒属于临时结构，应尽可能减少钢材用量，设计成内外压平衡的浮筒，优化浮筒外板厚度和加强筋规格。

张力筋腱临时浮筒设计是一项复杂的工程，涉及结构、水动力、机械等跨专业内容，今后还需在张力筋腱临时浮筒设计方面开展更多的研究工作，为我国的张力腿平台设计技术打下基础。