大型组块整体浮托安装法研究

宋青武 王圣强 高本金 马红旗 王凯华

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

随着人类对能源需求的日益增大,海洋油气产业得到迅猛发展,国内海洋工程已逐步由浅水迈向深水海域,海洋平台日趋综合化、大型化、复杂化。导管架平台是目前国内海洋工程最常见的平台形式,由导管架、钢桩、上部组块等组成,导管架与钢桩联合组成平台的下部基础,承受并传递上部组块各类动荷载和静荷载至海床。上部组块包括甲板、各类油气处理设施、消防安全设施、生活区、钻井设施等,不同组块根据平台规模吨位差异很大,从几百吨到上万吨,目前国内最大浮托安装组块已达30 000 t级[1]。

海洋平台组块安装方式主要包括吊装法和浮托安装法两种。吊装是直接使用起重船从运输驳船吊起组块直接放至导管架上,其应用范围取决于起重船的起重能力和跨距,单块重量一般不超过6 000 t。浮托安装法主要适用于大型组块的安装作业(10 000 t级及以上),由驳船整体运输至海上,通过驳船压载的方式将组块整体下放至导管架。对于大型组块,可以选择分块建造、分块吊装方案,也可选择整体安装方案。浮托安装法实现了组块整体设计建造安装，弥补了起重资源不足,具有耗时短、成本低等优点,已被广泛应用于海洋工程建设[2-5]。在项目前期可研或预可研阶段,根据现场地质条件、海况等诸多因素确定安装方案,在基本设计、详细设计和安装设计阶段对方案进一步细化。

1 浮托安装法优势分析

大型海洋平台组块整体浮托安装是一种高效的海洋平台安装技术,成功解决了大型平台海上安装的难题[6-7]。按照整体设计的要求,在陆上建造阶段安装好所有的设备设施,包括生活楼、钻机模块、火炬臂等,由大型驳船将整体建造好的组块运输至海上,与预先安装于海上的导管架结构实施对接,采用驳船压载的方式结合潮汐变化将组块下放至导管架上,组块立柱与导管架导管腿连接形成整体结构。浮托安装法对于海况要求较高,组块下方至导管架过程异常复杂。与吊装法相比,浮托安装法实现了整体设计、整体建造、整体运输和整体安装,除了适用于大型/超大型组块安装外,还具有明显的优势。

1.1 节约船舶资源使用

大型组块如采用分块吊装法,由于浮吊起重能力限制,需要将整体组块拆分成多块,如东组块、西组块、生活楼、钻机模块、火炬臂等,需要投入数条驳船,增加了驳船资源费用。采用浮托安装法进行运输安装,仅需要投入1艘大型驳船即可,显著提高拖航运输的安全性和经济性。

采用浮托安装法,浮吊仅负责安装LMU和其他附件设施以及焊接支持等工作,不涉及大型结构物吊装作业,对浮吊起重能力要求较低,一般3 000 t级浮吊即可满足要求。而采用吊装法,即使拆成多块,单块重量往往也超过4 000 t,需要投入大型浮吊,如7 500 t级浮吊。

由于分块吊装法遗留大量工作到海上进行,海上连接调试工期长,平台床位有限,往往需要投入1艘生活支持船配合进行海上连接调试工作,增加项目成本。

1.2 缩短组块海上安装工期

对于采用分块吊装法的大型组块,由于组块拆分为多块,起重船在吊装过程中,需要逐块吊装就位,同时受跨距等限制,需要调整浮吊船位,导致安装工期很长,遭遇坏天气待机的概率增大。而采用浮托安装法的组块,浮吊可提前投入进行LMU安装等准备工作,在组块运输至现场后且海况具备条件的情况下，即可快速开展浮托作业,安装工期大幅度节约。经初步估算,以15 000 t级组块为例,若采用分块吊装法,安装工期预计长达1个月,而采用整体浮托安装法,安装净工期约为12 d。

1.3 有利于质量控制

分块吊装法由于在设计、建造过程中对整体组块进行了拆分,各个分块之间连接处在建造过程中增加了诸多界面误差,不利于质量控制。同时在安装过程中,分块吊装也不利于安装精度误差控制,容易造成误差积累。浮托安装法实现了平台组块的集成化设计,最大程度减少界面误差,主要施工和调试工作均在陆地完成,对质量管控十分有利。

1.4 大幅度缩短组块海上连接调试工期

采用分块吊装法,组块工艺系统在陆地无法得到完善,遗留大量工作到海上进行,包括结构的连接、管线的安装试压气密、电缆的铺设接线校线等,陆地调试仅能完成少量单机调试工作,导致海上连接调试工期至少3个月以上。而整体浮托组块,则在陆地实现了完工状态最大化,仅剩余少量必须在海上进行的施工调试工作,海上工期至少节约2个月,使得平台能够快速实现投产,大大提高了经济效益。

2 整体浮托安装法和一般步骤

浮托安装法一般可分为三个阶段:浮吊前期准备、驳船进船与退船浮托作业、浮吊后期进行焊接生活支持。驳船进船与退船浮托作业是浮托安装的关键,风险系数和对海况要求较高,对于常规浮托作业来说,浮托作业工况要求有义波高≤1.5 m,风速≤10 m/s,流速≤0.6 m/s,以及72 h作业窗口期,如采用动力定位驳船进行浮托作业,驳船压载能力和精准就位能力更强,对作业工况要求相对较低,所需作业气候窗更容易满足,其作业工况应根据驳船动力定位系统级别、推进器能力和油田环境条件等在设计阶段进行详细核算。浮托作业使用的主要设备包括锚泊系统(用于驳船就位)、浮托护舷系统(护舷系统主要包括船艉导向护舷、横荡护舷和纵荡护舷,起到水平方向的定位和缓冲作用[8-10],分别安装在导管腿或驳船上,用于协助驳船精确就位于对接位置,同时避免驳船与导管架发生剧烈碰撞)、桩腿对接耦合装置LMU(保证浮托安装成功的关键部件,用于减缓组块对导管架的冲击[11-12],可预安装在组块立柱上，通过倒插尖与导管腿连接,也可直接由浮吊在浮托作业前安装在导管架导管腿上)、浮托分离缓冲装置DSU(安装在组块支撑装置DSF顶部四角,用于缓冲组块与驳船分离时的碰撞)、照明系统(用于夜间作业照明)等。大型组块浮托作业一般步骤见图1。

图1步骤中,浮托前checklist检查是针对浮托作业各项准备工作进行的细致检查,由业主方、海事保险、第三方、总包项目组、安装项目组、施工单位以及船方联合进行检查并签字确认,包括人员/设备设施准备情况、驳船调载、导管架导管腿水平度确认、图纸文件、技术交底、通讯指挥、现场海况及72 h和天气预报等,确保浮托作业前各项准备工作就绪,具备作业条件。在作业过程中进行实时监测,为浮托安装提供直接的信息反馈,保障安装的顺利进行[13]。

3 浮托安装工期分析

根据组块浮托安装的一般步骤,相关的作业划分、逻辑关系、预估工期见表1。

表1 组块浮托作业划分表

根据施工工序和逻辑关系,建立时标网络计划见图2。时标网络计划是网络计划技术的一种,将横道计划与网络计划的优点有机地结合起来,工作箭线的长短直接代表该工作的持续时间,形象地把整个工程进度用网络图表述出来,直观地表达出网络计划的时间参数,明确关键线路和关键工作,快速确定项目的总工期[14-17]。

图2 浮托作业时标网络计划图Fig.2 Time-coordinate network for float-over installation

根据图2可知,浮托计划关键路径为A→B→C→F→G →H,期望工期为12 d。关键路径是计划中最长的路线,决定了项目的总实耗时间[18-19]。实际项目计划编制时,应对各个工序根据不同海域、不同季节、不同作业船舶考虑一定的天气待机系数。天气条件是安装施工计划能否正常进行的决定性因素[20]。

4 工程实例

东方13-2CEPB平台为8腿12裙桩导管架平台,位于中国南海莺歌海海域,水深63.7 m。组块采用滑道高位建造方式进行建造,共设三层甲板,分别是上层甲板、中层甲板和下层甲板。平台上设有燃气透平发电机组、天然气生产处理、增压设施及公用系统、钻机模块和120人生活楼等。整个平台浮托重量17 247 t,是中国南海西部海域迄今为止规模最大、重量最重、工艺流程最复杂的平台。该组块在陆地建造阶段通过设计专门的工装将LMU预安装至立柱底部,有效节约了海上安装工期,见图3。

图3 LMU预安装示意图Fig.3 LMU pre-assembly

2019年4月2日东方13-2CEPB平台组块顺利拖拉装船至“海洋石油229”船设计位置,4月10日出港航赴现场;主作业船于4月11日抵达现场进行倒插尖安装等准备工作,4月16日组块成功浮托安装至导管架上,驳船复员,见图4;4月20日组块立柱与导管腿焊接完成,主作业船复员,组块海上安装工作全部完成,仅用时10 d,在大幅节约了安装工期的同时有效规避了后续坏天待机的风险。平台仅用时18 d即实现海上机械完工,为后续平台按时开展钻井工作和提前投产创造了有利条件。

图4 组块浮托完成照片Fig.4 Topside float-over installation finished

5 结论

大型组块整体浮托安装作业受现场海况、驳船调载能力、人员经验水平、方案成熟度、作业准备情况等各种因素的影响,属于重大风险作业,是项目管理的重点和难点。如何准确把握作业窗口期顺利完成浮托安装工作，对于平台海上连接调试和投产至关重要。在方案编制时充分考虑各种制约因素和风险点并采取有效措施,细致施工准备,浮托安装工作才能按期顺利实施。

本文通过对大型组块浮托安装法的优势、方法和施工步骤进行详细分析,制定时标网络计划,定量评估作业工期,并结合已成功实施的东方13-2CEPB平台组块浮托作业情况,为大型组块浮托安装工期的准确评估提供了参考和依据。在后续研究中,应重点评估各种制约因素和风险点对浮托作业的影响,以便更准确地评估大型组块浮托安装工期。