半潜式FPSO合龙阶段下浮体合龙口的变形分析与调整

乔晓国， 蔡元浪， 杨小龙， 杨 亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

中国南海油气资源开发对保障我国能源安全至关重要。中国南海油气开发的技术难点主要是水深、风大与浪高。从环境适应性、经济性、技术可行性和工程量等方面综合考虑，半潜式浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)是比较适合中国南海深水油气田开发的平台方案。半潜式FPSO的下浮体通常采用4立柱加环形浮箱的形式，上部结构为桁架结构形式。目前，半潜式平台建造合龙方法有顶升滑移合龙、整体吊装合龙、大分段吊装合龙、海上浮拖合龙等[1-2]，在约2万t起重能力的情况下，上部结构整体吊装合龙方案的坞期短、经济性更佳[3-4]。本文对半潜式FPSO(简称“平台”)整体吊装合龙过程中关键步骤的下浮体合龙口的变形和刚度进行分析，确保合龙口的合龙偏差在可控范围内，为平台确定合龙技术方案提供支持。

1 平台基本信息及合龙方案

该平台总体结构如图1所示。上部结构为双层甲板桁架式结构，平面主轴线纵向间距为91.5 m，横向间距为49.5 m，主甲板标高为70.5 m，生产甲板标高为60.5 m。下浮体为4立柱、4浮筒形式，平台总长、宽均为91.5 m。立柱水平截面长、宽均为21.0 m，上标高为59.0 m。浮筒横截面宽为21.0 m，高为9.0 m。作业海域为中国南海1 400 m水深海域，作业吃水为37.0 m，排水量为105 000 t，最大凝析油储存能力约15 000 t。设计海况为中国南海百年一遇台风，可以在千年一遇台风海况下自存，设计寿命为30 a。

单位：m图1 平台总体结构尺度

该平台采用上部结构和下浮体分开建造，下浮体建造完成后采用浮托法下水，上部结构采用整体吊装合龙的方式建造。合龙前上部结构重约15 000 t，下浮体重约35 000 t。

上部结构与下浮体立柱连接界面如图2所示，包括上部结构的大支腿(向下箭头标记)、小支腿(四角星标记)、1根斜撑和上部结构下层甲板的大梁腹板。其中，斜撑及其底部肘板、下层甲板的大梁腹板底部约0.4 m高部分在合龙后安装。下浮体与上部结构的合龙界面仅为下浮体立柱顶与上部结构8根支腿的底部，其中，上部结构大支腿位置为主要合龙口，小支腿位置为次要合龙口。

图2 上部结构与下浮体立柱连接界面

图3展示了合龙时门式起重机(上部结构已吊起)、下浮体和船坞的水平相对位置。船坞底部沿下浮体西侧和北侧各安装2个限位装置作为下浮体定位的西侧和北侧边界。在下浮体被拖船顶推进入船坞之后，拖船撤离，船坞两侧的多个绞车(缆绳导轮)逐次拖带，将下浮体牵引至限位装置处，完成初步定位。

限位框架顶部均安装水平放置的千斤顶，可将下浮体推向东侧和南侧，船坞两侧的绞车辅助拖带，可以精确调整下浮体相对于已吊起上部组块的相对位置。

由于船坞水深不足以满足平台完全的漂浮合龙，在船坞底部根据下浮体底部结构形式和牺牲阳极分布情况布置坞墩。在合龙最终阶段，下浮体底部与坞墩部分接触，待合龙口焊接完成后，平台借大潮浮起出坞。同时，坞墩也可用于在下浮体漂浮合龙时合龙口变形量超出预期且调整合龙口偏差后变形量仍大于限值情况下的应急坐底合龙。

图3 下浮体在坞内的定位示例

2 下浮体的变形分析与调整

以往半潜式平台或与之类似的张力腿平台的下浮体在拖航、合龙时，下浮体的立柱顶部间大都设置临时或永久的水平撑，用于提高下浮体的刚度和强度，减少其与上部结构合龙口的相对变形量。

该平台上部结构下方有很多悬挂平台和管支架，高度均低于下浮体立柱顶，若增加水平撑会导致合龙工况的结构干涉。另外，由于下浮体立柱净间距约50 m，水平撑及其两端对应立柱内部的结构加强的评估重量约500 t，上部结构下方合龙后水平撑拆除将变得困难，若不拆除，这部分重量对于重量和稳性较为敏感的半潜式平台来说无法承受，因此，该平台立柱顶部没有增加水平撑结构，只尝试通过调整压载以尽可能地减少合龙口的变形量。

下浮体浮托下水后，使用少量压载水调平，吃水为5.7 m，下浮体的变形趋势如图4所示，4个浮箱均处于中拱状态，4根立柱向外张开。

图4 下浮体自由漂浮状态的变形趋势

通过在浮箱内侧压载舱内加入压载水减少浮箱中拱状态，可减少立柱顶部的水平变形。坞内水深为8.10 m，坞墩高度为0.35 m，下浮体底部的牺牲阳极高度加上外板厚度为0.25 m。在确保进坞过程中底部阳极与坞墩最小净空间为0.30 m的情况下，下浮体进坞最大吃水为7.20 m。该吃水的装载如图5所示，箭头指向的是浮箱内侧用到的压载舱，其余仅表示液舱形状，实际无装载。

图5 吃水为7.20 m状态的压载

当吃水从5.70 m增加至7.20 m，立柱顶部主要合龙口的水平变形量平均减少54%，如表1所示。表1中的方位代表平台4根立柱所处方向。

表1 下浮体主要合龙口的水平变形

最终7.20 m吃水时船体最大水平变形量为82 mm，考虑13 mm的下浮体建造误差和10 mm的上部结构建造误差，预估最大水平偏差量为105 mm(吊起后的上部结构合龙口的变形约16.5 mm，变形方向与下浮体合龙口相同，因此保守考虑可忽略上部结构合龙口的变形)。

3 合龙导向装置结构形式及设计载荷

考虑到上部结构吊起之后的弹性变形、下浮体自由漂浮状态的弹性变形、结构建造误差、下浮体和吊起的上部结构定位偏差等因素导致的合龙口对位偏差，需在合龙口设置适当的导向装置来进行校准[5]。该平台在下浮体主要合龙口位置设置合龙定位插尖(见图6)，上部结构框架的大支腿内部有捕捉套环，可实现合龙最终阶段250 mm范围内的精准捕捉定位。

图6 插尖和捕捉套环示例

为了设计插尖和套环及周边加强结构，需要确定插尖和套环在合龙过程中承受的最大水平载荷。上部结构和下浮体都可以被看作为弹性结构，该水平载荷可通过分别计算上部结构在套环位置的水平刚度、下浮体在插尖位置的水平刚度和合龙口的最大偏差量得到。

上部结构套环的水平刚度可以用生产甲板大梁的轴向刚度代替，大梁规格为PG1 500 mm×32 mm+850 mm×55 mm，截面积为0.138 m2，长度为49.5 m，其轴向刚度k1=EA/L，其中：E为钢材弹性模量；A为大梁截面积；L为合龙口的横、纵向距离。经计算k1=5.74×108N/m。

下浮体处于漂浮状态下在插尖位置分别沿横向(或纵向)施加相反方向100 t水平力，总水平合力为0 t(施加载荷见图7)。计算得到的插尖位置水平变形量与不加水平力状态下变形平均增大17 mm，下浮体插尖位置的水平刚度k2=5.77×107N/m。

图7 下浮体主要合龙口位置的刚度评估加载

实际上，插尖和套环的设计载荷还需考虑插尖与套环接触面的倾角和摩擦因数，这些内容在文中不作赘述。

4 下浮体次要合龙口的水平变形及刚度评估

上部结构小支腿处没有类似插尖和套环的捕捉限位装置，合龙后该位置可能出现上部结构支腿与下浮体对应结构的对位偏差，该偏差若超出6 mm(基于疲劳损伤计算确定)则须进行矫正。

在合龙最终阶段吃水达7.75 m，下浮体底部已经接触坞墩，此时浮力约47 000 t，平台重量约50 000 t，坞墩将承担剩余约3 000 t的重量(考虑到平台底部与船坞接触导致的浮力损失，该数值还将更大)。平台的重量则集中在4根立柱上，下浮体的4个浮箱处于中拱状态，因此仅有靠近平台底部外侧4个角落的底部坞墩承载了这部分多余的重量，而坞墩与下浮体底部的接触状态经过反复迭代核算最终确定。图8为平台底部西南立柱下方的坞墩布置，其中曲线包围的坞墩与平台底部接触(4个立柱下方的坞墩受力情况基本相同)，且越靠近西南角的坞墩承受载荷越大，坞墩最大支撑载荷为1.85×106N。

图8 合龙后平台西南立柱底部与坞墩接触状态

此处需注意坞墩的材质与下浮体结构不同，密集布置的坞墩可以看作平台底部的弹性基础，坞墩垂向刚度的正确模拟对分析坞墩接触状态和坞墩反力非常重要，坞墩反力可用于核算下浮体强度和船坞地基承载能力。坞墩模拟刚度越大，则靠近外侧角落的坞墩反力越大，而与船体接触的坞墩数量越少。坞墩刚度越小，坞墩反力越趋于接近，与船体接触的坞墩数量则越多。

在计算合龙后次要合龙口的水平变形和刚度时，计算模型中将上部结构小支腿底部(见图9箭头位置)与下浮体立柱顶部的连接处，释放2个水平连接刚度，仅保留垂向连接刚度，即仅传递垂向载荷，同时考虑下浮体底部与坞墩的接触状态。

计算得到次要合龙口位置下浮体和上部结构各自变形量如表2所示，相对最大水平偏差为5.2 mm，如表3所示，满足设计要求。

图9 合龙后小支腿附近刚度计算模型修改

表2 次要合龙口位置的变形

表3 次要合龙口偏差 mm

考虑到建造误差等因素导致更大的合龙偏差，还需要计算小支腿合龙位置的下浮体水平面内刚度，用于可能的偏差矫正。分析方法为在以上变形计算基础上，在下浮体与小支腿合龙位置施加1.0×106N水平方向的力，类似下浮体在主要合龙口刚度计算的载荷施加方式。将该位置的变形量与未加载荷前变形量的差值除以所施加水平力，得到该位置的水平刚度。小支腿位置下浮体水平变形结果如表4所示，加载前后变形差值为2.4 mm，换算后的刚度为4.17×108N/m。

表4 次要合龙口的变形结果 mm

5 结 语

半潜式FPSO的上部结构基本采用框架式结构，其与下浮体的连接界面(通常也是合龙界面)非常集中，合龙时2部分结构的合龙精度要求非常高，较高的合龙精度意味着更高的疲劳寿命。半潜式平台的合龙分析包括上部结构吊装分析、下浮体变形和强度分析、合龙口变形调整分析、合龙后平台浮态分析、合龙口导向结构局部强度分析和合龙口偏差调整分析等。

介绍该合龙方案中下浮体相关合龙分析，验证不加水平撑的半潜式FPSO下浮体可以采用调整压载、安装局部导向装置、考虑局部坐墩等方式，以实现平台的高精度合龙。