深水半潜式生产平台上部模块陆地安装技术研究

张 伟

(江苏海事职业技术学院，江苏 南京 211100)

0 引言

海洋平台由下浮体和上部模块组成。上部模块是海洋平台一个非常重要的组成部分，布置了油气处理、电站动力、生活楼等大型模块。与下浮体相比，上部模块的构成较为复杂，对于海洋平台的施工与管理造成一定影响[1]。上部模块是海洋平台作业的核心部位，因此对其建造以及安装方案进行研究具有重大工程意义。本文以一深水半潜式生产平台为例，结合国内某大型船厂现有硬件设施条件，对该平台上部模块的陆地安装技术进行了研究。

1 平台概述

目标半潜式生产平台由下浮体和立柱(以下简称“下部结构”)以及上部模块组成。下部结构包括环形下浮体、立柱，环形下浮体为整个生产平台提供浮力，并调节各种工况下的吃水；立柱承上启下，内部通道很多，结构复杂。上部模块采用框架式结构，主甲板上布置了油气处理、电站动力、生活楼等大型模块。

上部模块(包括：主体框架和其他次要结构、主甲板以上的独立模块结构以及所有固定设备、管线等)的质量约32 000 t。半潜式生产平台上部模块主体结构采用主甲板(Main Deck)与下沉甲板(Cellar Deck)之间的桁架式框架结构。该框架结构包括由方钢连接而成的位于主甲板与下沉甲板高度的两个平面框架，以及由支柱与斜撑组成的若干横向和纵向框架。主体结构框架以外，根据模块布置需要在横向和纵向扩展延伸出悬臂结构，同时部分生产工艺模块、动力共用模块以及生活模块作为独立的模块结构坐落于主体框架结构的主甲板面以上。

2 上部模块坞内安装方案

对于目标半潜式生产平台，由于上部模块的质量达到32 000 t，船厂不具备对该平台上部模块进行整体吊装的能力；整体滑移法和整体提升法需要用到大量的工装件，材料耗费大，工装件重复利用率低，成本太高，另外下部结构整体高度接近50 m，上部模块需要抬升的高度非常大，安全性大大降低，也不适用于目标半潜式生产平台。因此，基于该船厂现有硬件资源条件，对目标半潜式生产平台上部模块采用坞内总段吊装合拢方案进行整体安装[2]。

半潜式生产平台上部模块在坞内采用总段吊装进行总装合拢的建造方案基本思路如下：

(1)在完成半潜式生产平台下部结构整体总装合拢的基础上，利用平板车将建造完成的上部模块分段/总段运至船坞的外场，为总段吊装搭载做好准备。

(2)利用船坞龙门吊把平台组装所用的支撑工装吊至船坞，将其架设起来。

(3)再次利用龙门吊，吊装上部模块分段/总段至下部结构上方进行搭载，完成上部模块结构与下部结构的对接安装。

(4)平台在坞内完成上部模块总装建造，打开坞门放水，由拖轮将平台拖出船坞，靠泊码头。

上部模块在船坞内安装完成后，要开启坞门放水使平台漂浮，之后由拖轮将平台拖出船坞，因此需要考虑船坞深度是否满足平台漂浮所需达到的吃水。经计算，船坞深度满足平台漂浮所需吃水。

2.1 分段/总段搭载方案

上部模块结构总质量为2 864 t，超出了1号龙门吊起重的最大能力，因此将上部模块分为9个分段，单个分段质量控制在240～400 t，最大分段尺寸为31 m×33 m。上部模块主体框架结构的分段划分方案如图1所示。901～903分段为跨中分段，921～923(931～933)为左右舷对称分段。其中，901～903构成了总段90A，921+922组成了总段92A，931+932组成了总段93A。

上部模块分段搭载在船坞中进行，由于受限于吊车起重能力，无法进行整体吊装，因此需要将搭载过程分解为5吊：首先，搭载92A总段，完成跨中总段90A的吊装搭载；其次，单独吊装923分段；最后吊装93A总段和933分段，完成整个上部模块的搭载工作，具体吊装步骤如图3所示。

上部模块的搭载过程，主要需要确定船坞内上部模块支撑胎架的尺寸，并保证其水平精度。根据以往工程经验，选择桁架式的胎架，以克服胎架因大尺寸引起的柔性变形问题。在船坞内划好定位格子线，完成胎架布置工作后，使用经纬仪，测量每个胎架顶部的水平度，必要时，调整胎架底部垫高。

92A总段吊装到位后，保持龙门吊连接状态直至总段和立柱之间确定连接后，松开挂钩。90A总段为第2个搭载的总段，吊装前，需要对92A进行测量，并切除搭载余量；90A与92A之间焊接节点较多，需要安排8个焊工进行总段定位焊，在90A完成焊接后，对其宽度进行测量。在搭载923分段前，需要对90A总段与923分段对接处进行测量，再切割90A相应的搭载余量，最后吊装923分段，完成左舷和跨中部分的模块搭载。右舷总段和分段的吊装与左舷一侧一致，需要根据精度布置图和现场测量结果，切除搭载余量，保证模块整体的尺寸精度。

在完成上部模块搭载后，需要对其总体精度进行测量，并绘制其完工精度图。

2.2 分段/总段吊装方案

结合目标半潜式生产平台分段/总段的划分方案，采用“总段吊装法”进行总装建造时，需要根据平台上部模块各分段/总段结构特点，保证吊装作业的安全性，控制吊装作业对平台上部模块结构应力和变形的影响，从而制定合理的吊装方案。

在本次搭载方案中，根据起重要求，合理布置吊耳位置，选择合适的吊装方案，如表1所示。

表1 上部模块结构吊装方案

本节选取一质量最大的总段90A，对其吊装方案进行有限元强度分析。该总段位于上部模块框架结构中间区域，由901，902和903分段组成。90A总段由主甲板和下沉甲板中间的框架结构组成，质量约800 t，长81.15 m，宽31 m，高9.5 m。该总段结构长高比、长宽比均较大，结构刚度小，容易产生变形，吊装过程中要充分考虑这一特点，合理布置吊点位置。分析总段特点，可由1号船坞内的两台龙门吊以抬吊方式进行吊装。

采用有限元软件MSC.PATRAN建立90A总段结构的有限元模型。根据结构分布特点，在框架特定位置处，即方钢结构相交处设置6个吊点，每个吊点处有2个吊耳，由于吊耳和框架结构是以焊接的方式连接的，因此在建立边界条件时，在吊点处进行简支处理，有限元模型和边界条件加载如图3所示。载荷仅考虑总段所受重力作用，同时考虑到吊装过程中可能产生的动态加速度，将总段质量放大到1.1倍。

分析有限元计算结果可知，框架结构的最大应力值为74.9 MPa，出现在第四道横向框架中间处。结构材料为AH40钢，根据ABS MODU[3]规范，许用应力为280 MPa，UC值为0.27，因此结构强度满足规范要求。结构整体的变形值为40.9 mm，考虑到模块的大尺度，该变形较小，因此也满足要求。综上所述，抬吊时上部模块结构是安全的，吊装时的结构响应结果如图4—5所示。

3 结语

本文基于一深水半潜式生产平台上部模块，结合国内某大型船厂现有硬件设施条件，考虑其结构型式及质量，对其分段/总段在坞内搭载方案以及吊装方案进行了研究，避免了修建巨型工装,为后续的码头浮吊安装模块方案奠定了基础。