惠州25-8 DPP組塊動力定位浮托安裝研究

白雪平，李 達，范 模，易 叢

(中海油研究總院，北京 100027)

隨著海上油田的勘探開發(fā)，海上平臺正向大型化、集約化方向發(fā)展，平臺上部組塊的整體重量也隨之增加。高速發(fā)展的海上油氣田開發(fā)，對海上超大型平臺的安裝技術(shù)及作業(yè)能力提出了更高的要求。大型組塊的傳統(tǒng)安裝方式有分塊吊裝和整體浮托，受起重船起吊能力、結(jié)構(gòu)強度和結(jié)構(gòu)物尺寸、巨型起重船數(shù)量、使用費用等因素的限制，用吊裝法安裝大型平臺組塊難度和成本較高，且不能用于超大型組塊安裝，因此整體浮托安裝應(yīng)運而生，且是萬噸級組塊整體安裝的最佳解決方案。

浮托安裝法誕生于20世紀(jì)80年代，到目前為止，世界上已經(jīng)完成的浮托法安裝的組塊超過30座，中海油于2005年在南堡35-2油田上首次實施了浮托法安裝，到2014年1月已完成了16座組塊的整體安裝設(shè)計，其中9座為大型組塊的浮托安裝，節(jié)省了組塊安裝工期及費用，縮短了海上連接調(diào)試時間，見表1。

根據(jù)組塊浮托安裝駁船有無動力，可以分為常規(guī)無動力駁船(圖1)和動力定位駁船(圖2)兩種。目前只有惠州25-8油田的動力生活平臺組塊(簡稱惠州25-8 DPP組塊)采用動力定位船舶海洋石油278進行浮托，究其原因是其中14座組塊位于渤海海域，水深較淺，錨泊定位成本較低，常規(guī)無動力駁船費用較低，而荔灣3-1氣田中心處理平臺由于其浮托重量較重，國際上無法找到能滿足其浮托作業(yè)的動力定位船舶。目前國際上采用動力定位船舶已成功完成8座組塊的浮托安裝，還有3座組塊正在設(shè)計中(含惠州25-8 DPP組塊)，隨著浮托安裝技術(shù)的發(fā)展，由常規(guī)無動力駁船向動力定位船舶轉(zhuǎn)變是一個必然的趨勢。本文主要針對動力定位船舶進行組塊浮托安裝，給出動力定位能力分析，并應(yīng)用于惠州25-8 DPP組塊安裝設(shè)計。

表1 組塊浮托安裝設(shè)計匯總表Tab.1 The overall topside installation by float-over method

圖1 無動力駁船(海洋石油229)安裝荔灣3-1組塊Fig.1 Liwan 3-1 topside installation by HYSY229

圖2 動力定位船舶(泰安口)安裝馬來西亞海域組塊Fig.2 Malaysia topside installation by Taian Kou

1 動力定位船舶浮托安裝研究

1.1 概述

浮托法是利用安裝船舶載運海上平臺上部組塊進入已安裝的導(dǎo)管架槽口，在安裝過程中依靠潮位、駁船調(diào)載與升降機構(gòu)等方式實施上部組塊重量的轉(zhuǎn)移，同時輔以專用聯(lián)接部件，完成組塊與導(dǎo)管架對接作業(yè)的安裝技術(shù)。傳統(tǒng)的浮托安裝需要進行系泊系統(tǒng)定位以及輔助拖輪牽引，如圖1的海洋石油229甲板上布滿了用于系泊定位的設(shè)備和結(jié)構(gòu)，而制造、安裝和使用這些設(shè)備和結(jié)構(gòu)將耗費大量的費用和準(zhǔn)備時間，且安裝時需要動用大型的浮吊及專業(yè)人員配合，而如圖2的泰安口利用其自身推進器的能力能夠保持船舶定位和航跡控制，為浮托安裝帶來技術(shù)和經(jīng)濟的優(yōu)勢:

1)動力定位船舶具有自航能力，航行安全性更高，且在浮托安裝操作中無需拖輪協(xié)助和系泊系統(tǒng)的布置和連接，且其費用不會隨著水深的增加而增加。

2)動力定位船舶進行浮托安裝，可以抵抗更大的海上作業(yè)工況，此外在浮托安裝過程中壓載能力強，精準(zhǔn)對接能力強，可使常規(guī)浮托安裝所需的6個小時降低為3個小時，甚至更短的時間內(nèi)完成作業(yè)，增加了施工作業(yè)的天氣窗口，可更為有效地保障組塊安裝工期的要求，尤其適合南中國海惡劣環(huán)境條件下的浮托作業(yè)。

目前國內(nèi)能進行組塊浮托安裝的動力定位船舶較少，能力從1萬噸到1.6萬噸，如表2所示，截至目前，國際上應(yīng)用動力定位船進行浮托安裝的項目均由GL Noble Denton設(shè)計，使用中遠(yuǎn)船務(wù)的泰安口/康盛口作為浮托主作業(yè)船。

表2 動力定位船舶性能參數(shù)Tab.2 The dynamic position vessels

1.2 浮托安裝總體設(shè)計

動力定位船舶浮托安裝分析的工作量相當(dāng)繁雜，需要根據(jù)動力定位(以下簡稱DP)系統(tǒng)能力進行環(huán)境條件評估、駁船能力評估及數(shù)值模擬分析，需根據(jù)數(shù)值模擬計算所有工況的運動和受力，并以此計算結(jié)果不斷調(diào)整安裝時環(huán)境條件、各個系統(tǒng)的位置和剛度等參數(shù)，從而保證安裝階段的載荷在整個系統(tǒng)所能承受的范圍內(nèi)，并盡可能減少海上操作的風(fēng)險，減少平臺建造和海上施工成本［1］。進行動力定位船舶浮托安裝的設(shè)計，主要有如下工作:

1)駁船初步選擇:根據(jù)海洋平臺組塊重量進行駁船資源的選擇，并與船東聯(lián)系，確定駁船用于該項目的可行性;

2)環(huán)境條件評估:根據(jù)所選擇的駁船的定位能力和平臺所在海域的環(huán)境條件，確認(rèn)所在海域環(huán)境條件是否滿足浮托法操作要求;

3)駁船能力評估:對所選擇的駁船進行評估，確保駁船滿足所有控制工況的要求，并鎖定駁船資源;4)浮托法數(shù)值模擬和設(shè)計:進行組塊浮托安裝法各工況的數(shù)值模擬和設(shè)計。

1.3 浮托安裝設(shè)計方法

浮托法安裝操作時，導(dǎo)管架處于沒有任何遮蔽的開敞水域，駁船進退船時受到風(fēng)浪流及涌的綜合作用，浮托安裝時組塊與導(dǎo)管架的對接合攏，涉及到駁船、導(dǎo)管架和上部組塊的耦合作用及耦合運動，各剛體間耦合運動情況極其復(fù)雜，對全過程數(shù)值模擬及分析技術(shù)提出了更高的要求。為了準(zhǔn)確預(yù)測DP、橫蕩護舷和縱蕩護舷之間的耦合作用及運動響應(yīng)，需建立多自由度彈性約束的力學(xué)模型，一般采用時域法能夠獲得更加精確的分析結(jié)果，即在每一步時間，需根據(jù)上一步時間動力定位船舶的六自由度運動和速度，計算出所需DP的矯正力，并把此力加入運動方程中計算下一步的船體運動，而DP的矯正力是根據(jù)卡爾曼濾波理論及PID控制理論得出。卡爾曼濾波可通過下式得出:

式中:M為慣性矩，x、y、ψ為縱蕩、橫蕩和艏搖的運動量，u、v、ω為縱蕩、橫蕩和艏搖的速度，τx、τy、τψ為縱蕩、橫蕩和艏搖的力和力矩，wx、wy、wψ為縱蕩、橫蕩和艏搖的噪音分量。

在計算駁船的運動及各推進器的推力時，為計及由駁船運動產(chǎn)生動態(tài)拉力的非線性特性，通常建立動力定位船舶平均、低頻和波頻組合響應(yīng)的總體運動方程，載荷函數(shù)應(yīng)包括由于風(fēng)、浪、流和推進器產(chǎn)生的平均力、低頻力和波頻力。船體和推進器載荷在同一個時域動力學(xué)方程組中模擬，從而獲得所有系統(tǒng)參數(shù)的時間歷程，然后對時間歷程進行統(tǒng)計而得到期望的極值。時域中的運動方程為:

式中:Mij為i行j列基本質(zhì)量陣;Cij為i行j列剛度陣;Fwv為波浪力;aij為附加質(zhì)量陣;Rij為延遲函數(shù)陣;X為位移陣，T為DP推力;Fc為流力;Fwd為風(fēng)力;NT為推進器數(shù)量。

1.4 環(huán)境力計算

動力定位系統(tǒng)能抵抗定常環(huán)境力，特別是低頻運動。動力定位能力計算中考慮的是水平方向環(huán)境載荷與推力器產(chǎn)生推力的靜態(tài)平衡，需要滿足下列等式:

式中:Txi、Tyi和Mzi分別為各個推力器在水平三個方向上產(chǎn)生的力和力矩，NT為推力器數(shù)目;Fwvx、Fwvy和Mwvz為波浪漂移作用引起的力和力矩;Fcx、Fcy和Mcz為海流力和力矩;Fwdx、Fwdy和Mwdz為風(fēng)力和力矩。

1)風(fēng)力。風(fēng)載荷采用模塊法進行計算，模塊法是估算海上結(jié)構(gòu)物風(fēng)載荷常用的方法，是將整個結(jié)構(gòu)離散成不同的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模塊，疊加各組成構(gòu)件的載荷獲得總載荷。一般來說各個方向下的風(fēng)力和風(fēng)力系數(shù)由風(fēng)洞實驗得到或根據(jù)相關(guān)規(guī)范可進行風(fēng)力估算，例如API［2］的經(jīng)驗公式為:

式中:Cw=0.615 N·s2/m4，Cs為形狀系數(shù)，Ch為高度系數(shù)，A為構(gòu)件沿風(fēng)向的投影面積(m2)，Vw為海平面上10 m處的平均風(fēng)速(m/s)。

2)波浪平均漂移力。動力定位系統(tǒng)只考慮對波浪漂移力進行抵抗，而不考慮波頻的振蕩力。波浪平均漂移力在沒有模型實驗支持的前提下可通過水動力分析軟件獲得，例如Sesam、Aqua等。

3)流力。流載荷同樣采用模塊法進行計算。各個流向下的流力和流力系數(shù)由水池實驗得到或者根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式進行估算，例如OCIMF［3］經(jīng)驗公式為:

式中:Fxc、Fyc、Mxyc為作用在浮體上水平三個方向上的力和力矩，Cxc、Cyc、Cxyc分別為縱向、橫向和艏搖流力系數(shù)，Vc為流速，LBP為垂線間長，T為船舶吃水。

1.5 定位能力分析

動力定位船舶各推進器在浮托作業(yè)中需發(fā)揮自身的能力使其具有足夠的定位能力和艏向控制，浮托安裝分為待機、進船、對接和退船四個階段。針對DP2的特點，參考失效模式與影響分析(FMEA)報告中的失效模式，在浮托安裝中只考慮單一推進器失效［4］。在待機階段時，船舶位于導(dǎo)管架300 m以外，在進船前需進行操船實驗，以確保各推進器處于完整模式，。在浮托作業(yè)各階段，需依靠各推進器進行配合作業(yè)，以保證安裝船舶和組塊的安全性。綜合考慮浮托安裝過程中各個推進器的作用及定位能力，可得到完整模式和失效模式動力定位在浮托安裝中所能抵抗的環(huán)境條件:

1)完整模式。在進行環(huán)境條件評估時，一般參考國內(nèi)外浮托安裝的工程經(jīng)驗和動力定位船舶的特點，首先設(shè)定浮托法安裝時的波浪條件和流速條件，然后根據(jù)DP系統(tǒng)的能力確定在限定波浪和流速情況下，DP所能抵御的最大風(fēng)速，而此時的風(fēng)、浪、流限制條件即為DP系統(tǒng)在浮托法安裝時發(fā)揮效用的極限條件，并以此用來定義DP系統(tǒng)的能力。根據(jù)南中國海及國際上其他海域浮托安裝的工程實踐，在限定的波浪和流速情況下進行以下三種情況來進行DP能力分析:①只有風(fēng)存在時DP系統(tǒng)的能力;②只有流存在時DP系統(tǒng)的能力;③風(fēng)、浪、流同時存在時DP系統(tǒng)的能力。

2)失效模式。根據(jù)動力定位船舶推進器分布，其主要的失效模式有以下三種:①主推進器失效;②艏部推進器失效;③艉部推進器失效分析。失效模式下DP系統(tǒng)能力分析的思路是保持和完整模式同樣的波浪和流速條件，得到所能承受的最大風(fēng)速。

1.6 浮托安裝緩沖裝置設(shè)計

動力定位浮托安裝過程主要依靠DP來實現(xiàn)駁船的位移和艏向控制，通過護舷及其他緩沖裝置來實現(xiàn)緩沖運動，減小碰撞力，以避免載運平臺組塊的船體在進入導(dǎo)管架槽口前后因惡劣的環(huán)境條件產(chǎn)生過大的運動或者碰撞力，從而使得駁船無法進入導(dǎo)管架槽口或者導(dǎo)管架/組塊/駁船之間產(chǎn)生破壞。在設(shè)計之初，就需要設(shè)計相關(guān)的緩沖裝置以減少碰撞力。

1)護舷的設(shè)計。護舷是橫蕩護舷以及縱蕩護舷的統(tǒng)稱，它們是在浮托安裝中起到水平方向的定位和緩沖作用的設(shè)備。一般來說，護舷的形式和剛度將通過DP、環(huán)境力的大小及導(dǎo)管架的受力進行設(shè)計調(diào)整，因此護舷的型式和剛度曲線對駁船和導(dǎo)管架的強度是非常重要的。

2)對接緩沖裝置(LMU)和組塊支撐裝置(DSU)的設(shè)計。平臺組塊與導(dǎo)管架對接時，需采用LMU來減少導(dǎo)管架與組塊腿之間碰撞載荷，平臺組塊與駁船分離時，需采用DSU來減小組塊與駁船甲板上支撐結(jié)構(gòu)間沖擊載荷。合理選擇LMU和DSU的規(guī)格和剛度，可以保證在組塊荷載從駁船向?qū)Ч芗苻D(zhuǎn)移的各階段，整個系統(tǒng)所受到的碰撞力在平臺組塊、導(dǎo)管架以及駁船可承受的范圍內(nèi)。除了考慮LMU和DSU的剛度以外，還要合理考慮導(dǎo)管架和組塊的結(jié)構(gòu)剛度。

2 惠州25-8 DPP組塊動力定位浮托安裝分析

惠州25-8油田位于南中國海珠江口地區(qū)，水深為99.8 m，主要的工程設(shè)施為一座動力生產(chǎn)平臺，組塊浮托重量為15 500 t，組塊長72 m，寬40 m，導(dǎo)管架槽口間距為48 m。導(dǎo)管架腿上安裝2個縱向護舷和4個橫向護舷，LMU彈性體的沖程為0.3 m，彈性體部分可承載75%組塊重量，DSU的彈性體的沖程為0.25 m，可承載30%組塊重量。由于海洋石油278是中海油內(nèi)部船舶資源，在設(shè)計之初就已鎖定，故采用海洋石油278進行組塊浮托安裝設(shè)計分析。

“海洋石油278”駁船是一艘DP2半潛駁，共有7個推進器，推進器的能力如表3所示。

表3 海洋石油278半潛駁推進器能力Tab.3 The thruster force for HYSY278

2.1 環(huán)境條件評估

根據(jù)動力定位能力分析方法，可以得出海洋石油278船失效模式與完整模式的定位能力玫瑰圖，如圖3所示。從中可以得出，1個主推進器失效及1個艏部回轉(zhuǎn)或隧道推進器失效時，DP系統(tǒng)能抵御的最低風(fēng)速基本維持不變，但1個尾部隧道側(cè)推器失效時，DP系統(tǒng)能抵御的最低風(fēng)速明顯減小，1小時最大平均風(fēng)速為7.75 m/s。

圖3 海洋石油278動力定位能力玫瑰圖Fig.3 The DP capability plot of HYSY278

結(jié)合國內(nèi)外常規(guī)無動力駁船浮托安裝的環(huán)境條件，考慮南中國海的海域特征、“海洋石油278”船各推進器能力和安裝氣候窗的要求，惠州25-8 DPP組塊浮托安裝的限制環(huán)境條件如表4和表5所示。

表4 完整模式下浮托安裝限制環(huán)境條件Tab.4 The environment condition for intact floatover operations

表5 失效模式下浮托安裝限制環(huán)境條件Tab.5 The environment condition for floatover operations in one failure thruster

根據(jù)DP系統(tǒng)的能力、惠州25-8油田環(huán)境特征，進行了相關(guān)月份浮托法安裝的適應(yīng)性分析。在限制的波浪、流速以及風(fēng)速條件下，不考慮風(fēng)浪流之間的相關(guān)性，得到浮托法安裝的可操作概率。對于安裝月份，完整模式下可操作概率為81.28%，失效模式下可操作概率為60.56%，滿足常規(guī)浮托安裝所需的氣候窗要求。

2.2 駁船能力評估

惠州25-8 DPP上部組塊在青島碼頭5號滑道建造完畢，需通過拖拉設(shè)備進行拖拉上船。根據(jù)駁船在碼頭前沿的擺放形式，滑移裝船分為橫向和縱向兩種形式。目前國內(nèi)超大型組塊均采用縱向裝船方式，考慮到“海洋石油278”是一艘半潛駁，裝船方式受駁船調(diào)載能力、船體結(jié)構(gòu)強度、青島碼頭潮汐變化等因素的影響，在前期針對橫向裝船和縱向裝船兩種方式進行了詳細(xì)的論證，如表6所示。

表6 橫向裝船和縱向裝船對比分析Tab.6 Comparison between transverse loadout and longitudinal loadout

從表4中可以看出，從技術(shù)可行性、國內(nèi)外經(jīng)驗和經(jīng)濟性的角度來看，惠州25-8 DPP大型組塊推薦采用橫向裝船，這也是中海油首次對大型組塊采用的裝船方式。

組塊裝船完畢后需從青島場地拖航運輸?shù)桨惭b海域，大型結(jié)構(gòu)物海上長距離的運輸需進行運輸安全性評估，以確保運輸船舶的穩(wěn)性安全、船體總強度適應(yīng)海況要求和海洋結(jié)構(gòu)物能承受運動載荷，這也是平臺設(shè)計的主要環(huán)節(jié)。拖航環(huán)境條件采用拖航路線上10年一遇月極值。組塊拖航時駁船的穩(wěn)性評估主要考察浮托船舶的完整穩(wěn)性是否滿足規(guī)范或者指南［5］的要求。考慮運輸船為自航駁，穩(wěn)性衡準(zhǔn)需滿足船級社和IMO的規(guī)定，表7為惠州25-8 DPP組塊拖航時的完整穩(wěn)性評估結(jié)果，一般浮托船舶的破艙穩(wěn)性容易滿足要求。

表7 拖航穩(wěn)性評估結(jié)果Tab.7 The stability result of towing condition

駁船的總縱強度需要滿足所有工況的要求，通常來說，裝船和組塊運輸時的總縱強度是可能的控制工況，組塊拖航時的總縱強度是本項目的控制工況。圖4為惠州25-8 DPP組塊拖航時駁船的總縱彎曲值。可以看出，駁船總強度滿足要求。

2.3 組塊浮托安裝數(shù)值模擬成果

當(dāng)組塊到達油田海域附近300 m處，保持拖航吃水，等待合適的氣候窗，壓載至預(yù)進船吃水。駁船在自身動力和進船導(dǎo)向的幫助下順利進入導(dǎo)管架，同時開始切割組塊與駁船之間的支撐結(jié)構(gòu)。駁船進入導(dǎo)管架之后，依靠自身推進器繼續(xù)牽引組塊，直至平臺組塊立柱正好落在相應(yīng)的導(dǎo)管架腿的正上方，此時駁船的橫向運動受護舷的控制，縱向運動由DP以及縱蕩護舷來控制。

在進船過程中需考慮以下情況:1)船尾靠近導(dǎo)管架但未進入，此階段需用DP控制船的方向及船尾橫向、縱向運動，船尾橫向運動控制在±2.5 m之內(nèi)。2)船尾進入導(dǎo)管架后需用船首推進器控制船的方向，船尾隧道推進器停止工作。根據(jù)海況大小，在進船過程中主推進器可參與控制船的縱向運動。根據(jù)本文的研究發(fā)現(xiàn)，在進船過程中船尾最大橫向位移為±2.3 m，船縱向所需最大推力為67 t，橫蕩護舷的最大受力為150 t，最大壓縮量為0.62 m，滿足設(shè)計要求。根據(jù)浮托安裝的限制條件對組塊浮托安裝進行數(shù)值模擬，設(shè)計的關(guān)鍵結(jié)果是在進船過程中LMU處的最小垂向間隙為0.87 m，對接前 LMU處的最大水平位移為0.574 m，對接過程中LMU處在垂向上的最大受力為3 147 t，DSU處的最大受力為5 170 t，對接結(jié)束后，駁船在DSU處的最大垂向運動為0.696 m，退船過程中護舷最大應(yīng)力為120 t，最大壓縮量為0.53 m，船首最大橫向位移±1.1 m，船首DP最大側(cè)向推力37 t，縱向所需最大推力39 t。所有浮托安裝中典型工況的荷載都需要提取出來用于結(jié)構(gòu)分析。計算結(jié)果表明，浮托安裝產(chǎn)生的荷載在導(dǎo)管架和組塊結(jié)構(gòu)可承受的范圍內(nèi)，各關(guān)鍵參數(shù)均滿足設(shè)計要求，駁船縱向所需推力由船首回轉(zhuǎn)推進器和主推進器來實現(xiàn)。

圖4 拖航工況下的總縱彎曲值Fig.4 The bending moment of towing condition

3 結(jié)語

從動力定位船舶的優(yōu)勢出發(fā)，首先進行浮托安裝方法介紹，確定環(huán)境力，其次進行動力定位能力分析和緩沖裝置的設(shè)計，并以惠州25-8 DPP組塊浮托安裝分析為例，給出了南中國海海域浮托安裝的氣候窗、駁船能力評估及浮托安裝數(shù)值模擬結(jié)果，得出如下的結(jié)論與建議:

1)動力定位船舶由于浮托安裝過程中具有技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟性等伏勢，使其非常適合于系泊定位困難的南中國海深水海域。

2)綜合動力定位船舶的能力分析，結(jié)合國際上常規(guī)浮托作業(yè)氣候窗，給出惠州25-8 DPP組塊浮托安裝的環(huán)境條件，使其在安裝月份進行浮托作業(yè)的可操作概率大于50%，滿足常規(guī)的氣候窗要求。

3)惠州25-8 DPP組塊采用橫向裝船，導(dǎo)管架上安裝2個縱向護舷和4個橫向護舷，浮托安裝的關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

4)惠州25-8 DPP平臺采用預(yù)先將LMU安裝在組塊支柱上、護舷安裝在導(dǎo)管架上，大大減少了海上作業(yè)的時間及大型浮吊資源的長期占用，節(jié)省了工程投資;

5)由于東海環(huán)境條件較惡劣，滿足浮托安裝的氣候窗小于50%，為了提高組塊的安裝效率，建議東海可以考慮動力定位和多點系泊組合的定位系統(tǒng)來協(xié)助組塊進行浮托安裝。

［1］ 李達，范模，易叢，等.海洋平臺組塊浮托安裝總體設(shè)計方法［J］.海洋工程，2011，29(3):13-22.(LI Da，F(xiàn)AN Mo，YI Cong ，et al.General design method on floa-t over installation of platform’s topsides［J］.The Ocean Engineering，2011，29(3):13-22.(in Chinese))

［2］ API RP 2SK，Recommended practice for design and analysis of station-keeping systems for floating structures［S］.3rd Edition，2005.

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［4］ IMCA，Specification for DP capability plots［S］.IMCAM I40 Rev.I，2000.

［5］ Noble Denton，Technical policy board guidelines for marine transportations［S］.Rev.4，2010.