半潛式生產平臺陸地移運方案及浮托流程分析

張 偉，袁洪濤，楊 勇，王鈺涵

(上海外高橋造船有限公司 海洋工程設計有限公司，上海 200137)

半潛式生產平臺陸地移運方案及浮托流程分析

張 偉，袁洪濤，楊 勇，王鈺涵

(上海外高橋造船有限公司 海洋工程設計有限公司，上海 200137)

隨著海洋平臺重量的不斷增加，采用浮托法對平臺進行海上安裝時，將大型上部模塊安全運至碼頭上駁是浮托安裝需要解決的首要難題。以一深水半潛式生產平臺為研究對象，對上部模塊的陸地移運，考慮動力頭、滑軌,以及滑道三種方案，運用有限元方法比較分析上部模塊移運過程中的應力、變形及碼頭引橋受力情況。結果表明，滑道方案較為合理，介紹該平臺海上浮托安裝流程，以及所需關鍵設備。

半潛式生產平臺；大型上部模塊；陸地移運；浮托安裝；有限元方法

隨著海洋油氣資源的不斷開采，各種類型的海洋平臺正朝著大型化、綜合化方向發展，平臺結構的整體質量有所增加,從而導致平臺安裝的難度也隨之增大。目前，海洋平臺上部模塊的海上安裝技術已經成為海洋工程領域的一大研究熱點[1]。國外學者對半潛式平臺的浮托安裝技術進行了大量研究，但存在一定的技術封鎖。國內學者針對小型導管架,以及自升式平臺移運上駁，以及浮托方案進行了探索[2-4]。在前人對導管架及自升式平臺的研究基礎上，以大型深水半潛式生產平臺為研究對象，對其上部模塊上駁之前的陸地移運方案進行研究，選取動力頭、滑軌以及滑道三種方案，對其移運過程中的結構響應進行對比分析，選取較優方案。

1 上部模塊概述

上部模塊(包括主體框架和其他次要結構、主甲板以上的獨立模塊結構以及所有固定設備、管線等)的重量為32 000 t。半潛式生產平臺上部模塊主體結構采用主甲板(main deck)與下沉甲板(cellar deck)之間的桁架式框架結構。該框架結構包括由方鋼連接而成的位于主甲板與下沉甲板高度的兩個平面框架，以及由支柱與斜撐組成的若干橫向和縱向框架。主體結構框架長79.65 m，寬77.7 m，高8.0 m。主體結構框架以外，根據模塊布置需要在橫向和縱向擴展延伸出懸臂結構，同時部分生產工藝模塊、動力共用模塊以及生活模塊作為獨立的模塊結構坐落于主體框架結構的主甲板面以上，在主體框架結構的邊緣還根據需求布置了燃燒臂以及吊機結構，見圖1。

圖1 半潛式生產平臺上部組成

2 上部模塊陸地移運方案

半潛式生產平臺上部模塊上駁船之前，先要將其整體運至碼頭，可選擇的陸地移運方式有：動力頭、滑軌和滑道運輸。移運方式的選擇，一方面需要保證大型模塊結構的安全，另一方面需要考慮引橋的安全。由于船廠引橋的承載能力有限，所以必須充分論證。

2.1 動力頭移運方案

動力頭是專門為大型和重型貨物運輸設計的多軸組合式拖車運輸，由底盤和轉向輪構成，可就地操作或通過無線電遠程控制。以承載能力139.9 t，長8.73 m，寬2.43 m的動力頭為例，目標平臺上部模塊長79.65 m，寬77.7 m，總重32 000 t，根據動力頭的尺寸盡可能將其布置在強框架的位置。上部模塊可由首尾方向或舷側方向移運至駁船處，但后一種方案使得動力頭正好處于強框架之間，移運時不利于上部模塊結構強度的保證，因此采用圖2所示的縱向布置方案，上部模塊沿首尾方向移向駁船。引橋主要由中間的主橋和兩邊的輔橋組成，主橋寬20 m，輔橋寬10 m[5]。由于引橋上部模塊懸掛甲板下面布置12排、每排8輛首尾相連的動力頭組合，總的運輸能力為13 430 t，遠小于上部模塊總重32 000 t。

運用動力頭對上部模塊進行陸地移運雖然靈活簡便，但是運輸能力十分有限，且著力點處通常受力較大，可能會對引橋的安全造成威脅。另外，動力頭租用成本很高，移運時使其達到同步性也存在一定的控制難度，故該方案不可行。

2.2 滑軌移運方案

滑軌的運輸能力很強，一般能滿足運輸負載的需求。滑軌自上而下分別為滑動鞋、滑板、木塊和混凝土墩，其中軌道寬1.5 m，高0.5 m，軌道采用的板材厚度15 mm，相關材料參數見圖2。

圖2 動力頭移運方案示意

針對上部模塊結構特點，制定了相應的滑軌移運方案。該方案采用7條滑軌，見圖3(從上到下分別編號為：L-1至L-7)。

根據上述滑軌移運方案，對滑軌系統進行有限元模擬[6-7]。滑軌系統的滑動鞋采用MPC模擬

表1 滑軌系統材料參數

圖3 滑軌移運方案示意

并與主船體相連，以模擬滑軌系統對載荷的傳遞作用。其中滑軌基座采用剛性固定，約束基座底部6個自由度運動，載荷為重力慣性載荷。滑板采用殼單元建模，木塊和混凝土墩采用體單元建模，滑軌布置有限元模型及計算結果見圖4。

分析有限元結果可知，上部模塊在用滑軌進行陸地移運過程中，上部模塊整體結構應力不大，最大應力出現在吊機筒附近，數值為212 MPa，滿足強度要求；結構最大位移為27.3 mm，未超過30 mm標準。但在滑動鞋處的滑軌存在應力集中現象，原因在于滑動鞋承載力較大，但接觸面積有限，滑動過程中可能會對該處的上部模塊局部結構造成破壞。上部模塊滑移過程中，橋面受到的最大壓力發生在L-1滑軌上，主橋最大線壓力為157.5 t/m ，輔橋最大線壓力為160.5 t/m。主橋和輔橋的許用線壓力分別為150、75 t/m，上部模塊對主橋和輔橋橋面的作用力均超過了極限值，而滑軌對橋面的壓力是很難降低的，因此存在較大風險，該方案不予采用。

2.3 滑道移運方案

滑道運輸是目前大型海洋結構物平地運輸及下水的主要方式之一。滑道布置方案與滑軌類似，即在主橋上設置3條滑道，在兩個輔橋上分別設置兩條滑道，共計7條滑道。滑道自上而下分別由墩木、方箱、小車、滑道及混凝土墩組成。其中，滑道寬度1.5 m，墩木高度0.3 m，方箱高度0.5 m、使用20 mm厚鋼板焊制(為保證方箱的平整性，需將每個方箱的長度控制在8 m左右)，混凝土底座高度為0.9 m，相關材料參數和滑軌的一致。

圖4 滑軌方案有限元計算結果

根據上述滑道移運方案，對滑道系統進行有限元模擬。其中水泥墩基座采用剛性固定，約束底部6個自由度運動，載荷為重力慣性載荷。墩木和混凝土底座采用體單元模擬，方箱和滑板采用殼單元模擬，滑道布置模型及有限元計算結果見圖5。

圖5 滑道方案有限元計算結果

由以上有限元計算結果可知，上部模塊在用滑道進行陸地移運過程中，上整體結構應力也不大，最大應力與滑軌方案值相同，滿足強度要求；結構最大位移為27.4 mm，稍大于滑軌方案變形值，也未超過30 mm標準。

滑軌和滑道兩種方案下相同位置處軌道的混凝土墩沿軌道方向的應力變化見圖6。

圖6 滑軌和滑道兩種方案混凝土墩應力比較

由圖6可知，不同于滑軌方案混凝土墩應力的突變，滑道所承載的載荷分布相對比較均勻。上部模塊滑移過程中，橋面受到的最大壓力發生在L-7滑軌上，主橋最大線壓力為131.0 t/m，輔橋最大線壓力為133.5 t/m，上部模塊對輔橋的作用力超過了極限值，但相對滑軌方案而言，引橋壓力值均有所下降。實際操作中過程中可對輔橋進行適當加固，從而解決該問題，因此滑道方案較為合理。

3 海上浮托安裝

3.1 浮托安裝流程

自海洋平臺浮托安裝法出現后，國內外已有很多個平臺安裝項目采用浮托法進行安裝，但是每個平臺安裝項目并不相同，存在著各種差異，比如，平臺上部模塊重量及結構形式不同，平臺下部結構的形式不同，所在海域水深及海況不同等。本文中的半潛式生產平臺采用耦合(mating)安裝技術[8-9]，使上部模塊與立柱頂端對接成功。上部模塊海上浮托安裝程序比較復雜，具體步驟如下。

1)滑移上駁。這個過程主要是將在陸地上建造并調試好的半潛式生產平臺上部模塊從碼頭滑移上駁船，然后安裝裝船固定，以保證安全運輸。同時安裝船尾導向護舷、橫蕩護舷以及縱蕩護舷，之后調試位置參考系統、備用進船絞車系統、風浪流潮監控系統、船舶運動監控系統、浮托視頻監控系統及照明系統等。

2)海上運輸。當上部模塊上駁船后，選擇安裝海域較好的天氣狀況時段，將上部模塊連接拖船進行海上運輸。上部模塊運輸至浮托安裝作業區附近時，進行現場就位訓練，訓練完畢后進入浮托安裝作業區。

3)駁船就位。駁船抵達待命位置，進行錨泊定位，將其系于下部基礎結構上。解脫船尾就位拖輪，調整駁船位置，接近半潛式生產平臺下浮體和立柱結構。連接交叉纜，借助交叉纜進入生產平臺立柱之間。連接縱向纜，繼續進船，啟動翻轉滑子，解脫交叉纜。在進船過程中要確保上部模塊法蘭口與定位錐和安裝墩之間的距離不小于1 m，使駁船運載的上部模塊與主船體上的4個定位錐對齊，為后面的荷載轉移做好充分的準備。在控制駁船的位置過程中，主要控制駁船的橫向運動，盡量的減小其橫向運動位移，避免與立柱間發生較為劇烈的碰撞，以免造成不必要的損壞。

4)荷載轉移。上部模塊與平臺對齊后，就要進行荷載轉移。該階段主要就是將上部模塊的重量從駁船上逐漸轉移到下部結構上的過程，這個過程一般都是通過主船體排水，使主船體上升。隨著主船體上升，上部模塊與之發生接觸。剛接觸時，此時上部模塊的重量荷載轉移量為 0，繼續對主船體進行排水，主船體不斷上升，使得立柱上的定位圓錐(guide cone)慢慢插入上部模塊邊緣的法蘭里，上部模塊的重量逐步轉移到主船體上，荷載轉移量 100%，上部模塊支撐在立柱上12個安裝墩(mating stool)上。

5)駁船撤離。當上部模塊的重量荷載全部由駁船轉移到主船體上后，切割裝船固定，對駁船進行壓載下沉，使駁船與上部模塊脫離。在繼續加載過程中，不能無限壓載，要注意駁船船底與生產平臺下浮體之間的間隙，避免碰撞。當上部模塊與駁船脫離后，此時駁船可安全駛出主船體。至此，海上半潛式生產平臺上部模塊浮托法安裝工作完成。

3.2 浮托安裝關鍵設備

3.2.1 浮托駁船

浮托駁船在整個海上平臺浮托法安裝過程中起著尤為關鍵的作用，半潛式生產平臺上部模塊在陸上建造并調試完成后，在碼頭移運至運輸駁船上，由駁船將上部模塊運輸至海上安裝地點。目前浮托法有單船浮托和雙船浮托兩種形式。單駁船浮托主要用于導管架平臺、多柱重力式平臺、半潛式平臺等；對于單柱重力式平臺以及SPAR平臺等，需要選用雙駁船或者雙體船浮托安裝。本文的研究對象為半潛式生產平臺，因此選用單船浮托方式。

上部模塊整個下水過程必須選用具有調載功能的半潛式駁船，選擇半潛式駁船時應考慮以下條件是否滿足裝載要求：

(1)當駁船系泊在碼頭前沿(船上的滑移軌道與岸上的滑移軌道相接)時的吃水深度所對應的載重量。

(2)駁船壓、排載水能力能否適應上部模塊滑移裝船時的運動速度。

(3)駁船甲板大小能否裝載產品。

(4)駁船、甲板的強度和變形。

(5)承載上部模塊的駁船在深水區進行下潛作業時的下潛深度和穩性。

目標半潛式生產平臺上部模塊重量為32 000 t，整體重量非常大，屬于大型上部模塊。目前國內駁船相關信息見表2。由表2可知，大部分駁船都不具備承載該上部模塊重量的能力。其中，祥云口/祥瑞口、夏之遠6和海洋石油278駁船的載重量都超過了32 000 t，因此可運輸該上部模塊到海上進行安裝。

表2 國內駁船統計表

3.2.2 定位圓錐和安裝墩

1)安裝墩。當上部模塊的重量完全從駁船轉移到主船體上，上部模塊坐落于12個安裝墩。每個立柱安排3個安裝墩，見圖7。為了使立柱頂端的彎矩與甲板中垂能抵消，載荷分配到每個立柱上的安裝墩，內角落的分配40%的重量，另外2個分配的重量分別為30% 。

圖7 安裝墩和導向錐布置示意

2)定位圓錐。靠近每個內部角落的安裝墩都有一個定位錐，如圖7所示，是一個典型的柱子形式。在這個柱子頂端，是個45°的圓錐，用來插入甲板上相對應的法蘭。主船體不斷排出壓載水，緩慢上升接近上部模塊的整個過程中，定位錐用于承受內部荷載，該荷載是由上部模塊和主船體之間的相對變形所產生的。

4 結論

1)在上部模塊陸地移運方案有限元分析中，需要對滑道模型、邊界條件以及連接點進行特定處理，在不影響準確性的前提下簡化分析流程。綜合考慮上部模塊以及引橋強度，陸地滑道移運方案較為合理，可為大型半潛平臺實際建造提供參考。

2)區別于導管架平臺浮托安裝所用的樁腿耦合裝置，半潛式生產平臺采用定位錐和安裝墩完成上部模塊和立柱的對接工作，提高了安裝精度，還有效緩解了兩者接觸時所產生的碰撞力。

3)采用不同移運方案時，需要特別關注引橋不同位置的受力情況，針對高應力區進行加固方案研究，保證上部模塊的安全運輸。

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Research on Transportation Method and Float-over Process of Semi-submersible Production Platform

ZHANG Wei, YUAN Hong-Tao, YANG Yong, WANG Yu-Han

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding and Offshore Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

With the increase of platform weight, float-over method has been adopted for offshore installation. The preliminary problem is moving the large-scale topside of platform to dock for load-out safely to float-over installation. Taking a deepwater semi-submersible production platform as an example, the transportation methods of topside on land are discussed. Finite element method is used to analyze the stress and deformation of the topside and force condition of bridges in three methods, namely self-propelled modular transporters, sliding rail and track. It can be concluded that track method is comparatively reasonable. The float-over installation process and its critical equipments are introduced.

semi-submersible production platform; large topside; transportation methods on land; float-over installation; finite element method

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.027

2015-06-25

張 偉(1989-)，女，碩士，助理工程師

U674.38；P751

A

1671-7953(2015)06-0116-06

修回日期：2015-07-09

基金項目：工信部“深海半潛式生產平臺總體設計關鍵技術”項目

研究方向:海洋平臺結構設計研究

E-mail:zhangwei2012zj@163.com