埕島油田極淺海域大型平臺(tái)上部組塊整體安裝模型試驗(yàn)

陳同彥，王保計(jì)，馮春健

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng)257026)

埕島油田極淺海域大型平臺(tái)上部組塊整體安裝模型試驗(yàn)

陳同彥，王保計(jì)，馮春健

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng)257026)

以埕島油田極淺海域某中心平臺(tái)為對(duì)象,模擬半潛駁船浮托法安裝平臺(tái)上部組塊的主要階段和過(guò)程。分析駁船和上部組塊等的運(yùn)動(dòng)、受力情況以及安裝過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題,確定該海域上部組塊整體安裝系統(tǒng)駁船選擇及系泊系統(tǒng)、安裝海洋環(huán)境參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

海洋平臺(tái);上部組塊;整體安裝;模型試驗(yàn)

埕島油田位于黃河入海口,油田開(kāi)發(fā)的部分水域?qū)儆跇O淺海域。埕島油田經(jīng)過(guò)近20年建設(shè),海上油田勘探開(kāi)發(fā)不斷深入,現(xiàn)需對(duì)埕島油田實(shí)施油藏調(diào)整,即在埕島油田老區(qū)館上段及西北新區(qū)新增年產(chǎn)油。為滿(mǎn)足新建產(chǎn)能需求,需新建中心處理平臺(tái)。考慮該中心平臺(tái)的規(guī)模,若采用傳統(tǒng)的吊裝法進(jìn)行平臺(tái)組塊海上安裝的方式,會(huì)受到浮吊能力及吃水的限制,上部組塊將分體設(shè)計(jì)及海上分塊吊裝,大幅增加平臺(tái)海上安裝工作量和工期,增加了工程投資。平臺(tái)組塊若采用整體設(shè)計(jì)及海上整體安裝技術(shù),不需要大型浮吊,僅用載重駁船或配套的提升裝置就可完成平臺(tái)模塊海上整體安裝,降低中心平臺(tái)海上安裝周期及工程投資。相比平臺(tái)上部組塊吊裝法,漂浮整體安裝受隨機(jī)海洋環(huán)境影響大,平臺(tái)浮裝就位過(guò)程始終處于不穩(wěn)定的狀態(tài)中,因此大型組塊整體設(shè)計(jì)及安裝技術(shù)具有很強(qiáng)的針對(duì)性和較高的風(fēng)險(xiǎn)。主要表現(xiàn)在:(1)載重駁船在導(dǎo)管架內(nèi)部的精確定位及橫搖的控制難度高;(2)上部平臺(tái)與樁頂對(duì)接時(shí)受環(huán)境載荷的影響大,控制對(duì)接瞬間的碰撞難度大。如何預(yù)測(cè)隨機(jī)變化的海洋環(huán)境和駁船條件,并對(duì)其控制,是整體浮裝技術(shù)成功的關(guān)鍵。為驗(yàn)證工程的可實(shí)施性及安全性,在水池中進(jìn)行靜水試驗(yàn)和波浪試驗(yàn)［1-5］。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)將模擬埕島油田某中心平臺(tái)的海上安裝過(guò)程,模擬原型主要包括中心三號(hào)生產(chǎn)平臺(tái)、安裝駁船及錨泊系統(tǒng)、支撐、滑道等部分,見(jiàn)圖1。

圖1 平臺(tái)浮托安裝系統(tǒng)示意

上部組塊主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 埕島油田某中心平臺(tái)上部組塊主要參數(shù)

試驗(yàn)考慮幾何相似、弗勞德相似和斯特勞哈爾相似,綜合考慮模型的大小、工程水池的主要尺度、工程水池模擬風(fēng)、浪、流的能力、工程水池各類(lèi)儀器的測(cè)量功能和經(jīng)濟(jì)因素,初步確定浮托法試驗(yàn)的模型比尺為1∶40。試驗(yàn)的上部組塊、導(dǎo)管架和駁船在實(shí)際制作的過(guò)程中,進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,另外采用配重塊來(lái)調(diào)節(jié)其重量、重心及慣性矩等,使之滿(mǎn)足工程的需要。

1)模型上部組塊的簡(jiǎn)化。僅考慮三層主甲板和立柱(樁)等主要結(jié)構(gòu),保證甲板層高、立柱(樁)相似,后期采用配重的方式保證模型上部組塊的重量、重心與原型的相似。

2)模型導(dǎo)管架的簡(jiǎn)化。

①考慮6根立柱(樁)和底層水平橫撐等主要結(jié)構(gòu)。②標(biāo)高+5 m水平拉筋沒(méi)有考慮。

3)駁船模型的簡(jiǎn)化。駁船模型的型線(xiàn)同原型相似,采用具有一定強(qiáng)度的玻璃鋼制作,其重量、慣性矩等需要后期配重來(lái)調(diào)整。

4)滑道、小車(chē)等。用一種支撐結(jié)構(gòu)來(lái)代替。

5)試驗(yàn)所要模擬的系泊纜為張緊式系泊系統(tǒng),滿(mǎn)足幾何相似、形狀相似及彈性系數(shù)相似的材料可以考慮細(xì)鋼絲繩、尼龍繩、聚丙烯線(xiàn)及魚(yú)線(xiàn)等材料,綜合考慮了材料的抗拉剛度、材料屬性的線(xiàn)性程度以及穩(wěn)定性等,最終選擇用直徑為0.8 mm的魚(yú)線(xiàn)來(lái)模擬。

——維護(hù)和發(fā)展職工群眾利益。習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)，要堅(jiān)決履行維護(hù)職工合法權(quán)益的基本職責(zé)，幫助職工群眾通過(guò)正常途徑依法表達(dá)利益訴求，把黨和政府的關(guān)懷送到廣大勞動(dòng)群眾心坎上，不斷贏得職工群眾的信賴(lài)和支持。要健全勞動(dòng)關(guān)系協(xié)調(diào)機(jī)制，及時(shí)正確處理勞動(dòng)關(guān)系矛盾糾紛，最大限度增加和諧因素、最大限度減少不和諧因素。

2 試驗(yàn)工況的確定

試驗(yàn)主要包括靜水試驗(yàn)和不規(guī)則波試驗(yàn)兩部分。靜水試驗(yàn)工況共3個(gè),包括空載半潛駁船的橫搖衰減試驗(yàn),錨泊系統(tǒng)的水平剛度試驗(yàn),以及駁船及錨泊系統(tǒng)模型的靜水橫搖衰減試驗(yàn)。不規(guī)則波試驗(yàn)工況共39個(gè),考慮5個(gè)方向的來(lái)浪,分別對(duì)應(yīng)迎浪(180°)、首斜浪(135°)、橫浪(90°)、尾斜浪(45°)、尾隨浪(0°),見(jiàn)圖2。

圖2 波浪工況組成示意

海洋工程水池中生成的波浪傳播方向是固定的,因此,模型試驗(yàn)中對(duì)于各不同浪向的模擬,是通過(guò)改變裝載平臺(tái)的半潛駁船及其錨泊系統(tǒng)、導(dǎo)管架模型等在水池中的布置,從而達(dá)到以不同的方向角面向波浪的目的。

試驗(yàn)中共考慮3種不同吃水、5個(gè)浪向及4種波高等工況,共39組工況。3種吃水工況分別代表駁船安裝就位狀態(tài)(3.3 m吃水)、樁尖下端與樁腿頂端正好平齊(3.8 m吃水)和0%荷載傳遞(4.4 m吃水,樁尖剛好完全進(jìn)入LMU);波高工況為0.5、0.7、1.0、1.5 m共4種波高,周期均為5 s。

3 靜水試驗(yàn)

靜水試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證模型制作及重量調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度,為波浪試驗(yàn)做準(zhǔn)備。靜水實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容包括無(wú)系泊系統(tǒng)的駁船靜水試驗(yàn)、帶有系泊系統(tǒng)的駁船靜水試驗(yàn)。靜水觀測(cè)試驗(yàn)前,首先要在駁船船艏左、右兩舷及船艉左、右兩舷4處進(jìn)行水線(xiàn)標(biāo)記,檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞯木仁欠駶M(mǎn)足要求。通過(guò)模型在靜水中的自由運(yùn)動(dòng)衰減試驗(yàn),獲得該運(yùn)動(dòng)的固有周期等參數(shù)。

4個(gè)通道所記錄的駁船橫搖固有周期為0.809 s,數(shù)值計(jì)算原型的橫搖周期為T(mén)=5.01 s,按照1∶40縮尺以后的模型周期為0.792 s,相對(duì)誤差為2.1%,滿(mǎn)足試驗(yàn)要求,也進(jìn)一步驗(yàn)證了模型制作及重量調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。

能否正確模擬系泊系統(tǒng)提供的靜恢復(fù)力或力矩,對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),乃至后續(xù)的波浪試驗(yàn)都至關(guān)重要。在完成系泊系統(tǒng)的水平剛度試驗(yàn)且校驗(yàn)參數(shù)符合要求后,往往會(huì)對(duì)系統(tǒng)再次進(jìn)行一次靜水衰減試驗(yàn),以測(cè)定整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間歷程(即衰減曲線(xiàn)),分析得出運(yùn)動(dòng)的固有周期等。本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的模型靜水橫搖衰減曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 駁船與系泊系統(tǒng)的靜水橫搖衰減

4 不規(guī)則波試驗(yàn)

不規(guī)則波試驗(yàn)是模型試驗(yàn)中最重要最核心的部分,試驗(yàn)的目的是通過(guò)不同工況下的試驗(yàn)直接獲得海洋結(jié)構(gòu)物在各種海況下的水動(dòng)力性能及其運(yùn)動(dòng)與受力情況。試驗(yàn)內(nèi)容只要包括駁船關(guān)鍵點(diǎn)的位移、船舷撞擊力、系泊纜張力及樁尖垂直撞擊力。

裝載平臺(tái)的半潛駁船需要進(jìn)入預(yù)先安裝的兩列樁腿之間,因此,必須保證駁船的寬度不能超過(guò)樁管之間的凈間隙,必須在船舷和樁管之間留有至少0.5～1.0 m的間隙(本項(xiàng)目中駁船舷側(cè)與樁腿外表面地間隙為0.774 m),在浮托安裝過(guò)程中為避免半潛駁船與樁管間發(fā)生嚴(yán)重碰撞,應(yīng)對(duì)中心點(diǎn)O的單向運(yùn)動(dòng)幅值進(jìn)行控制。駁船關(guān)鍵點(diǎn)的位移測(cè)量在模型試驗(yàn)中應(yīng)用了高精度的非接觸式六自由度測(cè)量?jī)x,對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于在試驗(yàn)過(guò)程中,接收器R2固結(jié)于平臺(tái)上部模塊頂層甲板中心點(diǎn)處,因此FL-NH型船模運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的平臺(tái)駁船系統(tǒng)的六自由運(yùn)動(dòng)是該處的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況可根據(jù)平臺(tái)頂層甲板中心處的六自由度運(yùn)動(dòng)信號(hào)推導(dǎo)得出。

式中:(x,y,z),(x0,y0,z0)——關(guān)鍵點(diǎn)和平臺(tái)頂層甲板中心點(diǎn)的三方向線(xiàn)運(yùn)動(dòng);

(ξ,η,ζ,)——關(guān)鍵點(diǎn)在坐標(biāo)系O-xyz下的坐標(biāo);

(cξx,cηx,cζx,cξy,cηy,cζy,cξz,cηz,cζz)——方向余弦。

將數(shù)據(jù)采集儀采集到的應(yīng)變信號(hào)通過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)的撞擊力數(shù)據(jù),并進(jìn)一步把數(shù)據(jù)結(jié)果換算成原型數(shù)據(jù),具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 尾隨浪1.0 m，波高5 s周期工況船舷撞擊力

試驗(yàn)中采用拉力傳感器對(duì)駁船的錨鏈張力進(jìn)行相關(guān)測(cè)量,對(duì)所有不規(guī)則波試驗(yàn)工況的所有垂向撞擊力測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,按照波浪的入射角度(0°、45°、90°、135°、180°)對(duì)錨鏈張力進(jìn)行分析,尾隨浪工況錨鏈張力結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 尾隨浪工況錨鏈張力結(jié)果(周期5 s)

樁尖垂直撞擊力的試驗(yàn)同上,對(duì)樁尖垂直撞擊力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到的樁尖垂直撞擊力,進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 駁船的樁腿垂向荷載情況

5 結(jié)論

［1］劉錦昆,劉 真,馮春健,等.勝利海上油田開(kāi)發(fā)海工技術(shù)及應(yīng)用［J］.船海工程,2012(2):149-154.

［2］劉 震.海洋平臺(tái)大型模塊整體安裝技術(shù)［J］.江蘇船舶,2011(1):25-26.

［3］安延濤,馬汝建.海洋平臺(tái)相似模型設(shè)計(jì)及模態(tài)試驗(yàn)分析［J］.船海工程,2009(3):122-127.

［4］代福強(qiáng),關(guān)幼耕,暢元江.上部組塊海上浮裝仿真技術(shù)［J］.石油機(jī)械,2012(7):50-54.

［5］楊建民,肖龍飛.海洋工程水動(dòng)力試驗(yàn)研究［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社,2008.

Model Test for Heavy Topside Integral Installation in Neritic Area of Chengdao Oilfield

CHEN Tong-yan,WANG Bao-ji,FENG Chun-jian
(SINOPEC Petroleum Engineering Co.Ltd.,Dongying Shandong 257026,China)

Taking the central platform as study object,the process of platform topside float-over installation is simulated with semi-submersible barge in the neritic area of Chengdao oilfield.Themovement of barge with the topside,loading condition and the problemsmaybe occur in the installation process are analyzed,in order to determine the key technical parameters of barge selection,mooring system and installation environment condition.

offshore platform;topside;integral installation;model test

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.021

U674.38

A

1671-7953(2015)03-0087-04

2015-03-06

修回日期:2015-03-16

中石化集團(tuán)公司研究項(xiàng)目(P09062)

陳同彥(1976-),男,大學(xué),高級(jí)工程師

研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

E-mail:dycty@126.com