大型平臺組塊裝船優化設計研究

施昌威中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京100028

大型平臺組塊裝船優化設計研究

施昌威
中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京100028

平臺組塊為海洋油氣上部設施的組合，一般重量大、荷載復雜。由于海上惡劣的環境條件，給組塊的安裝帶來了嚴峻的挑戰。準確合理的裝船分析，是平臺組塊安裝的重要保證。對傳統裝船設計中單體滑靴裝船方式進行了研究，分析了該裝船方式的不足，通過對滑靴進行優化，提出采用整體滑靴的裝船方式，并分析了整體滑靴裝船失效工況。改進后的裝船方法提高了安全性，節省了投資，經現場工程驗證滿足要求。

組塊；裝船；拖航；吊裝；荷載

隨著海洋油氣勘探開發從淺海、半淺海向深海延伸，風、浪、流等環境工況更為惡劣，逐漸趨于使用大型綜合平臺進行開發，平臺組塊的質量逐漸由幾百噸發展為幾千噸甚至幾萬噸，對組塊的安裝技術提出了嚴峻的挑戰。

由于大型組塊質量較大，超出了常規海上浮吊的吊裝能力，而超大型浮吊費用昂貴、資源緊張，難以滿足工程要求，因此，組塊在場地完成建造施工后，通常采用滑道滑移的方式裝船。為保證該過程的結構安全，需進行裝船分析，以確保組塊滿足規范及設計要求。

本文對傳統裝船設計中單體滑靴的裝船方式進行了分析，該方式的牽引力主要由組塊結構承受，對結構強度提出了更高的要求，增加了風險和投資。通過對滑靴進行優化，提出采用整體滑靴的裝船方式，較傳統的單體滑靴更加安全、可靠。并以渤海灣某油田平臺為例進行說明。

1 采用單體滑靴的組塊裝船分析

平臺組塊在常規裝船分析中，一般采用4個單體滑靴進行支撐和滑移，通過絞車牽引前兩個滑靴，組塊在滑道上整體向駁船上滑行，4個滑靴承受了與滑道的摩擦力。對該過程的所有工況進行分析，確保裝船滿足規范要求。

1.1組塊質量結構專業人員在組塊設計階段需根據各專業提供的質量，進行模型的建立和荷載的施加，本文算例中的組塊質量如表1所示。

1.2裝船分析

1.2.1結構模型建立

采用SACS軟件建立裝船分析的計算模型，該模型為三維空間結構，詳細模擬了所有對結構強度和剛度有較大影響的構件，包括主次梁、甲板、滑靴、吊機立柱、休息臂等，樓梯、欄桿等附屬構件采用重量進行模擬，設備荷載通過質量單元的形式模擬，并考慮一定的系數。所有梁單元之間的節點為剛性連接。

采用坐標旋轉和平移的方式，將建完的組塊分析結構模型調整到裝船位置，如圖1所示。

表1　各專業組塊質量

圖1　組塊裝船分析模型

1.2.2邊界條件

在計算分析中，組塊下面的4個滑靴用4根垂直方向的桿件加以模擬，在垂直方向的撐桿下端設置邊界條件為001000。在水平方向設置桿件模擬水平支撐，其中，x方向的支撐設置在桿件的外側端部，邊界條件為100000，y方向的支撐設置在立桿與水平桿連接的節點上，邊界條件為010000，如圖2所示。

圖2　邊界條件及荷載施加示意

1.2.3荷載條件

組塊受到的拖拉力（P）施加在滑靴前部處，拖拉力的大小根據滑靴與滑道之間的滑動摩擦因數與組塊總質量計算得到，滑動摩擦系數取0.2，拖拉力方向與組塊滑移方向一致。

組塊受到的摩擦力（F）施加在靴立柱底端，摩擦力的大小根據滑動摩擦因數與每個滑靴的支撐力計算得到，分別施加在每個滑靴上，方向與組塊滑移方向相反。圖2以兩個滑靴為例，示意P和F。

1.2.4不均勻裝船工況

為了模擬不均勻裝船，程序分析過程中在組塊的每個支撐點的垂直方向依次施加了一定的位移，本文指定強迫位移為25 mm。

1.3單體滑靴裝船分析計算

在完成結構模型建立和邊界條件定義后，進行裝船分析的初步計算。分析包括不均勻裝船工況（按照垂向正負偏差不超過25 mm考慮）和拖拉工況。計算結果見圖3。從圖3可以看出，平臺組塊的整體應力比（最大值2.1）較大，不滿足規范“整體應力比＜1”的要求［1-3］。

圖3　單體滑靴裝船的計算應力比分布

因此針對單體滑靴裝船，為保證裝船施工的結構安全，需對組塊進行加強，但會大幅增加組塊的質量，對后續的運輸、安裝、在位等工序造成一系列影響，同時增加了投資。

經分析，由于滑靴各自獨立，在荷載傳遞過程中不能形成整體，導致牽引滑移時上部組塊的受力較大。若對滑靴進行優化，使荷載傳遞的方式改變，可能會減少組塊結構的受力情況，最終達到滿足規范的要求。

2 采用整體滑靴的組塊裝船分析

針對單體滑靴組塊裝船不滿足強度要求的問題，采用優化單體滑靴結構形式，將4個滑靴前后相連，形成2個整體滑靴，前后滑靴采用杠桿連接，如圖4所示。滑靴成為一個整體，在裝船施工時，將組塊的牽引力作用在前部的滑靴上，大部分的牽引力直接通過前部滑靴連接件傳遞到后部的滑靴上，有效避免了荷載從上部組塊傳遞，大幅降低了組塊結構承受的牽引力。

圖4　前后滑靴采用桿件連接

2.1采用整體滑靴裝船分析計算

按照改進后的滑靴連接方式，在組塊質量、結構形式、牽引荷載、邊界條件等均不變的前提下，對整體滑靴裝船進行分析計算，結果如圖5所示。組塊結構上最大應力比為0.638，滿足規范應力比小于1的要求。從圖5也可以看出，整體滑靴裝船的方式較單體滑靴的結構應力比明顯降低，該方式避免了對組塊結構本身進行加強，節省了投資。

圖5　整體滑靴裝船的計算應力比分布

2.2采用整體滑靴裝船中某滑靴失效工況分析

傳統的裝船分析工況一般考慮單個滑靴偏移位移，即垂向正負偏差不超過25 mm。但未考慮單個滑靴失效的工況，而實際情況在出現事故工況時，組塊滑靴正負偏差可能會超過25 mm，甚至出現其中某個滑靴失效，導致出現組塊三點支撐的工況。

為保障組塊滑移過程中的安全，本文針對整體滑靴的裝船方式，應用SACS軟件中的Member Type No Load功能，分別對4個滑靴的垂向支撐桿件進行失效處理，即每次假設1根撐桿失效，分析模型的整體強度。分析結果表明該工況發生時，部分桿件應力超出規范要求。在設計中，對該桿件進行了結構的局部加強處理，因此即使出現單一滑靴失效的工況，組塊的強度仍滿足規范的要求，可有效地避免整體結構的失效。

3 組塊裝船的現場實施

3.1組塊的總體布置

組塊在裝船設計時，總體布置需綜合考慮碼頭、施工駁船、滑軌間距等因素，合理布置組塊的裝船方式。駁船的選擇需根據船體的結構強度、調載能力、潮汐變化，以及組塊的大小、質量、重心等因素，選擇合適的駁船進行組塊裝船。

本文計算模型的坐標原點位于組塊主軸交叉點以及駁船甲板面上，x軸沿船尾向船首方向，y軸沿船左首方向，z軸垂直于船體甲板向上。組塊的總體布置及坐標如圖6、圖7所示。

圖6　組塊總體布置俯視圖及平面坐標

圖7　組塊總體布置側視圖及縱坐標

3.2現場裝船

通過對組塊拖拉工況、不均勻裝船工況、滑靴失效工況的計算分析，計算結果均滿足規范要求。結合計算分析、船舶資源、潮汐、天氣等綜合條件，制訂出合理的裝船方案。碼頭滑移現場實況見圖8，裝船完成后現場實況如圖9所示。

組塊在牽引裝置的牽引下，分別沿碼頭、駁船的滑道緩慢滑移上船，經現場的裝船驗證，組塊實現了安全裝船，滿足工程要求。

圖8　滑移裝船（碼頭滑道）

圖9　滑移裝船完成

4 結束語

本文對組塊的裝船關鍵設計技術進行了研究，包括：結構的模擬、邊界條件的設置、荷載的施加、計算結果的規范校核、總體布置等內容，并在傳統設計方法的基礎上，提出了兩點優化，為類似的組塊設計提供借鑒和參考。

（1）在滑靴的考慮中，提出了整體滑靴的方式，有效降低了滑移牽引過程中組塊的結構強度影響，較傳統的做法更加安全可靠。

（2）組塊裝船分析中，分析了組塊裝船過程中單個滑靴失效的工況，較傳統設計更為全面地考慮了裝船過程中的工況。

［1］API RP2A-2007，RecommendedPracticeforPlanning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-working Stress Design［S］.

［2］ANSI/AISC 360-05-2005，Specification for Structural Steel Buildings［S］.

［3］劉波，楊亮，田其磊，等.海洋平臺上部組塊吊裝方案優化分析［J］.石油工程建設，2011，37（4）：24-26.

OptimalDesign Research on L oad-out Process ofL arge Platform Topsides

SHIChangwei
Engineering＆amp;Design Institute of CNPC Offshore Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100028，China

The platform topsides is a combination of upper facilities of a platform，it has a large weight and complex loads. Due to the harsh environmental conditions，the installation of the topsides is a serious challenge.The accurate and reasonable analysis on the topsides load-out process is the guarantee of the topsides installation.The paper summarizes the convenitional separated skid-shoes design method and analyzes the disadvantage of that method.Based on the skid-shoes structural optimization，the separated skid-shoes are connected to form the integral skid-shoes structure. Also，the integral skid-shoes failure case in the platform topsides load-out process is analyzed.The improved load-out method raises load-out safety and saves cost，and is verified by field engineering practice.

topsides；load-out；towage；hoisting；load

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.006

施昌威（1984-），男，湖北仙桃人，工程師，2009年畢業于長江大學海洋結構工程專業，碩士，從事海洋工程平臺結構設計研究工作。Email：181292031@qq.com

2016-02-19