深水TLP浮式平臺(tái)的張力腿海上安裝方法研究

魏佳廣，李懷亮，黃山田，王浩宇，杜永軍

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

深水TLP浮式平臺(tái)的張力腿海上安裝方法研究

魏佳廣，李懷亮，黃山田，王浩宇，杜永軍

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

TLP浮式平臺(tái)是國(guó)際上深水油氣田開(kāi)發(fā)應(yīng)用最多的生產(chǎn)平臺(tái)之一。其關(guān)鍵設(shè)備張力腿的海上安裝是TLP平臺(tái)施工的重要環(huán)節(jié)。以流花16-2 TLP平臺(tái)為例，研究了張力腿海上安裝方法及施工工序，進(jìn)行了張力腿海上安裝的運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)值分析，總結(jié)歸納不同海況條件對(duì)張力腿安裝過(guò)程的影響，提出張力腿支撐臨時(shí)浮筒的綁扎是保證張力腿自由站立工況安全的基本條件，為工程實(shí)踐提供理論支撐及技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)TLP平臺(tái)的真正實(shí)施有很大的推動(dòng)意義。

TLP平臺(tái)；張力腿；海上安裝；綁扎；運(yùn)動(dòng)分析

為打破國(guó)際壟斷，突破關(guān)鍵技術(shù)，掌握張力腿平臺(tái)（TLP）相關(guān)海上安裝方案是推動(dòng)我國(guó)南海油氣田開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。本文以流花16-2 TLP浮式平臺(tái)項(xiàng)目前段工程設(shè)計(jì)為例，針對(duì)TLP浮式平臺(tái)張力腿海上安裝方法進(jìn)行研究，為工程實(shí)踐提供理論研究及技術(shù)支撐。關(guān)于該TLP浮式平臺(tái)的基本情況參見(jiàn)王浩宇等“張力腿平臺(tái)海上安裝技術(shù)研究”[1]，本文著重研究該平臺(tái)張力腿的海上安裝方法，為工程實(shí)踐提供理論研究及技術(shù)支撐。

1 張力腿系統(tǒng)組成

張力腿是TLP浮式平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備之一，起著系泊TLP浮式平臺(tái)和控制平臺(tái)升沉、橫搖、縱搖周期等作用。TLP浮式平臺(tái)通過(guò)浮體浮力使張力腿始終處于拉伸狀態(tài)，通過(guò)張緊拉力將TLP浮式平臺(tái)限制在設(shè)計(jì)允許的運(yùn)動(dòng)誤差和吃水范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下的生產(chǎn)功能需求。張力腿系泊系統(tǒng)需提供足夠的剛度，以保證平臺(tái)的升沉、橫搖和縱搖頻率遠(yuǎn)離波浪能量集中的頻率范圍，從而避免諧振響應(yīng)。張力腿通常設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，以減少上部平臺(tái)荷載，且方便海上安裝施工。

張力腿由頂部段、主體段、底部段及各分段連接器組成[2]，張力腿系統(tǒng)組成示意見(jiàn)圖1。

圖1 張力腿系統(tǒng)組成示意

流花TLP浮式平臺(tái)的張力腿參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 流花TL P平臺(tái)張力腿基本參數(shù)

2 張力腿海上安裝

2.1 施工準(zhǔn)備

海上施工準(zhǔn)備是海洋平臺(tái)安裝的首要步驟，充分的準(zhǔn)備工作在很大程度上決定了海上安裝作業(yè)的效率和工期。

一般來(lái)說(shuō)，張力腿海上施工準(zhǔn)備工作除了常規(guī)的施工機(jī)具、材料、資源及主船錨泊及駁船的靠泊準(zhǔn)備外，還包括關(guān)鍵的張力腿專用機(jī)具準(zhǔn)備，這與以往淺水導(dǎo)管架安裝截然不同。張力腿海上施工專用機(jī)具主要包括：張力腿起吊器、張力腿底部連接器（見(jiàn)圖2）、張力腿分段組對(duì)連接器、張力腿輔助夾緊機(jī)構(gòu)、張力腿對(duì)接塔、張力腿支撐臨時(shí)浮筒（見(jiàn)圖3）安裝平臺(tái)、張力腿支撐臨時(shí)浮筒綁扎工具等[3]。

圖2 張力腿底部連接器示意

圖3 張力腿支撐臨時(shí)浮筒

2.2 張力腿安裝就位

張力腿海上安裝是深水TLP浮式平臺(tái)海上安裝的重要環(huán)節(jié)，甚至是影響TLP浮式平臺(tái)海上就位的關(guān)鍵步驟。張力腿分段組對(duì)接長(zhǎng)是張力腿安裝成功的前提，也是項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)。

流花TLP浮式平臺(tái)張力腿安裝的總體思路：張力腿系統(tǒng)一般通過(guò)在主作業(yè)船的對(duì)接塔架上進(jìn)行逐段/節(jié)連接，每連接好一段/節(jié)，吊車就降低其上部至塔架張力腿輔助夾緊機(jī)構(gòu)處，并懸掛于安裝臺(tái)上，再進(jìn)行下一段/節(jié)的組裝。待頂部段連接完成后，進(jìn)行張力腿和其支撐臨時(shí)浮筒的連接安裝[2]。具體方法如下：

（1）船舶就位、張力腿底部段預(yù)掛。首先，主作業(yè)船舶在流花油田區(qū)錨泊就位，并將張力腿安裝位置放于船舷側(cè)；其次，張力腿組對(duì)平臺(tái)、浮筒安裝平臺(tái)、滾筒絞車等輔助操作設(shè)備在甲板上完成預(yù)布置；最后，張力腿運(yùn)輸駁船（張力腿布置示意如圖4所示）靠泊主作業(yè)船，起吊（見(jiàn)圖5）、扶正張力腿底部段，并將其移動(dòng)至張力腿對(duì)接塔設(shè)計(jì)位置，采用張力腿輔助夾緊機(jī)構(gòu)懸掛。

圖4 張力腿在運(yùn)輸駁船的布置示意

圖5 張力腿起吊

（2）張力腿主體段對(duì)接。固定張力腿底部段在對(duì)接塔上；起吊主體段首節(jié)（流花16-2TLP浮式平臺(tái)張力腿主體段分為4節(jié)），并使用張力腿組對(duì)連接器使其與張力腿底部段連接；起吊張力腿主體段首節(jié)和底部段組合體，重新移動(dòng)并夾緊在對(duì)接塔上，依次與張力腿剩余主體段的分節(jié)和頂部段相對(duì)接，直至所有張力腿分段對(duì)接完成，形成一根整體張力束。

（3）在對(duì)接塔上完成張力束的組對(duì)。

（4）張力腿支撐臨時(shí)浮筒安裝（如圖6所示）。為了避免張力腿產(chǎn)生軸向壓力和抵抗TLP浮式平臺(tái)連接前的環(huán)境載荷，需要在張力腿的頂部段安裝一個(gè)足夠大的支撐臨時(shí)浮筒，確保張力腿不會(huì)受損。將臨時(shí)支撐浮筒提前預(yù)布置在浮筒安裝平臺(tái)上，移動(dòng)張力腿至臨時(shí)浮筒安裝平臺(tái)，并將臨時(shí)浮筒固定于張力腿上，完成張力腿支撐臨時(shí)浮筒的安裝。臨時(shí)浮筒安裝在張力腿的頂部段，通過(guò)壓載來(lái)平衡張力腿的浮力和張力，使張力腿自由懸浮。

圖6 張力腿支撐臨時(shí)浮筒安裝

（5）張力腿下放就位。起吊整體張力腿并下放，在ROV監(jiān)視下，將張力腿插入底部接收裝置，見(jiàn)圖7。

圖7 張力腿插入底部接收裝置示意

2.3 張力腿綁扎

由于受到TLP浮式平臺(tái)建造工期、出海前需要完成的各種調(diào)試以及濕拖等多種因素的影響，張力腿海上安裝完成后，通常不能接著進(jìn)行張力腿與TLP上浮體的對(duì)接就位。此時(shí)張力腿下端連接于樁基，通過(guò)其頂部段的臨時(shí)浮筒直立在水中，這種工況在張力腿設(shè)計(jì)中稱為張力腿自由站立工況[5]。由于風(fēng)、浪、流等作用的影響，相鄰的張力腿間很可能發(fā)生碰撞，將給安裝作業(yè)帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。為了防止發(fā)生碰撞，一般需要對(duì)TLP上浮體相鄰立柱位置間的兩根張力腿用纜繩進(jìn)行綁扎，避免碰撞。流花16-2平臺(tái)包括8根張力腿和8套臨時(shí)浮筒裝備，上浮體立柱有4個(gè)，各相鄰立柱位置間的每?jī)筛鶑埩ν乳g均需要兩兩綁扎固定，其綁扎效果示意如圖8所示，圖中的TLP上浮體此時(shí)尚未安裝，圖中上浮體只是為了說(shuō)明張力腿兩兩綁扎時(shí)的相應(yīng)位置。

圖8 張力腿綁扎效果

4 張力腿安裝運(yùn)動(dòng)分析

張力腿安裝就位過(guò)程中，在涌浪及海流等環(huán)境載荷作用下，會(huì)使張力腿發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，由于水深較深，張力腿較長(zhǎng)，對(duì)張力腿的精確就位有一定影響。因此需要對(duì)張力腿安裝運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析[6]。

利用OrcaFlex軟件建立張力腿安裝模型（如圖9所示），考慮一年一遇的流速（1.57 m/s），對(duì)張力腿海上安裝的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，并對(duì)不同海況條件下的張力腿端部轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。

計(jì)算結(jié)果表明，為了保證張力腿安裝角度滿足要求，需要控制操作環(huán)境條件。當(dāng)流速為1.57 m/s時(shí)，如果浪高控制在1.5 m內(nèi)，可以滿足安裝要求。

圖9 張力腿安裝運(yùn)動(dòng)分析

圖10 不同海況條件下張力腿端部轉(zhuǎn)角

5 結(jié)束語(yǔ)

TLP浮式平臺(tái)張力腿海上安裝在國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)較為突出。通過(guò)張力腿海上安裝方法工藝研究，提出了張力腿支撐臨時(shí)浮筒的綁扎是保證張力腿自由站立工況安全的基本條件，也是防止相鄰張力腿相互碰撞的根本措施，并對(duì)張力腿安裝過(guò)程的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，給出不同海況條件對(duì)張力腿安裝過(guò)程的影響分析，可為將來(lái)的TLP浮式平臺(tái)張力腿安裝工程實(shí)踐提供理論支持和作業(yè)指導(dǎo)。

[1]王浩宇，黃山田，王火平，等.張力腿平臺(tái)鋼樁精就位技術(shù)研究[J].石油工程建設(shè)，2017，43（4）：24-28.

[2]典型深水平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究課題組.張力腿平臺(tái)水動(dòng)力響應(yīng)分析[J].中國(guó)造船，2005，46（Z1）：59-64.

[3]海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì)編著.海洋石油工程深水油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011.

[4]徐萬(wàn)海，曾曉輝，吳應(yīng)湘.海洋平臺(tái)張力腿非線性動(dòng)力響應(yīng)[J].海洋工程，2008，5（2）：11-16.

[5]任順利，陳建民，梁艷霞.張力腿剛度對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（5）：28-31.

[6]董艷秋，胡志敏，馬馳.深水張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，10（5）：1-5.

Tendon installation method studyfor deepwater TL P floating platform

WEIJiaguang，LIHuailiang，HUANG Shantian，WANG Haoyu，DU Yongjun
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

The TLP platform is an important type of floating system used in deepwater oil and gas field development.Tendon is one of the key equipment of TLP，its installation is an important part of the TLP platform construction.Taking tendon installation of the TLP 16-2 in Liuhua Oilfield for example，this paper studies the tendon installation method and construction procedure，conducts the numerical analysis of tendon motion during installation，summarizes the influences of different environment conditions on tendon installation process，points out that the temporary tie-back of tendon support buoy is the basic measure to ensure the safety of tendon in free standing condition.This study has certain reference for practicalTLP installation project.

TLP；tendon；offshore installation；tie-back；analysis of motion

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.005

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2016ZX05057013）經(jīng)費(fèi)資助。

魏佳廣（1986-），男，甘肅白銀人，工程師，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事海洋石油平臺(tái)等設(shè)施安裝設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究工作。Email：weijiaguang860401@126.com

2017-04-10；

2017-09-01