深水半潛式起重鋪管船塢內合攏方案對比分析研究

姜立群，王羲威，劉廣輝，李 勇，沈鈺集

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

0 引 言

隨著石油鉆探技術的發展，海洋石油勘探開發正在向深水進軍。目前，石油鉆井工作水深已達到3000m，鉆井深達12000m的第六代深水半潛式平臺的需要量持續增長[1]，而深水半潛式起重鋪管船的需求量也與日俱增。

基于有關課題，海洋石油工程(青島)有限公司(簡稱青島公司)深入開展了半潛式起重鋪管船建造技術的相關研究。結合公司現有場地船塢設備設施情況，以及未來可能在青島場地施工建造的半潛式鋪管船船型情況，本文對深水半潛式平臺塢內合攏方案進行對比分析研究。基于一種典型滑移頂升設備，描述了頂升滑移合攏方案的施工流程，并進行了風險分析，可為國內船廠建造半潛式起重鋪管船等半潛式海洋平臺的塢內合攏施工提供參考。

1 半潛式平臺塢內合攏技術現狀

目前，第六代深水平臺的建造主要集中在新加坡、韓國與幾個歐洲國家。國內建造半潛式平臺的船廠有中集來福士、中遠船務及外高橋造船廠。

一般總組分段合攏的原則是：分段要盡可能充分利用船廠平臺的起重能力，組成大的總段，再通過大型龍門吊或者塢吊以及頂升滑移設備，總裝合攏成巨型總段，大幅度減少搭載工作量，從而縮短船塢周期和建造周期。

根據船廠的設備起吊能力及所需的設備資源配置，建造半潛式海洋平臺船塢內總體合攏方式主要有以下幾種：分段吊裝合攏，巨型總段吊裝合攏，提升、滑移合攏，頂升、滑移合攏。各種合攏方式在半潛式平臺建造中均有廣泛應用。

2 半潛式平臺塢內合攏技術方案分析

2.1 分段吊裝合攏

分段吊裝合攏技術，是指在分段預制完成后，在船塢內利用大型起重機(例如船塢龍門吊)，將大分段逐一吊裝至預定位置，并且焊接合攏，即所謂連續塊堆積的建造方法。這是一種從底部到頂部順序建造船體的方式。該方法在常規船舶的建造中應用廣泛。

當船廠起吊能力有限時，可采用分段吊裝合攏方案，即根據船廠船塢龍門吊起吊能力，進行分段劃分，同時對分段進行總段定義，主要的分段建造、分段裝配成總段工作仍然在場地建造完成，然后采用分段/總段運輸車將總段運輸到船塢指定位置，采取類似“搭積木”的方式，對整體平臺從下到上進行合攏裝配，整個合攏裝配過程在干船塢進行[2]。分段吊裝合攏過程如圖1所示。

圖1 分段吊裝合攏Fig.1 Segment lifting integration

采用分段吊裝合攏方案建造半潛式平臺，合攏技術與船廠建造常規船舶時相同，技術相對成熟，施工風險易于控制。如果分段劃分得當，對其他廠商的設計依賴性小，則建造過程中與設備廠商的協調難度相對較小。但合攏作業占用船塢周期較長，限制了船廠的產能。同時，這種建造方式涉及大量高空作業，需要搭建大量的腳手架設備，并且分段存在較大的懸臂結構，需要設置大量的臨時加強結構。因此，分段吊裝合攏方式總的作業周期較長，施工成本較高。

2.2 巨型總段吊裝合攏

巨型總段吊裝合攏方式中，上部模塊和船體單獨建造。二者建造完成之后，將上部模塊漂浮運輸至巨型起重機下方。利用巨型起重機，將上部模塊整體吊起，然后將船體通過漂浮方式就位于船體的正下方。將上部模塊下放至船體之上，完成二者的合攏作業。

巨型總段吊裝合攏方式中，所需要的關鍵設備為巨型起重機，其起升能力至少10000t。目前，國內僅煙臺中集來福士船廠擁有20000t的固定龍門吊，如圖2所示，該龍門吊的能力是其他同類設施的三倍，工時可降低一半。因此，煙臺中集來福士船廠采用的上部殼體一次性整體吊裝合攏技術降低了高空作業量并允許主體與甲板箱體的同時建造。此合攏方法使傳統的海工項目建造周期縮短近6個月，也是當今世界上最經濟、最安全、最快捷的大合攏方式，整體合攏模式使半潛式鉆井平臺的建造時間節省約200萬工時，縮短船舶建造周期20%以上，提高了建造質量、生產效率和施工的安全性[3]。

但這種巨型總段合攏受到船廠設備能力限制，其他船廠在不具備大型起吊設備的情況下，不宜采用。

2.3 提升、滑移合攏

提升、滑移合攏方法是目前使用較多的一種方法，主要通過提升裝置將上部組塊提升到一定高度，然后利用滑移裝置將下部船體移至上部組塊底部，最后通過提升裝置使上部組塊下降，實現半潛式平臺的整體合攏，如圖3所示。目前提升、滑移技術已經相對比較成熟，而使用此方法的主要限制因素在于上部組塊的整體提升強度[4]。

圖2 巨型總段吊裝合攏Fig.2 Huge total-segment lifting integration

圖3 提升、滑移合攏Fig.3 Hoisting and skidding integration

這種合攏方法受限于船廠自身的建造起吊能力，上下模塊合攏工作需要在干船塢進行，對于資源、場地、設備等規劃要求較高。由于提升塔架提升能力的約束，對于上部船體的質量有不同程度的要求，提升質量一般在10000t以下。因此，對于上部船體的舾裝及設備安裝要進行嚴格控制，整體船塢周期在6個月以上。總裝合攏時，尤其需要注意提升塔架的提升能力及多個液壓提升裝置的同步作業能力，還要特別關注液壓提升裝置的操作性和安全性[5-6]。

2.4 頂升、滑移合攏

頂升、滑移合攏方法是近幾年新興的一種合攏方法，主要通過頂升裝置將上部組塊頂升到一定高度，然后通過滑移裝置將上部組塊高空滑移至下部船體的頂部，最后通過滑移裝置的同步下降實現上下模塊的整體合攏，如圖4所示。

圖4 頂升、滑移合攏Fig.4 Jack-up and skidding integration

相比于提升、滑移合攏，頂升、滑移合攏方法主要優點在于既可以保證上部組塊和下部船體獨立建造，使得建造施工作業可以全面開展，節約建造工期，同時，其對上部組塊的強度要求較低，對詳細設計和基本設計的影響相對較小，并能夠節約用于臨時支撐的鋼材使用量。因此，頂升、滑移合攏方法后期的應用前景更為廣闊。下文將詳細介紹一種深水半潛式起重鋪管船的船塢內頂升加滑移方式的合攏方案。

依據上述4種半潛式平臺在船塢內總裝合攏技術方法的描述，分別從建造周期、船塢周期、建造總成本、協調難度、施工風險角度評價，得出合攏方案對比分析表，如表1所示。

表1 合攏方案對比Table 1 Comparison among integration methods

根據表1分析可知，頂升、滑移合攏方案是一種建造工期和船塢周期短、成本和協調難度較低、施工風險低的合攏方案，建議采用此種合攏方法為深水半潛式起重鋪管船的研究方向。

3 頂升、滑移合攏方案分析

3.1 技術現狀

頂升、滑移合攏技術是較為新穎的一種半潛式平臺合攏方法。國外在20世紀70年代便實施過大型結構物的大位移頂升。現今世界上頂升技術較為成熟的主要是荷蘭的Mammoet公司和英國的ALE公司。國內大型海洋結構物頂升的案例較少，且主要技術被國外公司掌握。

目前掌握滑移技術的公司較多。國外主要是英國的ALE公司、意大利的Fagioli公司和荷蘭的Mammoet公司三家實力較強；國內具有相關經驗的公司主要是上海同濟寶冶公司和江蘇華能建設集團。

3.2 頂升、滑移設備簡介

本合攏方案以擬采用某頂升滑移設備為例，進行相應施工流程分析。

頂升設備：每套頂升系統的頂升能力為5200t，多臺頂升設備可以通過電腦進行同步控制，實現結構物的同步頂升和下降。頂升設備如圖5(a)所示。

滑移設備：單臺滑移裝置的承重能力為1000t，滑移裝置的頂端均安裝了液壓千斤頂，其高度在一定范圍內是可以調節的，多臺滑移裝置可以通過電腦進行同步控制，實現結構物的同步頂升和下降[7]。滑移設備如圖5(b)所示。

對于深水半潛式起重鋪管船，頂升方案中布置16套頂升設備，總頂升能力達83200t；滑移方案采用70個1000t液壓滑靴和70個83t動力單元。

(a) 頂升設備

3.3 頂升、滑移合攏方案施工流程分析

3.3.1整體合攏方案對比概述

巨型總段吊裝合攏，該鋪管船的上部組塊重量超過40000t，而青島公司的起重機為800t龍門吊，不能夠一次將該船的上部組塊吊起。因此，不建議采用此方案。

提升、滑移合攏，該鋪管船的上部組塊重量超過40000t，提升塔架的提升重量一般在10000t以下，提升能力不足，且提升塔架后面需要設置塔架的固定裝置，無論是通過壓載塊固定塔架或者是通過改造地基的方式固定塔架，船塢尺寸均不足。因此，不建議采用此方案。

經分析，該鋪管船可以采取的合攏方式為分段吊裝合攏和頂升、滑移合攏。又由于分段吊裝合攏的建造總成本和建造周期較長，青島公司建造該深水起重鋪管船可優先采用頂升、滑移的合攏方案。

3.3.2總段劃分

根據計劃建造的半潛式起重鋪管船的主尺度、布置及結構特點、上部組塊與船體的重量，結合青島公司的場地特點和船型特點，半潛式起重鋪管船的長度為180m，青島公司的船塢寬度為110m，所以該船只能在塢內縱向建造。

總段合攏包括三部分，即上部組塊巨型總段合攏和兩個船體巨型總段的合攏。其中兩個船體總段的合攏方式完全相同。子分段在分段預制車間制作，通過平板車運輸到結構預制場地，進行吊裝、翻身、合攏。然后通過800t龍門吊，將分段按順序依次吊起，移動至就位地點進行大型分段合攏作業。

3.3.3頂升、滑移合攏方案綜述

三個巨型總段建造完成之后，通過頂升設備，將上部組塊頂起至略高于最大型深高度。通過滑移設備，將兩個船體總段平行滑移，至上部組塊正下方，降低上部組塊，使其與立柱接觸完成重量轉移，然后焊接上部組塊底板與立柱，完成三個總段的合攏。然后，將重量由滑靴轉移至合攏墩，之后撤出所有頂升與滑移設備。將船體的水平支柱通過臨時滑移裝置運至平臺下方。在上部組塊底部設置電動絞車作為臨時吊機，吊起水平支柱至其所在位置，通過焊接將兩側船體模塊通過支柱連接到一起，完成平臺的主體合攏作業。

3.3.4頂升、滑移合攏方案的施工流程

頂升、滑移合攏施工流程如圖6所示。

頂升、滑移合攏具體施工步驟如下。

(1) 在船塢內布置船體的建造墩和上部組塊的建造滑靴，并分別在其上建造船體和上部組塊。

(2) 待船體和上部組塊建造即將完工時布置頂升塔架基座。

(3) 在頂升塔架基座上安裝頂升設備。

(4) 布置頂升過程中的纜風繩。

(5) 進行頂升設備測試，對上部組塊進行測重，之后進行頂升作業。

(6) 上部組塊被頂起后撤掉建造滑靴。

(7) 安裝滑移軌道，滑移軌道上鋪設特氟龍板。

(8) 安裝滑移設備，包括1000t滑靴、83t推拉動力單元和滑移箱型梁。

(9) 第一次重量轉移，通過升降式滑靴將船體從支墩上轉移到滑靴上。

(10) 撤建造墩，布置船體滑移后落座需要的支墩。

(11) 進行滑移設備測試，開始滑移作業。

(12) 船體分段滑移到指定位置后進行船體合攏作業，之后利用液壓滑靴進行船體的測重作業，得到重量和重心。

(13) 第二次重量轉移，通過升降式滑靴將船體從滑靴上轉移到支墩上。

(14) 船體坐墩后拆除滑移設備和滑移軌道。

(15) 拆除滑移軌道后在滑移軌道處楔入剩余船體所需合攏墩。

(16) 進行合攏作業，合攏完畢后拆除頂升設備，將頂升設備打包吊出場地。

(17) 塢內頂升滑移合攏作業結束。

3.4 頂升、滑移合攏方案施工風險分析

頂升滑移合攏技術只需要將上部組塊轉移到運輸滑車上，頂升高度也較低，一般為20多米。如果高度增大，需考慮風帶來的影響，頂升高度越高，上部組塊和頂升塔架的穩定性越難保證。考慮到本課題研究的半潛式起重鋪管船上部組塊的頂升高度將近40m，若采用該合攏方案，則需要與設備廠家進行精密計算，驗證塔架側向風的影響，提出切實可行的塔架安全設計和施工方案。

圖6 頂升、滑移合攏施工流程圖Fig.6 Flow chart of jack-up and skidding integration process

4 結 語

本文基于4種常見的半潛式浮式平臺的船塢合攏方案，進行對比分析研究，并就半潛式起重鋪管船的塢內頂升滑移合攏方案的設備需求，施工流程和施工風險進行了闡述。

分段吊裝合攏工期長，利用吊機資源多，占用船塢時間長，建造總成本高，但協調難度低，施工風險小，適合不具備萬噸級大型起重設備的小型船廠；巨型總段合攏工期短，但必須具備上萬噸級的吊機設備，占用船塢時間短，建造總成本較高，適用于具備萬噸級大型起重設備、規模化生產的船廠；提升、滑移合攏工期較短，占用船塢時間較短，建造總成本較高，優點是協調難度低，施工風險小，但提升塔架占用船塢空間大，工裝成本高。

相比于以上三種合攏方案，頂升、滑移合攏工期較短，占用船塢時間較短，建造總成本低，協調難度低，施工風險小，是一種比較新式的半潛式平臺塢內總裝合攏方法。其對上部組塊的強度要求較低，節約工裝鋼材，適用范圍廣，后期的應用前景廣闊。

對于本文研究的起重鋪管船而言，選擇合適的船塢合攏方案，與分段和總段劃分、龍門吊起吊能力、風險承受度、船塢周期、施工成本等因素密切相關。在半潛式起重鋪管船具體建造時，合攏方案需結合青島公司船塢主尺度、船塢地基承載力、塢內合攏墊墩高度、鋪管船出塢方案的最低吃水深度要求等情況，進行詳盡的分析。總之，具體實施時很多因素均需要提前考慮，并出具嚴謹的實施方案和解決方案。

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