氣囊助浮張力腿平臺出塢可行性分析

李 冉， 林 焰， 劉廣輝， 李 強， 郭 寧

(1.大連理工大學 船舶工程學院， 遼寧 大連 116023； 2.海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

0 引 言

隨著全世界工業化、城市化和現代化進程的加快，能源對全球的發展已變得必不可少。石油在世界能源經濟中處于主導地位，各個國家正積極開采和爭奪石油。從全球海洋石油和天然氣的分布情況看，目前全球已經探明的海洋石油儲存量的80%以上在500 m水深以下，而90%以上的海洋面積的水深在200～6 000 m，因此設計和建造深海平臺迫在眉睫。張力腿平臺作為適合深水開采油氣的海洋平臺之一，是各國都積極研究和建造的重點。

張力腿平臺在建造過程中，由于其噸位較大，一般船廠的船塢所允許的最大吃水不能保證其達到起浮狀態。為了使張力腿平臺順利出塢，可借助氣囊提供額外的浮力。本文就氣囊助浮張力腿平臺出塢進行方案設計和可行性分析。

1 氣囊的應用

船舶采用氣囊下水是一項創新技術[1]，具有我國自主知識產權。1981年5月，一艘幾十噸的船舶利用卷揚機，在由棉帆布做骨架的膠布氣囊的輔助下成功下水，這開啟了氣囊用于船舶下水的新時代[2]。隨著氣囊技術日漸成熟，利用氣囊下水的船舶的噸位提高了千倍，從幾十噸擴大到萬噸以上；下水氣囊的結構也越來越復雜，從早期的掛膠帆布搭接發展成如今的掛膠簾子布整體纏繞成型，其性能提高了至少5倍[3-4]。

實踐表明，氣囊具有很多優點，主要體現在成本低、效率高、環保無污染、靈活性好和可以重復利用等方面。目前，氣囊主要用于船舶下水、船舶修理、沉箱下水和拖運以及海底打撈等領域[1，5-6]。氣囊的傳統應用如圖1所示。

圖1 氣囊的傳統應用

近年來，隨著海洋工程向大型化發展，該領域應用氣囊的情況越來越多。2011年11月，由渤海裝備遼河重工有限公司建造的CP 300自升式海上鉆井平臺，首次采用超大型氣囊實現平臺下水，開啟了氣囊用于海洋工程下水的新時代[7]。隨著導管架的大型化，為了保證結構物浮在水面上，得到所需的儲備浮力，在設計中采用增加氣囊的方式提供浮力。氣囊在導管架的應用如圖2所示[5]。本文重點研究氣囊應用于張力腿平臺出塢作業的方案設計和可行性分析。

圖2 氣囊在導管架的應用

將氣囊應用于海洋工程領域時，需要考慮氣囊的安全性和工藝性，具體情況如下：

(1) 安全性。海工領域所使用的輔助氣囊不同于應用在船舶中的下水氣囊，要求氣囊能夠克服水壓。為確保氣囊能夠不斷地提供浮力，氣囊外部水壓的最大值應該小于其內部的工作壓力[5，8]。

(2) 工藝性。氣囊助浮張力腿平臺出塢是利用氣囊充氣產生較大的浮力。為了保證氣囊能夠牢牢地固定在張力腿平臺的浮筒和立柱上，推薦使用在浮筒和立柱上安裝專用吊鼻將張力腿平臺與氣囊連接。張力腿平臺出塢后，必須及時將氣囊與張力腿平臺脫離，所以安裝氣囊時應考慮后期在海上如何方便地將其拆除，應設法使氣囊自動脫離張力腿平臺，減少潛水員的工作[5]。

2 氣囊助浮方案概述

某公司設計的張力腿平臺：4個立柱，每個立柱高為46.2 m，直徑為17.8 m；4個浮筒將立柱連接起來，每個浮筒高為7 m，寬為9.069 m。為保證其正常出塢，要求吃水為17.9 m，而建造張力腿平臺的公司的船塢所允許的出塢最大吃水為13 m，所以采用氣囊助浮張力腿平臺出塢。張力腿平臺綁扎氣囊后的3D模型如圖3所示。

圖3 綁扎氣囊后的張力腿平臺

張力腿平臺結構自重約26 000 t，需要配置92個氣囊，每個氣囊長為20 m，直徑為2 m，共計可以產生近6 272.7 t的凈浮力。

2.1 完整穩性規范要求

《海上移動平臺入級規范》(2012)[9]對張力腿平臺完整穩性的要求是：至第2交點或進水角處的復原力矩曲線下的面積的較小者，至少應比至同一限定角處風傾力矩曲線下面積大30%；復原力矩曲線從正浮至第2交點的所有角度范圍內，均應為正值；在所有漂浮作業工況的整個吃水范圍內，經自由液面修正后的初穩心高度應不小于0.15 m，如圖4所示。

2.2 完整穩性校核

圖4 GZ曲線

校核本項目中張力腿平臺完整穩性時，假定平臺只發生橫搖，沒有縱搖。由于該張力腿平臺橫向和縱向的尺寸相近，所以分別計算風向為0°、30°、60°、90°、120°和150°時的大傾角穩性。計算結果如表1和圖5所示。

表1 穩性校核表

圖5 張力腿平臺GZ曲線

3 氣囊與浮筒助浮經濟效益對比

由于船塢內水深的限制，張力腿平臺需要借助氣囊或者浮筒等提供額外的浮力以保證其順利出塢，所以張力腿平臺出塢的工程費用主要集中在氣囊或者浮筒的費用上。

(1) 以本項目中的氣囊(見圖6)為例，直徑為2 m、長度為20 m的氣囊可以產生60 t的凈浮力。由于氣囊具有質量輕、易于運輸和安裝、拆卸方便和能夠重復使用的特點，所以每產生1 t凈浮力的費用約在2 000元以下。對于結構自重約26 000 t的張力腿平臺，經過計算得到需要氣囊提供的凈浮力約為3 580 t，折算費用總計約716萬元。

圖6 船用下水氣囊

(2) 使用鋼質浮筒提供額外的浮力，由于其具有切割量大、焊接困難、回拖過程占用駁船和拆除費用高的特點，所以每產生1 t凈浮力費用約在1萬元以上。對于本項目中的張力腿平臺，需要的凈浮力約為3 580 t，折算費用總計約3 580萬元[5]。

通過對比，采用鋼質浮筒助浮的工程費用為采用氣囊助浮的工程費用的5倍，且氣囊具有重復使用、便于拆卸的特點，所以使用氣囊助浮張力腿平臺出塢是經濟可行的。

4 氣囊助浮工藝流程

氣囊的安裝不僅要考慮使其牢牢地固定在張力腿平臺的浮筒和立柱上，還要考慮其拆除的方便性。為滿足以上要求，采用以下的工藝流程。

(1) 準備好助浮氣囊、充氣設備和拖船等并保證其正常運行；

(2) 在張力腿平臺的浮筒和立柱上焊接氣囊專用吊鼻；

(3) 對氣囊進行充氣，達到指定壓強后，按規定位置安裝；

(4) 用浮筒和立柱上的專用吊鼻將氣囊牢牢地固定?。?/p>

(5) 全部氣囊安裝完畢；

(6) 船塢內放水直至張力腿平臺達到起浮狀態；

(7) 打開船塢門，拖船將張力腿平臺拖出船塢，到達舾裝碼頭；

(8) 張力腿平臺完成舾裝后，拖船將其拖至工作水域，并用錨鏈將其固定；

(9) 派遣潛水員下水作業，將氣囊放氣且保留少量氣體，這時氣囊借助留有的少量氣體可浮至水面；

(10) 拆卸工作完成后，連接好氣囊，并用拖船把氣囊拖回岸邊回收。

清晰完善的工藝流程表明使用氣囊助浮張力腿平臺出塢在工藝上是可行的[10]。

5 結 論

通過對氣囊助浮張力腿平臺的相關分析得出如下結論：

(1) 從完整穩性校核的結果可以看出：采用氣囊助浮張力腿平臺出塢在技術上是可行的。

(2) 對比氣囊與浮筒的工程費用，考慮氣囊的可重復使用和便于安裝拆卸的特點，得出采用氣囊助浮在經濟上具有巨大優勢。

(3) 對于船塢內水深較小、噸位較大的海洋平臺出塢來說，借助氣囊助浮是一種可行方案。

張力腿平臺的噸位都比較大，需要借助氣囊才能順利出塢。由于氣囊具有成本低、消耗低、無污染、效率高、可重復使用、便于安裝拆卸等優點，氣囊應用于海洋工程中必定具有良好的發展前景。