基于液壓滑移合攏模式下的深水半潛式平臺建造分析研究

于 琦， 王 嘉， 嚴 翼

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266500)

0 引 言

浮式生產平臺主流有幾大種類，包括船型或者圓筒形浮式生產儲油裝置(FPSO)、三柱式或者四柱式張力腿平臺(TLP)、單柱桁架式或者集束式浮式鉆井平臺(SPAR)，以及四柱式半潛式浮式生產平臺(SEMI)。其中，四柱式半潛式平臺以其甲板面積大、作業穩定性好、操作靈活度高的特點，已經發展成為中國南海深水油氣開發中的一顆冉冉升起的明星產品[1-2]。陵水17-2深水半潛式平臺主要由浮箱及四柱式下船體和多層桁架式上模塊組成。目前國內外對于上部模塊合攏方式有多種，如巨型橋吊合攏法、浮吊吊裝合攏法、提升塔架合攏法、塢內連續搭載法、海上浮拖合攏法、頂升滑移合攏法[3]。本文以5萬噸級半潛式平臺建造為例，通過幾種上模塊大合攏方式對比分析，以海工青島場地選取頂升滑移合攏模式進行半潛式平臺建造分析研究，總結一套具有可行性的半潛式平臺建造方法。

1 半潛式生產平臺簡介

本文以“深海一號”能源站建設工程的半潛式平臺為建造研究目標。如圖1所示，該平臺下船體設計重量約為3.35萬噸，船體為回字型浮箱加四柱式立柱構成的浮體。上模塊重量約為1.95萬噸，該模塊為典型梁板柱及斜撐構建的平臺空間結構。平臺的排水量為10 500 t，作業水深為1 500 m。

圖1 半潛式平臺三維示意圖Fig.1 3D schematic diagram of a semi-submersible platform

2 半潛式平臺上模塊合攏建造方法

下船體和上模塊建造通常會以大合攏能力作為重要依據，倒推船體和模塊建造方法。目前國際上半潛式平臺建造經驗豐富的海洋工程企業主要分布在歐美、韓國、新加坡、中國。現就各大船廠不同鉆井平臺合攏工藝進行概要介紹。

2.1 巨型橋吊合攏法

提起巨型橋吊合攏法，實施該合攏方式的建造場地應具備大型龍門吊，如煙臺來福士2萬噸泰山吊。如圖2所示，巨型橋吊漂浮合攏流程簡介如下。

圖2 巨型橋吊漂浮合攏流程圖Fig.2 Flowchart of closure of a giant bridge crane semi-submersible platform

(1) 開塢門將具備完工條件的上模塊通過半潛駁船運輸到船塢內。

(2) 如圖3所示，經試吊后，泰山吊將上模塊在船塢內整體吊裝抬高到預定高度。

圖3 上模塊泰山吊吊裝圖Fig.3 Installation of upper module by Taishan crane

(3) 通過拖輪將船體濕拖入船塢。

(4) 通過船塢絞車將下船體系泊固定到上模塊下方指定位置[4]。

(5) 泰山吊吊裝上模塊緩慢下落，上模塊立柱插尖精準落入下船體對應立柱內。

(6) 焊接固定完成大合攏后，平臺出塢并碼頭靠泊。

2.2 浮吊吊裝合攏法

浮吊吊裝合攏法的運行原理與超大龍門吊相似，也是合攏平臺上模塊的一種吊裝方法。2002年，韓國大宇造船廠承攬了美國墨西哥灣Thunder Horse大型半潛式浮式平臺，該平臺采用了船塢建造總裝下船體、浮吊吊裝上模塊的方式。半潛式平臺上模塊利用浮吊大合攏施工過程如下：

(1) Thunder Horse半潛式平臺下船體在船塢內建造總裝，根據平臺結構形式同時布置多組頂升塔架。

(2) 結合浮吊起重能力，在保證總體舾裝率的情況下，上模塊分成幾個總段同時開工建造。

(3) 如圖4所示，下船體建造完工后，根據上模塊總段合攏順序，在碼頭附近利用大型浮吊起吊總段落于船體立柱與頂升塔架上定位焊接。

(4) 繼續吊裝剩余上模塊總段，完成合攏定位，全部吊裝結束后通過現代精控方法整體測量保證半潛式平臺總體建造精度滿足規格書尺寸控制要求，大合攏結束。

圖4 上模塊浮吊吊裝圖Fig.4 Installation of upper module by floating crane

2.3 提升塔架合攏法

提升塔架合攏法也是在國外船廠有成熟案例，國內中遠船務也曾使用該模式。2010年5月，南通中遠船務利用提升塔架方式順利了完成了GM4000半潛式平臺交付。平臺服役于挪威北海油田，最大作業水深達到3 000 m，平臺自重2.3萬噸，其中上模塊重量達到9 000 t。提升塔架合攏法建造大合攏施工過程如下：

(1) 在上模塊總段兩側外邊緣跨越層高焊接規定多組吊梁結構，在上模塊總段兩側指定位置建造安裝多組提升塔架，塔架用于支撐吊梁結構，如平臺模塊下布置4個提升塔架，平臺模塊兩側布置4個提升塔架[5]。

(2) 通過力學計算分析，在提升塔架上布置足夠承載力的多組液壓提升油缸，并將提升油缸底部錨固到吊梁上，千斤頂配置如下： 以某品牌650 t和450 t液壓設備為例，外提升塔架上布置4組650 t液壓設備，內提升塔架上布置4組450 t液壓設備，上模塊重量約為9 000 t，液壓頂升的利用率約為9 000/(650×16+450×16)=51.13%。

(3) 通過提升油缸輸出動力將上模塊提升到指定高度，并通過臨時立柱結構輔助支撐平臺上模塊總段。

(4) 在船塢內上模塊與提升塔架平行方向上布置下船體滑移用軌道，二次液壓提升上模塊到指定高度，撤掉臨時支撐結構，將下船體滑移就位到上模塊的下方。

(5) 如圖5所示，在三維精度控制手段輔助下，緩慢釋放并微調上模塊就位與下船體指定位置并焊接固定，完成提升塔架大合攏作業。

圖5 上模塊提升塔架合攏圖Fig.5 Integration of upper module lifting tower

2.4 塢內連續搭載法

塢內連續搭載法在船舶業界稱為“搭積木建造法”，這是比較傳統的船舶建造方法。在船塢附近裝焊平臺以及分段制作工廠內進行分段制作，最大化提升殼舾涂一體化程度后，各個分段劃分大小也不盡相同，原則上盡量減少分段數量的同時提高預安裝水平。目前國內起重能力最大的龍門吊坐落于江南造船廠，起重能力達到1 600 t。上海外高橋承攬的3 000 m深水半潛式平臺“海洋石油981”即采用了內連續搭載模式完成平臺建造合攏。

通過船體總段船塢建造，并根據船廠龍門吊能力將上模塊分成多個分段吊裝上模塊與船體合攏對位，完成平臺建造。

提升塔架合攏法，建造大合攏施工過程如下：

(1) 下船體浮箱和立柱劃分成多個分段建造。

(2) 下船體分段建造連續搭載封頂完工備用。

(3) 上模塊劃分成多個分段建造，通過龍門吊根據合攏順序分別與下船體搭載合攏。

(4) 如圖6所示，完成全部上模塊分段搭載作業，最終完成平臺整體建造合攏。

圖6 上模塊連續搭載合攏圖Fig.6 Integration of continuous loading of upper module

2.5 海上浮拖合攏法

海上浮拖合攏法，即通過半潛駁船將平臺的下船體運輸到錨地下沉，再將平臺上模塊也通過駁船運輸到錨地指定位置，通過駁船壓載下沉將上模塊LMU與下船體插尖對齊，逐步轉移模塊荷載，最終焊接固定完成平臺合攏。該合攏方法不需要使用大型半潛駁船，適用不具備大型起重設備的船廠或者上模塊重量比較大工期短不允許連續搭載的施工建造情況。如圖7所示，韓國三星集團利用浮拖法完成了2艘半潛式平臺上模塊合攏作業。

圖7 上模塊海上浮拖合攏圖Fig.7 Integration of offshore floating towing of upper module

2.6 液壓頂升滑移合攏法

如圖8所示，液壓頂升滑移合攏法是通過大型液壓裝備對平臺上模塊進行頂升，然后建立空中滑移通道，將上模塊滑移到下船體就位位置后下降，完成對接大合攏。馬來西亞船廠為殼牌公司建造了一艘半潛式平臺，即利用該合攏方式完成平臺大合攏建造。

圖8 上模塊頂升滑移合攏圖Fig.8 Integration of lifting sliding of upper module

3 基于海油工程青島場地的平臺建造合攏方法對比

以2萬噸半潛平臺上模塊和3.3萬噸半潛平臺船體合攏為例，對比上述6種合攏方法在海油工程青島場地建造合攏的技術經濟性。

巨型橋吊合攏法，即平臺建造和合攏需要2個場地完成，有利于模塊建造完整性，建造合攏工期短，合攏費用比海上作業以及其他液壓設備合攏方法低。該合攏的必要條件是需要與具備大型吊機的船廠協商談判確定船塢總裝作業空擋周期，平臺上模塊和下船體需要預定運輸駁船，分兩次運輸到協作單位，該合攏方法可作為備選項。

浮吊吊裝合攏法，即平臺建造和合攏能夠在青島場地完成，但上模塊需分為2個萬噸級小平臺，缺點是需要預定超大型浮吊資源，浮吊資源本身較為緊缺，租賃費用高。在合攏實施過程中，對于碼頭岸線水深也有一定要求，浮吊起升能力、起升高度、吊臂長度都是計算校核的重點，受到浮吊起重能力限制。

提升塔架合攏法，即借助塔架工裝，利用液壓設備提供動力完成平臺提升的對位合攏，可在青島場地完成，建造合攏周期短，合攏風險適中。提升塔架法需要使用多組提升塔架，工裝制作、安裝及拆除費用高。目前，半潛平臺尚不具備批量建造條件，塔架也不能重復利用。綜上所述，提升塔架合攏法不作為備選項。

塢內連續搭載法，即利用船廠船塢平臺配備的龍門吊起重能力，可在青島場地完成，上模塊不能整體預制，合攏風險小。對于青島建造場地，當前船塢平臺僅配備一臺800 t龍門吊，且分段建造吊裝均需使用，分段過多對于采用塢內連續搭載法平臺建造工期會較長，平臺多專業建造完善情況相比整體建造會下降較多。綜上所述，塢內連續搭載法不作為備選項。

海上浮拖合攏法，目前國際上采用該合攏方式的船廠比較少，該合攏方法的缺點有許多，海上作業氣候環境復雜多變，合攏安全性比陸地差，如在錨地合攏海上拖船運輸路線長，拖輪和半潛駁船租賃時間長、費用高。優點是對于陸地不具備合攏條件的船廠，海上浮拖能夠較好完成合攏任務，海洋平臺模塊和導管架安裝采用浮拖法應用也較為成熟，安全性有保證[6]。本著以能在陸地完成的工作不拖到海上作業的原則，該海上浮拖合攏法也不作為備選項。

頂升滑移合攏法，隨著科技不斷更新迭代，液壓設備也有了長足進步發展。國際上主流的液壓設備有英格蘭ALE公司、荷蘭Mammoet公司等[7-8]。ALE公司與青島公司在陵水17-2項目半潛式平臺3萬噸級船體液壓滑移裝船有過合作基礎。液壓設備頂升滑移的特點需要租賃整套頂升裝備，包括成套的頂升工裝，無須自制，當然也存在需要公司自制的一些配套工裝，如頂升支撐和高空滑移通道工裝，相對于提升塔架法，頂升滑移合攏法能夠在頂升工裝制作和安拆方面節省人工和材料。在平臺合攏風險中，應注意頂升高度大于60 m以上的抗風能力。綜上所述，該頂升滑移合攏法可作為備選項。

總結上述6種平臺合攏方法(見表1)，巨型橋吊合攏法和頂升滑移合攏法都是比較可行的，“深海一號”能源站的上部模塊接近2萬噸，工程實踐采用了泰山吊合攏。因此本文擬繼續開展基于液壓頂升滑移合攏模式，對海油工程青島場地半潛式平臺建造合攏實施要點的分析研究。

表1 基于海油工程青島場地的平臺合攏方法對比Tab.1 Comparison of platform integration methods based on Qingdao site of CNOOC

4 半潛式平臺滑道建造合攏與船塢建造合攏實施技術可行性分析研究

4.1 半潛式平臺滑道建造合攏流程

從前文半潛式平臺合攏方案對比分析來看，上模塊和下船體在某些船廠存在不同建造工廠預制后，運輸回總裝場地合攏的實施策略，這也比較符合現代模塊化造船理念，既可以加快建造工期也能夠聯合利用其他船廠資源。本文擬定船體和模塊都在青島場地建造及合攏，開展基于液壓滑移合攏模式對深水半潛式平臺建造的分析研究。圖9為液壓滑移合攏模式的流程圖。

圖9 液壓滑移合攏模式的流程圖Fig.9 Flowchart of integration of hydraulic sliding

第一步： 如圖10所示，進行滑道準備，滑道總裝場地的地基承載力應達到半潛式平臺船體、組塊以及上部模塊滑移區域的地基承載力要求，對于局部地基承載力不足的總裝區域進行適當改造，相應承載區域應經過承載力復驗。

圖10 液壓滑移裝船平臺船體及模塊場地布置圖Fig.10 Layout of hull and module of hydraulic sliding shipping platform

第二步： 如圖11所示，下船體在滑道總裝區域建造完工，在下船體浮筒內側布置6組固定支撐并在其頂部安裝液壓滑移用軌道梁。應確保在總裝場地的固定支撐下塔架基礎點承載力滿足要求。

第三步： 如圖12所示，上模塊在滑道總裝區域建造完工，通過液壓設備低位滑移的方式將模塊滑移至指定位置。如圖13所示，對上部模塊進行頂升，需要頂升高度為70 m。

圖11 液壓滑移固定框架示意圖Fig.11 Schematic diagram of fixed frame of hydraulic sliding

圖12 液壓頂升支撐布置示意圖Fig.12 Layout of hydraulic jacking support

第四步： 如圖13所示，在上部模塊頂升到70 m后，在2組頂升支撐框架頂部之間的滑移軌道處，安裝高位滑移架橋用的跨接梁(linkbeam)，完成滑移大合攏。

4.2 半潛式平臺滑道建造液壓滑移合攏實施要點分析

(1) 滑道總裝場地的地基承載力達到半潛式平臺建造及合攏要求，青島公司五號滑道總裝場地已經過地基改造，可以滿足要求，對于局部滑移區域也需要進行必要的地基改造，并完成地基承載力平臺驗證。

(2) 滑道總裝吊裝設備資源投入達到半潛式平臺建造及合攏要求，該區域已經具備風水氣電施工保障條件，但沒有配備大型龍門吊資源，常規模塊建造通常使用公司現有履帶吊。建造場地履帶吊數量和能力對平臺分段有限制，對于底部下船體可考慮使用公司現有SPMT車輛合攏或者使用三維調整機合攏，對其他標高分段劃分尺寸和重量，資源不足時建議租賃或購置大型起重機設備。

(3) 船體和上模塊滑道建造以及上模塊大合攏建造的滑道場地布置要滿足建造要求，既要考慮總裝階段的總裝墊墩以及部分液壓頂升用工裝設計與布置，也要在明確后續使用大型吊機資源情況下事先預留出足夠行車通道和吊裝作業區域，避免吊機施展不開的情況。

(4) 半潛式平臺在滑道建造合攏后的液壓滑移裝船屬于建造關鍵節點，應注意作業風險控制和方案論證。深水碼頭能力也是海洋工程建造場地設施能力的重要體現。由于平臺大合攏后重量已經超過5萬噸，臨時系泊期間吃水深度需要計算確定。現有五號滑道前沿碼頭水深不足應進行專業評估并清淤處理，如有必要也應考慮傾斜試驗要求。因平臺傾斜試驗水深要求會更高，如碼頭確不具備條件，該作業項也可協調在指定海域完成。

圖13 液壓滑移合攏示意圖(單位mm)Fig.13 Schematic diagram of integration of hydraulic sliding

5 結 語

世界各大船廠對于半潛式平臺上模塊大合攏施工采取了多種不同的建造合攏方法，本文對6種大合攏方式的經典建造案例及其合攏工藝順序進行概要描述。結合海油工程青島場地實際建造能力，本文對上述合攏方式進行了選型分析，選型分析結果為巨型橋吊合攏法和頂升滑移合攏法為優選項。本文進一步基于液壓頂升滑移合攏模式下，對深水平臺在滑道建造合攏進行了可行性分析，并對所需資源以及施工要點加以描述，半潛式平臺建造合攏在青島場地的實現已經具備初步的技術可行性。