超大型平臺安裝試驗研究＊——以荔灣3－1氣田中心平臺為例

李 達 易 叢 白雪平

（中海油研究總院）

超大型平臺安裝試驗研究＊
——以荔灣3－1氣田中心平臺為例

李 達 易 叢 白雪平

（中海油研究總院）

以荔灣3－1氣田中心平臺導管架和組塊安裝設計為例，分析了超大型導管架和平臺組塊安裝設計及安裝實施過程中的關鍵風險點，針對這些風險點，采用水池模型試驗方法進行了驗證。對于基本設計結果與模型試驗結果之間由于尺度效應造成的差異，進行了模型尺度的數值分析以保證設計成果的可靠性。本文提出的超大型平臺安裝設計的技術流程，對于后續超大型深水平臺安裝方案的設計具有借鑒意義。

超大型平臺 安裝設計 模型試驗 模型尺度數值分析 荔灣3－1氣田

隨著海洋深水油氣田的陸續開發，海洋平臺逐漸向大型化和超大型化發展。超大型平臺因為尺寸大、質量大，安裝時對施工機具的要求高，施工船舶的可選擇余地小，因此，超大型導管架和平臺組塊的安裝設計成為挑戰。南海深水天然氣開發項目是中國海油一個里程碑式的大型油氣田開發工程項目，該項目包括一座超大型平臺（荔灣3－1氣田中心平臺）的安裝設計[1－2]。本文以荔灣3－1氣田中心平臺安裝設計為例，分析了超大型平臺導管架和組塊安裝設計及安裝實施過程中的關鍵風險點，針對這些風險點，采用了水池模型試驗的方法來驗證設計成果。對于基本設計結果與模型試驗結果由于尺度效應造成的差異，進行了模型尺度的數值分析，找出了模型試驗與數值分析產生差異的原因，達到了模型試驗與數值分析互相驗證的目的。通過總結歸納，提出了大型平臺安裝設計的技術流程，即數值分析—模型試驗—模型尺度數值分析，對于后續超大型深水平臺安裝方案的設計具有借鑒意義。

1 超大型平臺安裝設計

荔灣3－1氣田中心平臺導管架和組塊均為超大型結構物，而且是在南海惡劣海況下進行安裝作業，因此，其安裝設計就顯得尤為重要。荔灣3－1氣田中心平臺超大型導管架和組塊浮托法安裝設計工作見表1、2。

由于荔灣3－1氣田中心平臺安裝設計中部分做法是業界首次嘗試，在自主設計過程中無章可循，即使經過大量的數值分析，仍然存在一些潛在的風險點：①導管架下水軌跡是否與設計出入太大；導管架在下水過程中的受力過大是否使駁船無法接受。②世界上第一套深水浮托系泊系統的強度是否可靠。③長距離組塊拖航運輸是否安全。④荔灣3－1氣田中心平臺組塊是現今為止導管架上承載最重的組塊，導管架腿受力分配不平衡，單腿垂直受力過大，是否使結構無法承受；對接緩沖裝置（LMU）和組塊支撐單元（DSU）的水平和垂直剛度等設計參數選擇是否合理。

表1 荔灣3－1氣田中心平臺超大型導管架安裝設計工作

表2 荔灣3－1氣田中心平臺超大型組塊浮托法安裝設計工作

在基本設計階段，需要進行荔灣3－1氣田中心平臺導管架和平臺組塊安裝的數值分析，以確保在平臺安裝過程中，駁船、導管架和平臺組塊的整體安全。考慮到平臺導管架和組塊均為超大型結構物，在安裝過程中存在諸多的風險點，進行海洋工程水池模型試驗，以驗證安裝數值模擬結果的可靠性。針對由于尺度效應造成的模型試驗與基本設計階段數值分析結果不一致的情況，探索差異產生的原因，并進行模型尺度的數值分析，即對試驗所采用的模型進行1∶1建模并進行數值分析以保證設計的可靠性。

2 模型試驗研究

本次水池模型試驗是在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室進行，模型縮尺比為1∶50。制作與模擬的模型包括：不銹鋼制下水導管架模型1只，鋼制浮托用導管架模型1只，木制駁船模型（包括搖臂）1艘，導管架平臺的上部組塊模型1套，截斷水深的系泊系統模型2套，組塊支撐及連接機構（對接緩沖裝置8只，組塊支撐單元10只）模型1套，護舷（橫向護舷2只，縱向護舷2只）模型1套。試驗所用的海洋工程水池有大面積可升降假底，可在0～5 m水深范圍內任意調節。水深的模擬通過調節可升降的假底來實現。在浮托安裝試驗中，考慮到流速的模擬和錨泊系統布置問題，采用截斷水深來進行系泊系統模擬。

根據船舶或海洋結構物在水中運動時的相似法則[3]，保持實體與模型之間的傅汝德數和斯托哈數相等，而通常忽略粘性的影響，即滿足兩者的重力相似和慣性相似，因此

式中：V、L、T分別為速度、特征線尺度、主要周期；下標m、s分別表示模型和實體。根據上述相似法則制作模型并處理采集到的試驗數據。

本次平臺安裝設計中的關鍵風險點包括導管架滑移下水、浮托安裝系泊系統、組塊浮托對接和平臺組塊拖航運動。

2.1 導管架滑移下水

在駁船尾部加裝助推裝置，在靜水狀態下進行下水試驗。首先在滑軌上涂潤滑油，將導管架固定在正確的位置，解除導管架的固定繩索，準備就緒后打開助推裝置，給導管架初始力，導管架開始滑動直至搖臂反轉，導管架入水后根據自身浮力調整到平浮狀態，整個下水試驗結束。下水試驗共2次，主要測試的內容包括導管架的6個自由度運動和2個搖臂在下水整個過程中提供的反力。

利用數值分析和模型試驗等方法對導管架滑移下水過程中關鍵參數進行了分析，結果列于表3。從表3可以看出，模型試驗與基本設計數值分析結果相差較大，主要體現在搖臂反力和滑移時間上。不同尺度對導管架下水滑移時間和受力影響較大，這是由于實體與模型的雷諾數不一致而導致導管架在滑移下水過程中的粘性力不同所致，但模型試驗與模型尺度數值分析結果較為接近，這在一定程度上驗證了滑移下水模型尺度數值分析的可靠性。因此，有必要對導管架滑移下水過程進行模型尺度的數值分析，規避因尺度因素造成導管架滑移下水過程中的粘性力的差異。

表3 荔灣3－1氣田中心平臺導管架滑移下水過程中關鍵參數分析結果

2.2 浮托安裝系泊系統

當駁船到達導管架所在海域附近時，需要等待合適的環境條件，駁船在等待期間需布置定位系泊系統。系泊系統要具備抵御一定環境條件的能力，設計時考慮風、浪、流同向，可滿足作業月份90%以上的可作業概率。荔灣3－1氣田中心平臺駁船系泊系統模型試驗環境條件見表4。不規則波浪作用下的系泊系統模型試驗考慮3個浪向（橫浪、斜浪和迎浪），試驗主要測試的內容包括駁船6個自由度運動和系泊系統每根系泊纜的頂端拉力。荔灣3－1氣田中心平臺浮托安裝系泊系統布置如圖1所示，船舯和船艉的左右舷各有2根系泊纜（需要指出的是，隨著操作水平的提高，在安裝實施階段可以考慮把船舯的系泊纜調整到船艏，在進船時使用快速脫鉤裝置快速切換到船舯以方便進船。），便于船艏進入導管架。

表4 荔灣3－1氣田中心平臺駁船系泊系統模型試驗環境條件

圖1 荔灣3－1氣田中心平臺浮托安裝系泊系統布置圖

采用模型試驗與基本設計數值分析2種方法得到的荔灣3－1氣田中心平臺系泊系統的系泊力列于圖2（其中7號纜與8號纜處于最惡劣工況（斜浪）下），可以看出，模型試驗得到的最大系泊力比基本設計數值分析得到的結果小約20%。由于數值分析方法能夠較好地模擬系泊系統的非線性，但無法模擬粘性的影響（實際系泊力應包括粘性力），為了保證設計的安全，且考慮到由于雷諾數差異而導致模型試驗的粘性阻尼比實際更大，通常安裝設計中對系泊系統的數值分析時不考慮慢漂粘性阻尼，從而導致數值分析結果偏大。由于數值分析和模型試驗結果均在工程可接受范圍內，系泊試驗與數值分析的差異與預計趨勢一致，因此在系泊系統安裝設計時可不進行模型尺度數值分析。

圖2 荔灣3－1氣田中心平臺浮托安裝數值分析與模型試驗得到的系泊纜系泊力對比

2.3 組塊浮托對接

當駁船進入到導管架的槽口后，荔灣3－1氣田中心平臺組塊腿剛好落在相應導管架腿的正上方時，開始切割剩余的組塊支撐結構，駁船開始增加壓載水并隨著潮位和壓載水的變化平浮下沉，即開始進入了組塊的對接階段。在基本設計數值分析中計算了6個組塊荷載轉移階段（5%、50%、80%、90%、95%和100%）的運動和受力。

考慮3個浪向（橫浪、斜浪和迎浪），選取3個關鍵組塊荷載轉移階段（5%、80%和100%），共9個試驗工況，進行不規則波浪作用下的組塊浮托對接試驗。荔灣3－1氣田中心平臺組塊浮托對接試驗環境條件如表5所示（可滿足作業月份50%以上的可作業概率）。組塊浮托對接試驗主要測試的內容包括駁船的6個自由度運動，上部組塊的6個自由度運動，3個對接緩沖裝置（LMU）在X、Y、Z方向的受力，4個組塊支撐單元（DSU）在Z方向的受力（X、Y方向因為缺乏約束，只受摩擦力作用），系泊系統每根系泊纜的頂端拉力。荔灣3－1氣田中心平臺組塊浮托對接試驗LMU和DSU的布置如圖3所示，LMU在導管架腿部，按船體兩側各2排共8套來布置，DSU在船體上的支撐框架頂部，按2條滑道各5套來布置。

表5 荔灣3－1氣田中心平臺組塊浮托對接試驗環境條件

圖3 荔灣3－1氣中心平臺組塊浮托對接試驗LMU和DSU布置圖

基本設計數值分析與模型試驗得到的荔灣3－1氣田中心平臺LMU對接力的對比見圖4，可以看出，模型試驗結果小于基本設計數值分析結果，主要原因在于基本設計數值分析中選擇的剛體阻尼偏小，各剛體阻尼選取時選擇阻尼范圍的下限（剛體阻尼取0.01，實際阻尼為0.01～0.2），導致計算結果偏大。根據模型試驗與基本設計數值分析結果的全面比較，模型試驗的動力皆小于數值分析的結果，均在工程可接受的范圍內，可以不進行對接系統的模型尺度數值分析。另外，模型試驗結果也驗證了LMU、DSU布置方式和剛度參數選取的可靠性。

圖4 基本設計數值分析與模型試驗得到的荔灣3－1氣田中心平臺LMU對接力結果對比

2.4 平臺組塊拖航運動

基本設計階段平臺組塊拖航運動分析采用頻域和時域等多種方法、多種軟件（如 MOSES、SESAM）進行。根據規范要求，對于時間超過72 h的海洋結構物拖航，拖航工況的設計環境條件需要采用10年一遇的月極值（有義波高5.4 m，譜峰周期10.5 s）。保守起見，基本設計階段選擇的譜峰周期范圍為7.5～13.5 s。圖5是基本設計數值分析得出的荔灣3－1氣田中心平臺橫搖運動幅值隨譜峰周期的變化關系曲線 ，可以看出，譜峰周期對拖航運動非常敏感，譜峰周期從13.5 s下降到10.5 s，橫搖運動幅值降低42%。另外，波高對橫搖角也有影響，當其他條件不變時，波高與橫搖角基本呈線性關系。

圖5 荔灣3－1氣田中心平臺組塊拖航橫搖運動幅值隨譜峰周期的變化關系曲線

荔灣3－1氣田中心平臺組塊拖航模型試驗選擇3個浪向（迎浪、斜浪和橫浪）進行，試驗波浪對應實尺度的波高為5.4 m，對應的譜峰周期為13.5 s。數值分析與模型試驗橫搖衰減曲線如圖6所示，模型試驗橫搖周期為15.4 s，數值分析的橫搖固有周期為15.5 s，可見利用數值分析方法和模型試驗方法得到的橫搖固有周期結果相差不大，采用基本設計數值分析、模型試驗及模型尺度數值分析3種方法對拖航運動中最大橫搖角的分析結果示于表6，可以看出，模型試驗結果與基本設計數值分析結果差異較大，而與模型尺度數值分析結果較為接近。模型試驗結果與數值分析結果產生差異的原因主要在于，模型試驗主要考慮慣性力對船體的影響，即實船和模型的傅汝德數相等，而雷諾數不相等，此時，實船和模型粘性阻尼會有差異，導致運動幅值產生差異；而模型尺度數值分析與模型試驗能夠保證傅汝德數和雷諾數基本相等，使得模型尺度數值分析結果與模型試驗結果較為接近，其存在差異的原因在于模型尺度數值分析與模型試驗之間附體橫搖阻尼的不同。通過以上的分析可以看出，模型尺度數值分析在一定程度上驗證了基本設計數值分析方法的合理性。

圖6 基本設計數值分析與模型試驗得到的荔灣3－1氣田中心平臺組塊拖航橫搖衰減曲線

表6 3種方法對荔灣3－1氣田中心平臺組塊拖航運動中最大橫搖角的分析結果

應該指出的是，實際拖航時駁船只是船艏一端受牽引，在惡劣環境下，拖輪接近于駁船的單點，駁船會隨著波浪方向繞著拖輪轉動，駁船在拖輪操縱下不會處于橫浪環境條件，而應該是迎浪環境條件，而拖航運動模型試驗時，駁船艏艉左右舷均由纜繩固定，屬于強迫運動。為了確保駁船在惡劣環境條件下的航向穩定性，基本設計階段考慮了2條拖輪拖帶海洋石油229，1條主拖，另1條輔助拖航，并增加了風浪流監測系統和運動監測系統。由于工期緊張，本項目組塊拖航強度按照試驗結果得到的運動幅值來進行分析和設計，相對保守。

3 結論及建議

（1）超大型平臺的安裝設計可能存在風險，需要用模型試驗進行驗證，而對于基本設計結果與模型試驗結果之間由于尺度因素造成的差異，需要進行模型尺度的數值分析。該技術流程或方法對于后續超大型深水平臺方案的設計有借鑒意義。

（2）導管架實體與模型的雷諾數相差較大，導管架下水模型試驗與設計結果會出現較大的差異，需要采用模型尺度的數值分析方法對模型試驗進行驗證。

（3）系泊和浮托對接數值分析中剛體阻尼選取相對較小，導致數值分析結果偏大，因此，在后續項目設計中可以考慮適當增大剛體阻尼，在保證安全的前提下使得設計參數選擇更加貼近工程實際。

（4）拖航運動模型試驗與實際船體雷諾數的差異引起的粘性阻尼的差異，使得橫搖運動較難模擬，且模型試驗與數值分析結果差異較大；本次荔灣3－1氣田中心平臺安裝設計直接使用保守的模型試驗結果，不建議后續項目采用；建議安裝時增加波浪監測系統以及船體運動監測系統，并結合數值分析方法，修正海洋石油229的粘性阻尼，便于后續項目使用。

[1] 周曉紅，郝蘊，衣華磊.荔灣3－1深水氣田開發中心平臺工藝設計若干問題研究[J].中國海上油氣，2011，23（5）：340－343.

[2] 范模，李達，馬巍巍，等.南海超大型組塊浮托安裝總體設計與關鍵技術[J].中國海上油氣，2011，23（4）：267－270.

[3] 楊建民，肖龍飛，盛振邦.海洋工程水動力學實驗研究[M].上海：上海交通大學出版社.2008：31－104.

Experiment research on the installation of super platform：a case study of Liwan3－1 gas field′s CEP platform

Li Da Yi Cong Bai Xueping
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

Taking Liwan3－1 gas field′s CEP Platform as an example，key risk points are analyzed during platform′s jacket and topsides installation design and execution.For the risk points，the model test method is used to validate the design results.For the difference between basic design results and model test results caused by scale effect，numerical analysis for model is carried out to ensure the reliability of the design results.The technical flow for super platform′s installation design is given and will be useful for future similar project.

super platform；installation design；model test；numerical analysis for model；Liwan3－1 gas field

＊中國海洋石油總公司“荔灣3－1深水天然氣開發基本設計項目”部分研究成果。

李達，男，工程師，2005年畢業于天津大學，現從事海洋工程浮體及大型海洋結構物安裝總體設計工作。E－mail：lida＠cnooc.com.cn。

2011－10－21改回日期：2011－12－28

（編輯：夏立軍）