大型組塊海上整體吊裝方案優選研究

付殿福，韓 頻，孫 欽，劉 揚

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.上海利策科技有限公司，上海 200233 )

大型組塊海上整體吊裝方案優選研究

付殿福1，韓 頻2，孫 欽1，劉 揚2

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.上海利策科技有限公司，上海 200233 )

以渤中28-2南油田新建井口平臺的上部組塊海上吊裝方案設計為基礎，介紹大型平臺組塊海上整體吊裝方案選擇中的具體技術問題，總結適用于組塊吊裝方案快速優選的具體方法及計算公式，并對整體吊裝方案進行敏感性分析。

大型組塊；吊裝；干涉分析；敏感性分析；強度分析

隨著國內海洋石油工業迅速發展，近年來在國內海域新建了一批大中型導管架平臺，其中大多數采用浮吊船來進行海上吊裝安裝。受施工條件的限制，國內施工重量介于4 00～10 000 t之間的平臺組塊常采用分塊吊裝方案。但分塊吊裝所需結構材料多、施工附件多、海上連接調試時間長。5 000 t左右的大型組塊能否實現整體吊裝安裝，是工程技術人員在前期方案研究階段必須考慮的問題。

文中以渤中28-2南油田調整項目中的BZ28-2S WHPB平臺組塊吊裝為例，系統分析5 000 t級上部組塊的海上施工方案，進行吊裝干涉、浮吊起吊能力、吊裝敏感性及吊裝強度等分析。

1 組塊及施工船舶參數

1.1 組塊的重量及重心

BZ28-2S WHPB平臺組塊結構為由梁柱板和斜撐構成的空間剛架結構。組塊的施工重量和重心位置見表1。

表1 組塊重量及重心位置

1.2 施工船舶

海上吊裝擬采用“藍鯨”號浮吊船施工，“藍鯨”號最大起重能力為7 500 t，全回轉時起重能力為4 000 t[1]。浮吊吊機旋轉中心至船艉的距離為28.8 m，碰球直徑為3.0 m。浮吊的吊裝能力見圖1。

圖1 藍鯨號吊裝能力曲線

擬采用海洋石油221船作為運輸駁船，參數為

垂線間長 142.00 m;

型寬 36.00 m;

型深 9.75 m;

拖航吃水 4.50 m;

載重量 29 000 t。

2 吊裝干涉分析

近年來，隨著油田開發技術不斷提高，不少老油田重新煥發活力，帶來了大量油田調整項目。調整項目中新建平臺周邊往往有已建的平臺及海管等設施，在確定吊裝方案前應考慮周邊已建設施對浮吊海上就位的影響；同時也應考慮組塊吊裝時，浮吊扒桿與組塊自身的干涉影響，即應進行浮吊就位干涉分析、扒桿與吊高干涉分析。

2.1 浮吊就位干涉分析

該項目周邊不僅有已建平臺，還存在大量的海底管道，因此將周邊已建設施進行摸排以確定浮吊就位、施工方案。繪制已有周邊設施及施工船舶位置關系圖，見圖2。

由圖2可見，施工船舶采用此就位方式不會與已有設施發生干涉，就位方案可行。

2.2 扒桿與吊高干涉分析

扒桿與吊高干涉分析應首先考慮組塊在駁船上高度H1

圖2 周邊設施與施工船舶位置關系

(1)

式中：D——型深，9.75 m；

d——吃水，5.5 m；

Hd——滑道高度，3 m；

Hx——滑靴高度，2 m；

Δd——船舶由于載荷變化產生的吃水變化，0.5 m。

對于井口平臺，采油樹往往在組塊井口區易與井口梁相碰[2]。故應在組塊吊裝時還應考慮組塊跨越導管架及采油樹所需的吊高H2

H2=Lc+Hc+Δh

(2)

式中：Lc——隔水套管頂標高，18.4 m；

Hc——采油樹高度，3 m；

Δh——安全距離，3 m。

取由式(1)和(2)計算得到的高度較高值，即H2=24.4 m作為實際抬升高度，調整扒桿角度到對應跨距及吊高，繪制被吊結構物放樣圖。檢查組塊頂層甲板邊緣、吊機及頂層甲板上大型設備是否與扒桿干涉。 通過計算發現藍鯨號在對應跨距下的抬升高度大于24.4 m，滿足要求。

3 起吊能力分析

3.1 吊裝跨距分析

“藍鯨”號主鉤系固工況下的吊裝能力，主要由吊裝跨距決定，吊裝跨距見圖3。

圖3 吊裝跨距示意

吊裝跨距S的計算如下。

S=C+Dq+B/2+ey0+ey1

(3)

式中：C——吊機旋轉中心至船艉的距離，28.8m；

Dq——碰球直徑,3m;

B——駁船型寬,36 m;

ey0——組塊Y向初始偏心,0.343 m;

ey1——組塊Y向計算附加偏心,0.5m。

代入上述參數，計算得到該組塊吊裝跨距S為50.643 m。

3.2 鉤頭能力分析

由于藍鯨號具有雙主鉤，組塊的偏心將造成各單鉤反力的不均勻分配，會導致浮吊主鉤及扒桿不均勻受力。因此，對于此類雙主鉤浮吊船，總吊裝能力主要限制條件為單鉤吊裝能力。

(4)

式中：L——單鉤吊裝能力;

Ld——雙鉤設計吊裝能力;

Ls——雙鉤標準吊裝能力;

η——安全系數,1.1。

查閱圖1中“藍鯨”號吊裝能力曲線，在吊裝跨距為50.643 m時的能力為Ld=5 961.8 t，根據式(4)計算得到單鉤能力L=2 980.9 t。

3.3 組塊反力分析

有了單鉤能力后應計算組塊的實際單鉤吊裝反力以評估浮吊是否具備足夠能力。吊裝反力取決于組塊重量、偏心、吊點間距等因素，見圖4。根據力的平衡原理，組塊吊裝單鉤最大反力Gmax的計算公式如下。

(5)

式中：Gk——組塊吊裝重量,5 449 t;

dx——吊點間距,22 m;

ex0——組塊X向初始偏心,-0.343 m;

ex1——組塊X向附加偏心,-0.5 m。

圖4 吊點吊繩布置示意

4 吊裝敏感性分析

上述分析表明,該組塊吊裝方案基本可行，但由于“藍鯨”號儲備能力的余量很小。為進一步控制風險，應進行吊裝敏感性分析。

因“藍鯨”號的起吊能力受單鉤能力的限制，因此被吊結構的偏心對起吊能力影響較大?？紤]是否連同平臺吊機一起吊裝、是否使用配重調整重心等因素來判斷吊裝敏感性。

情況1。平臺吊機整體吊裝、單獨吊裝，與不進行配重調整重心相組合的情況；

情況2。平臺吊機整體吊裝、單獨吊裝，與進行配重，即在個別設備中沖水來調整重心相組合的情況。

根據上述兩種情況計算“藍鯨”號所能吊起的重量及偏心的極限增加值，見表2、表3。

表2 不配重狀態下敏感性分析

表3 配重狀態下敏感性分析

由表2和表3可見，目前方案被吊結構物重量余量為99.2 t；單獨X向偏心余量為0.215 m；吊裝跨距余量為0.544 m。

若綜合采用配重和平臺吊機后安裝的措施。被吊結構物重量余量為234.9 t；單獨X向偏心余量為0.689 m；吊裝跨距余量為1.245 m。

5 吊點形式的確定

吊點選型時要綜合考慮結構物在各種工況條件下的受力情況[3]。目前工程建造中使用的吊點有2種：板式吊點和管子軸式吊點。當被吊物體的質量較大時，可采用管子軸式吊點。這不僅可避免卡環承載能力的限制，而且可簡化對吊點板復雜構造形式的設計和其投影關系的計算，使批把頭增大受力狀態下的曲率半徑，使鋼絲繩在結點處受力更合理[4]。

目前國內與板式吊點之相配套的卸扣強度有限，最大能力的卸扣是1 500 t扁平卸扣，即單根吊繩力不能超過1 500 t的結構物吊裝才能使用板式吊點進行吊裝。因此本文組塊的吊點選用管子軸式吊點。

6 吊裝強度分析

使用SACS程序對組塊進行吊裝結構強度分析，以確定組塊結構強度是否滿足吊裝要求[5]。 根據API規范規定，對于所有構件采用1.35倍的動力系數，對于與吊點直接相連的構件采用2.0倍動力系數，在X方向與Y方向各考慮0.5 m的附加偏心。

計算結果顯示，1.35倍動力系數下所有構件中最大UC為0.97，節點最大沖剪節點UC為0.910，2.0倍動力系數下與吊點直接相連的構件的最大UC為0.97。

組塊整體吊裝強度分析結果顯示組塊結構強度可以滿足規范要求。

7 結論

1)該組塊一吊整體吊裝方案可行，方案具備一定的抵御重量、重心變化的吊裝能力余量。

2)進行海上結構物吊裝方案選擇時，應全面排查建設海域已有設施，判斷周邊已建設施對浮吊海上就位的影響；同時應考慮組塊吊裝時，浮吊扒桿與組塊自身的干涉影響。

3)因被吊結構物的吊裝跨距、重量及其重心位置對浮吊船的起吊能力影響較大。其中，被吊結構物偏心距離對“藍鯨”號這類雙主鉤浮吊船的起吊能力影響非常大。在無法進一步調整被吊結構物重心的情況下，考慮以適當的配重減小被吊結構物的偏心距離，對提升起吊能力有益。

4)大型組塊整體吊裝方案與分塊吊裝方案相比優勢明顯，但由于吊裝重量大，浮吊、駁船、滑道及場地等資源較為單一，需要在項目前期就鎖定資源；并且在后續設計中應重點關注重量控制工作，嚴格控制被吊結構物的重量、重心以及運輸駁船的寬度。

[1] 金曉劍，趙英年，李健民，等.海洋石油工程領域“十一五”技術創新成果及“十二五”展望[J].中國海上油氣，2011，23(5):285-292.

[2] 海洋石油工程設計指南編委會，海洋石油工程安裝設計[M].北京：石油工業出版社，2007.

[3] 周可佳.海上鋼結構物典型吊點的比較與應用[J].船海工程，2013,2(42):126-128.

[4] 劉 巍，孫振平.綏中36-1油田I期開發工程井口平臺[J].中國海上油氣(工程)，2001，13(2):11-14.

[5] 劉 波，楊 亮，田其磊，等.海洋平臺上部組塊吊裝方案優化分析[J].石油工程建設，2011，8(37):24-26.

Optimization Research on Offshore Integral Lifting Project for Large Deck

FU Dian-fu1, HAN Pin2, SUN Qin1, LIU Yang2

(1 CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China;2 Richtech Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

The basic technical problems faced in the integral lifting scheme selection of large deck are briefly introduced. This work is based on the project design of offshore installation of 28-2 wellhead platform in Bozhong south oilfield. The detail methods and computational formulas applying for the scheme selection of deck lifting are summarized, and a sensitivity analysis for integral lifting parameter is carried out.

large deck; lifting; interference analysis; sensitivity analysis; strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.041

2014-09-01

付殿福(1984-)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2015)01-0162-04

修回日期：2014-10-11

研究方向:海上平臺結構設計

E-mail:fudf@cnooc.com.cn