深水半潛式起重鋪管船塢內(nèi)合攏方案對(duì)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(shù)的發(fā)展，海洋石油勘探開發(fā)正在向深水進(jìn)軍。目前，石油鉆井工作水深已達(dá)到3000m，鉆井深達(dá)12000m的第六代深水半潛式平臺(tái)的需要量持續(xù)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(guān)課題，海洋石油工程(青島)有限公司(簡(jiǎn)稱青島公司)深入開展了半潛式起重鋪管船建造技術(shù)的相關(guān)研究。結(jié)合公司現(xiàn)有場(chǎng)地船塢設(shè)備設(shè)施情況，以及未來可能在青島場(chǎng)地施工建造的半潛式鋪管船船型情況，本文對(duì)深水半潛式平臺(tái)塢內(nèi)合攏方案進(jìn)行對(duì)比分析研究。基于一種典型滑移頂升設(shè)備，描述了頂升滑移合攏方案的施工流程，并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，可為國內(nèi)船廠建造半潛式起重鋪管船等半潛式海洋平臺(tái)的塢內(nèi)合攏施工提供參考。

1 半潛式平臺(tái)塢內(nèi)合攏技術(shù)現(xiàn)狀

目前，第六代深水平臺(tái)的建造主要集中在新加坡、韓國與幾個(gè)歐洲國家。國內(nèi)建造半潛式平臺(tái)的船廠有中集來福士、中遠(yuǎn)船務(wù)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(tái)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(shè)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(jù)船廠的設(shè)備起吊能力及所需的設(shè)備資源配置，建造半潛式海洋平臺(tái)船塢內(nèi)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(tái)建造中均有廣泛應(yīng)用。

2 半潛式平臺(tái)塢內(nèi)合攏技術(shù)方案分析

2.1 分段吊裝合攏

分段吊裝合攏技術(shù)，是指在分段預(yù)制完成后，在船塢內(nèi)利用大型起重機(jī)(例如船塢龍門吊)，將大分段逐一吊裝至預(yù)定位置，并且焊接合攏，即所謂連續(xù)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(guī)船舶的建造中應(yīng)用廣泛。

當(dāng)船廠起吊能力有限時(shí)，可采用分段吊裝合攏方案，即根據(jù)船廠船塢龍門吊起吊能力，進(jìn)行分段劃分，同時(shí)對(duì)分段進(jìn)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(chǎng)地建造完成，然后采用分段/總段運(yùn)輸車將總段運(yùn)輸?shù)酱瑝]指定位置，采取類似“搭積木”的方式，對(duì)整體平臺(tái)從下到上進(jìn)行合攏裝配，整個(gè)合攏裝配過程在干船塢進(jìn)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(tái)，合攏技術(shù)與船廠建造常規(guī)船舶時(shí)相同，技術(shù)相對(duì)成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)易于控制。如果分段劃分得當(dāng)，對(duì)其他廠商的設(shè)計(jì)依賴性小，則建造過程中與設(shè)備廠商的協(xié)調(diào)難度相對(duì)較小。但合攏作業(yè)占用船塢周期較長，限制了船廠的產(chǎn)能。同時(shí)，這種建造方式涉及大量高空作業(yè)，需要搭建大量的腳手架設(shè)備，并且分段存在較大的懸臂結(jié)構(gòu)，需要設(shè)置大量的臨時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。因此，分段吊裝合攏方式總的作業(yè)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(dú)建造。二者建造完成之后，將上部模塊漂浮運(yùn)輸至巨型起重機(jī)下方。利用巨型起重機(jī)，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(yè)。

巨型總段吊裝合攏方式中，所需要的關(guān)鍵設(shè)備為巨型起重機(jī)，其起升能力至少10000t。目前，國內(nèi)僅煙臺(tái)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(shè)施的三倍，工時(shí)可降低一半。因此，煙臺(tái)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(shù)降低了高空作業(yè)量并允許主體與甲板箱體的同時(shí)建造。此合攏方法使傳統(tǒng)的海工項(xiàng)目建造周期縮短近6個(gè)月，也是當(dāng)今世界上最經(jīng)濟(jì)、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(tái)的建造時(shí)間節(jié)省約200萬工時(shí)，縮短船舶建造周期20%以上，提高了建造質(zhì)量、生產(chǎn)效率和施工的安全性[3]。

但這種巨型總段合攏受到船廠設(shè)備能力限制，其他船廠在不具備大型起吊設(shè)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(shí)現(xiàn)半潛式平臺(tái)的整體合攏，如圖3所示。目前提升、滑移技術(shù)已經(jīng)相對(duì)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(qiáng)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(jìn)行，對(duì)于資源、場(chǎng)地、設(shè)備等規(guī)劃要求較高。由于提升塔架提升能力的約束，對(duì)于上部船體的質(zhì)量有不同程度的要求，提升質(zhì)量一般在10000t以下。因此，對(duì)于上部船體的舾裝及設(shè)備安裝要進(jìn)行嚴(yán)格控制，整體船塢周期在6個(gè)月以上。總裝合攏時(shí)，尤其需要注意提升塔架的提升能力及多個(gè)液壓提升裝置的同步作業(yè)能力，還要特別關(guān)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(shí)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)在于既可以保證上部組塊和下部船體獨(dú)立建造，使得建造施工作業(yè)可以全面開展，節(jié)約建造工期，同時(shí)，其對(duì)上部組塊的強(qiáng)度要求較低，對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)和基本設(shè)計(jì)的影響相對(duì)較小，并能夠節(jié)約用于臨時(shí)支撐的鋼材使用量。因此，頂升、滑移合攏方法后期的應(yīng)用前景更為廣闊。下文將詳細(xì)介紹一種深水半潛式起重鋪管船的船塢內(nèi)頂升加滑移方式的合攏方案。

依據(jù)上述4種半潛式平臺(tái)在船塢內(nèi)總裝合攏技術(shù)方法的描述，分別從建造周期、船塢周期、建造總成本、協(xié)調(diào)難度、施工風(fēng)險(xiǎn)角度評(píng)價(jià)，得出合攏方案對(duì)比分析表，如表1所示。

表1 合攏方案對(duì)比Table 1 Comparison among integration methods

根據(jù)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(xié)調(diào)難度較低、施工風(fēng)險(xiǎn)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(shù)現(xiàn)狀

頂升、滑移合攏技術(shù)是較為新穎的一種半潛式平臺(tái)合攏方法。國外在20世紀(jì)70年代便實(shí)施過大型結(jié)構(gòu)物的大位移頂升。現(xiàn)今世界上頂升技術(shù)較為成熟的主要是荷蘭的Mammoet公司和英國的ALE公司。國內(nèi)大型海洋結(jié)構(gòu)物頂升的案例較少，且主要技術(shù)被國外公司掌握。

目前掌握滑移技術(shù)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(shí)力較強(qiáng)；國內(nèi)具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的公司主要是上海同濟(jì)寶冶公司和江蘇華能建設(shè)集團(tuán)。

3.2 頂升、滑移設(shè)備簡(jiǎn)介

本合攏方案以擬采用某頂升滑移設(shè)備為例，進(jìn)行相應(yīng)施工流程分析。

頂升設(shè)備：每套頂升系統(tǒng)的頂升能力為5200t，多臺(tái)頂升設(shè)備可以通過電腦進(jìn)行同步控制，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的同步頂升和下降。頂升設(shè)備如圖5(a)所示。

滑移設(shè)備：?jiǎn)闻_(tái)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(nèi)是可以調(diào)節(jié)的，多臺(tái)滑移裝置可以通過電腦進(jìn)行同步控制，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的同步頂升和下降[7]。滑移設(shè)備如圖5(b)所示。

對(duì)于深水半潛式起重鋪管船，頂升方案中布置16套頂升設(shè)備，總頂升能力達(dá)83200t；滑移方案采用70個(gè)1000t液壓滑靴和70個(gè)83t動(dòng)力單元。

(a) 頂升設(shè)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(duì)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(jī)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(shè)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(jīng)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(yōu)先采用頂升、滑移的合攏方案。

3.3.2總段劃分

根據(jù)計(jì)劃建造的半潛式起重鋪管船的主尺度、布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、上部組塊與船體的重量，結(jié)合青島公司的場(chǎng)地特點(diǎn)和船型特點(diǎn)，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(nèi)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(gè)船體巨型總段的合攏。其中兩個(gè)船體總段的合攏方式完全相同。子分段在分段預(yù)制車間制作，通過平板車運(yùn)輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)預(yù)制場(chǎng)地，進(jìn)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(dòng)至就位地點(diǎn)進(jìn)行大型分段合攏作業(yè)。

3.3.3頂升、滑移合攏方案綜述

三個(gè)巨型總段建造完成之后，通過頂升設(shè)備，將上部組塊頂起至略高于最大型深高度。通過滑移設(shè)備，將兩個(gè)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(zhuǎn)移，然后焊接上部組塊底板與立柱，完成三個(gè)總段的合攏。然后，將重量由滑靴轉(zhuǎn)移至合攏墩，之后撤出所有頂升與滑移設(shè)備。將船體的水平支柱通過臨時(shí)滑移裝置運(yùn)至平臺(tái)下方。在上部組塊底部設(shè)置電動(dòng)絞車作為臨時(shí)吊機(jī)，吊起水平支柱至其所在位置，通過焊接將兩側(cè)船體模塊通過支柱連接到一起，完成平臺(tái)的主體合攏作業(yè)。

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(nèi)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(shí)布置頂升塔架基座。

(3) 在頂升塔架基座上安裝頂升設(shè)備。

(4) 布置頂升過程中的纜風(fēng)繩。

(5) 進(jìn)行頂升設(shè)備測(cè)試，對(duì)上部組塊進(jìn)行測(cè)重，之后進(jìn)行頂升作業(yè)。

(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(shè)特氟龍板。

(8) 安裝滑移設(shè)備，包括1000t滑靴、83t推拉動(dòng)力單元和滑移箱型梁。

(9) 第一次重量轉(zhuǎn)移，通過升降式滑靴將船體從支墩上轉(zhuǎn)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(jìn)行滑移設(shè)備測(cè)試，開始滑移作業(yè)。

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

(13) 第二次重量轉(zhuǎn)移，通過升降式滑靴將船體從滑靴上轉(zhuǎn)移到支墩上。

(14) 船體坐墩后拆除滑移設(shè)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(jìn)行合攏作業(yè)，合攏完畢后拆除頂升設(shè)備，將頂升設(shè)備打包吊出場(chǎng)地。

(17) 塢內(nèi)頂升滑移合攏作業(yè)結(jié)束。

3.4 頂升、滑移合攏方案施工風(fēng)險(xiǎn)分析

頂升滑移合攏技術(shù)只需要將上部組塊轉(zhuǎn)移到運(yùn)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(fēng)帶來的影響，頂升高度越高，上部組塊和頂升塔架的穩(wěn)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(shè)備廠家進(jìn)行精密計(jì)算，驗(yàn)證塔架側(cè)向風(fēng)的影響，提出切實(shí)可行的塔架安全設(shè)計(jì)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(jié) 語

本文基于4種常見的半潛式浮式平臺(tái)的船塢合攏方案，進(jìn)行對(duì)比分析研究，并就半潛式起重鋪管船的塢內(nèi)頂升滑移合攏方案的設(shè)備需求，施工流程和施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了闡述。

分段吊裝合攏工期長，利用吊機(jī)資源多，占用船塢時(shí)間長，建造總成本高，但協(xié)調(diào)難度低，施工風(fēng)險(xiǎn)小，適合不具備萬噸級(jí)大型起重設(shè)備的小型船廠；巨型總段合攏工期短，但必須具備上萬噸級(jí)的吊機(jī)設(shè)備，占用船塢時(shí)間短，建造總成本較高，適用于具備萬噸級(jí)大型起重設(shè)備、規(guī)模化生產(chǎn)的船廠；提升、滑移合攏工期較短，占用船塢時(shí)間較短，建造總成本較高，優(yōu)點(diǎn)是協(xié)調(diào)難度低，施工風(fēng)險(xiǎn)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(shí)間較短，建造總成本低，協(xié)調(diào)難度低，施工風(fēng)險(xiǎn)小，是一種比較新式的半潛式平臺(tái)塢內(nèi)總裝合攏方法。其對(duì)上部組塊的強(qiáng)度要求較低，節(jié)約工裝鋼材，適用范圍廣，后期的應(yīng)用前景廣闊。

對(duì)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(fēng)險(xiǎn)承受度、船塢周期、施工成本等因素密切相關(guān)。在半潛式起重鋪管船具體建造時(shí)，合攏方案需結(jié)合青島公司船塢主尺度、船塢地基承載力、塢內(nèi)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(jìn)行詳盡的分析。總之，具體實(shí)施時(shí)很多因素均需要提前考慮，并出具嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)施方案和解決方案。

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