張力腿平臺筋腱安裝與臨時浮筒設計

袁玉杰， 胡春紅， 阮勝福， 史 睿

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

張力腿平臺(tension leg platform， TLP)采用垂直方式系泊，利用筋腱將平臺固定于海底[1]。目前已建成的張力腿平臺中，最大工作水深為1 585 m。由于其優(yōu)良的運動性能，在海洋油氣開發(fā)中得到了廣泛應用。典型的張力腿平臺一般包括上部組塊、船體、頂張力立管系統(tǒng)、張力筋腱系泊系統(tǒng)、錨固基礎等五部分。張力腿平臺通過船體深吃水的形式將產生遠大于上部組塊和船體重量的浮力，剩余浮力與筋腱的預張力平衡，使得張力筋腱始終處于張緊狀態(tài)。這種受力狀態(tài)使得平臺的橫搖、縱搖和垂蕩近于剛性，而平面內運動橫蕩、縱蕩和首搖則顯示出柔性，使得張力腿平臺在各個自由度上的運動固有周期都遠離常見的海洋能量集中頻帶[1]。

張力腿平臺根據其結構形式，通常布置6～16根張力筋腱。上部與船體連接，下部與樁基礎連接。構成張力腿平臺系泊系統(tǒng)的張力筋腱由厚壁鋼管組成，貫穿整個水體，在平臺服役期間承擔著巨大的張力，將平臺牢牢地固定在設計位置上。

中國南海某張力腿平臺采用傳統(tǒng)的張力腿平臺形式，立柱直徑為19. 5 m，中心距為61 m，平臺吃水為31 m，在操作工況下的排水量為50 132 t。每根立柱設置2根共8根張力筋鍵。張力筋鍵鋼管直徑為40 in(1 in=25.4 mm)，底部分段和頂部分段壁厚為1.6 in，主體分段壁厚為1.5 in，張力筋腱預張力為2 103 t。每根張力筋鍵各包含1個頂部段和底部段、若干主體段，其中頂部段用來將張力筋鍵固定到船體的Porch位置，主體段貫穿平臺水深，底部段將張力筋鍵連接至下部樁基礎接收裝置。

該張力腿平臺筋鍵系統(tǒng)包含1個頂部段(包括張力監(jiān)測系統(tǒng))、4個主體段和1個底部段，如圖1所示。每一段的詳細描述如下：

(1) 頂部段：位于張力筋腱頂部，上部與船體Porch相連，下部與主體段相連，包括頂部連接器、筋腱鋼管、耦合連接器、臨時浮筒抱夾機構、張力監(jiān)測系統(tǒng)、手鐲式陽極等。

(2) 主體段：是張力筋腱的主要組成部分，從上至下包括耦合連接器、張力筋鍵鋼管、耦合連接器和手鐲式陽極等。

(3) 底部段：位于張力筋腱底部，上部與主體段相連，下部與樁基礎相連，包含耦合連接器、筋鍵鋼管、底部延伸段、轉動鎖緊機構等，張力筋腱接收裝置位于樁基礎的頂部。

圖1 張力腿平臺筋腱分段及硬件組成[2]Fig.1 TLP tendon segment and component

1 張力筋腱安裝方法

張力筋腱由厚壁鋼管組成，內部不充水，其重量略大于浮力，一是可以盡可能減小上部平臺載荷，二是方便海上安裝，降低對浮吊的能力要求。

張力筋腱在陸地分段建造，每段兩端分別焊接耦合連接器，建造工作完成后，筋腱整體裝船，運輸至施工場地進行海上安裝。該平臺張力筋腱的安裝就采用該方法進行海上安裝，其中頂部段長度為52.4 m，主體段長度為70.6 m，底部段長度為48.7 m。在張力筋腱安裝前，應對浮吊進行適應性改造，在船側設置筋腱組對塔及臨時浮筒安裝塔，張力筋腱海上安裝步驟如圖2所示。

步驟1：起吊扶正張力筋腱底部段

步驟2：將底部段移動至組對塔

步驟3：將底部段固定至組對塔

步驟4：起吊下一分段，使用專有工具進行機械連接，順序完成其他分段連接

步驟5：筋腱束移至臨時浮筒安裝塔

步驟6：筋腱束與臨時浮筒連接

步驟7：張力筋腱束下放

步驟8：與底部樁基礎連接，完成安裝

2 臨時浮筒設計要求

張力筋鍵在平臺安裝前一直保持自由站立狀態(tài)，由于張力筋腱重量略大于浮力，安裝完成后需要借助筋腱臨時浮筒提供向上的張力，從而保持筋腱強度和屈曲滿足要求。

臨時浮筒通常為圓柱形結構，一側設有馬蹄形槽口，槽口的寬度需要與筋腱直徑匹配，槽口深度需保證筋腱與臨時浮筒連接后，臨時浮筒的浮心與張力筋腱重心接近，盡可能地避免在筋腱上產生額外的彎矩。臨時浮筒直徑和高度需要根據張力筋腱安裝強度和干涉分析得到，在波浪和海流的影響下，需為筋腱自由站立提供足夠的浮力，保證筋腱強度滿足要求，同時避免鄰近張力筋腱或臨時浮筒發(fā)生碰撞。典型的臨時浮筒形式如圖3所示。

圖3 張力筋腱臨時浮筒外形圖

張力筋腱臨時浮筒通常劃分為若干艙室，艙室之間采用水密隔板分隔，防止相連艙室連通。當某個艙室進水導致浮力喪失時，臨時浮筒仍能提供足夠的浮力，在降低的環(huán)境條件下保證筋鍵有足夠的張力而不發(fā)生干涉。同時配備充水和排氣系統(tǒng)，實現(xiàn)臨時浮筒的壓排載控制。

為滿足功能和操作要求，張力筋腱臨時浮筒主要設計了如下幾個系統(tǒng)。

2.1 卡子系統(tǒng)

臨時浮筒卡子系統(tǒng)由張力筋腱夾具、張力筋腱上的凸起結構、臨時浮筒頂部的對中系統(tǒng)組成。在張力筋腱的安裝過程中，將已經連接完成的張力筋腱束移動至臨時浮筒安裝塔，利用卡子系統(tǒng)將臨時浮筒固定到筋腱上，對臨時浮筒進行充水下放并與樁基礎相連，連接完成后，給臨時浮筒艙室充氣，排出壓載水，為筋腱提供向上的浮力。

臨時浮筒底部的卡子主要用來傳遞張力、彎矩和剪切力，臨時浮筒頂部的對中系統(tǒng)保持浮筒整體浮心與張力筋腱共線，給張力筋腱留有一定空間，可以抵抗波浪和海流導致的水平作用力。

臨時浮筒安裝完成后通常位于水面以下40～70 m，在張力腿平臺回接完成后，需要拆除臨時浮筒。因此，卡子系統(tǒng)應設計成易于拆卸的形式，通常采用液壓控制系統(tǒng)，首先對浮筒進行充水，使重力稍大于浮力，然后在ROV的配合下，實現(xiàn)卡子系統(tǒng)的快速解脫，利用浮吊將浮筒吊裝至駁船上。

2.2 充放氣系統(tǒng)

臨時浮筒可以設計成密閉結構，此時浮筒會承受較大的靜水壓力，需要增加內部支撐用來抵抗靜水壓潰，會導致用鋼量增加，經濟性不好。此外，臨時浮筒也可以設計成底部開口的結構，通過計算張力筋腱和浮筒自由站立期間最大的轉角，確定浮筒內部艙室的壓力變化，設計排水孔、充氣孔的垂直位置，該形式浮筒的優(yōu)點是可以保證浮筒內外壓力平衡，最大限度地降低結構用鋼量。

通常臨時浮筒的每個艙室均會設置多個排水充氣孔，其中2個可以作為充氣孔，一用一備，位于浮筒外側。排水孔和充氣孔結構上沒有差別，但充氣孔會設計專門的供ROV操作的裝置，來實現(xiàn)艙室的充氣，當艙室被氣體充滿時，臨近氣孔或對面氣孔有氣泡冒出，證明內部海水已經全部排出。

排氣閥門控制機構一般統(tǒng)一放置在臨時浮筒頂部，當控制閥門打開時，浮筒外部海水通過排水孔進入艙室，反之，關閉控制閥門，通過充氣孔向艙室注入空氣，則可將內部海水通過排水孔排出。控制閥門需配備ROV長手柄，方便進行水下開關，閥門的開關狀態(tài)應容易快速識別。

2.3 吊裝固定系統(tǒng)

為滿足臨時浮筒的功能要求，需設計多套吊裝吊點和綁扎吊點，用于水面和水下操作、張力筋腱綁扎和運輸時的固定。

臨時浮筒頂部共設置有5個吊點，用于陸上吊裝、裝船、倒駁、水下到水上的拆除。其中4個點成90°分布，用于水面上四點吊裝。另一個吊點位于張力筋腱槽口的反方向，位于浮筒的強支撐框架，適用于臨時浮筒拆除時，將浮筒由水下吊裝至浮吊。

在臨時浮筒中部和底部同時配備綁扎固定索具系統(tǒng)，在拖航運輸過程中，用于固定臨時浮筒，同時也可以作為張力筋腱自由站立期間臨時浮筒的綁扎點。

2.4 梯子欄桿系統(tǒng)

在臨時浮筒安裝和操作環(huán)節(jié)，需經常對浮筒頂部對中機構、閥門組和索具進行操作，對吊點進行檢驗，為方便人員上下浮筒，使操作更為安全，需要在臨時浮筒上設置人員通道和梯子欄桿防護系統(tǒng)，在浮筒外側通常布置橡膠護舷對浮筒進行保護。

2.5 支撐框架

由于浮筒最下側艙室的排水充氣管線位于浮筒正下方，同時為方便臨時浮筒的裝船和運輸，在臨時浮筒下部通常設計支撐框架，用于承受浮筒重量以及拖航過程中產生的運動荷載，同時不影響臨時浮筒和張力筋腱的連接。

3 張力筋腱站立期間的綁扎設計

該張力腿平臺每個立柱設有2根張力筋腱，相鄰筋腱的距離為8.95 m，為減少筋腱碰撞風險，浮筒綁扎一般采用一高一低的布置方案。但此時浮筒和筋腱的距離也僅有5 m。由于運動相位不統(tǒng)一，需進行張力筋腱干涉分析，確定張力筋腱是否需要進行綁扎固定。

張力筋腱的綁扎就是通過索具，將同一側的兩根張力筋腱拉近，使得同一立柱上的兩根筋腱距離變大，避免發(fā)生相互碰撞，如圖4所示。該平臺張力筋腱的綁扎方案是將綁扎索具布置在浮筒下端，利用綁扎索具將兩根張力筋腱在索具點處的距離拉近了15 m，即每根張力筋腱偏離原位置7.5 m。當張力腿平臺到達安裝地點，準備與張力筋腱回接時，需要首先解除筋腱之間的綁扎固定，再進行張力筋腱平臺與船體的回接。

圖4 張力筋腱自由站立期間浮筒綁扎狀態(tài)

Fig.4 TLP tendon tie-back arrangement plan

4 臨時浮筒設計實例

該張力腿平臺上每個立柱設有2根張力筋腱，相鄰筋腱臨時浮筒的垂向位置分別布置在距離筋腱頂端28.1 m和43.1 m處。臨時浮筒按照如下流程開展設計：

(1) 張力筋腱碰撞分析，確定臨時浮筒的完整浮力和破艙浮力要求，確定張力筋腱綁扎方案。

(2) 張力筋腱的總體布置方案，確定張力筋腱外形尺寸，艙室布置方案。

(3) 張力筋腱結構設計，包括在位強度分析、靜水壓分析、吊裝運輸分析、吊點設計。

(4) 張力筋腱系統(tǒng)設計，包括充水排氣系統(tǒng)設計、卡子固定系統(tǒng)設計。

張力筋腱安裝期間設計環(huán)境工況如表1所示。

表1 張力筋腱安裝設計環(huán)境工況

通過計算分析，最終確定臨時浮筒的直徑為8.1 m，高度為12 m，浮筒采用6個艙室的設計方案，臨時浮筒設計參數(shù)如表2所示，臨時浮筒俯視圖和主視圖如圖5所示。

表2 臨時浮筒設計參數(shù)

圖5 張力筋腱臨時浮筒總體示意圖Fig.5 TLP tendon temporary buoy general arrangment

根據確定的臨時浮筒設計參數(shù)及相應的環(huán)境條件，計算張力筋腱在完整狀態(tài)和破艙狀態(tài)下的底部轉角，計算結果如表3所示。

表3 張力筋腱安裝狀態(tài)底部轉角

(續(xù)表)

在張力筋腱綁扎狀態(tài)下，同時還要對相連筋腱的間隙進行檢查，結果顯示筋腱之間不會發(fā)生碰撞，浮筒設計滿足要求，計算結果如表4所示。

表4 張力筋腱綁扎狀態(tài)下相互間隙

5 結 語

本文以中國南海某張力腿平臺設計為基礎，介紹了張力腿平臺筋腱安裝方法，以及張力筋腱臨時浮筒系統(tǒng)組成、設計要求和臨時浮筒設計方案。臨時浮筒對張力筋腱自由站立期間的安全性至關重要，需要特別關注以下兩個方面：

(1) 要求浮筒拆卸快捷，海上安裝窗口時間短，盡可能地采用液壓系統(tǒng)設計方案，在保證連接可靠的前提下，實現(xiàn)浮筒的快速連接解脫。

(2) 浮筒屬于臨時結構，應盡可能減少鋼材用量，設計成內外壓平衡的浮筒，優(yōu)化浮筒外板厚度和加強筋規(guī)格。

張力筋腱臨時浮筒設計是一項復雜的工程，涉及結構、水動力、機械等跨專業(yè)內容，今后還需在張力筋腱臨時浮筒設計方面開展更多的研究工作，為我國的張力腿平臺設計技術打下基礎。