動力定位浮托組塊裝船方案設計

劉波,毛程亮,梁瑜,劉旭平,張法富

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

從1982年Statfjord B 深水混凝土重力式平臺平臺第一個在近海采用“浮托法”進行安裝[1]到現在為止，浮托安裝已經走過了40年的發展歷程。國內常規浮托安裝項目涉及高位浮托、低位浮托、動力定位浮托和雙船浮托等多種作業方式[2]。自2005年以來，海洋石油工程股份有限公司已經累計完成24個國內浮托安裝項目，浮托安裝組塊重量從6 000 t提高到3.1萬t，作業海域也從渤海拓展至南海開闊水域[3]，具備了全系列、全海域、全天候浮托安裝技術[4]。南海氣候環境較為惡劣，若采用動力定位船進行浮托作業，可以減少錨系布置費用，節約施工時間，增加施工天氣窗口[5]。故考慮針對動力定位船浮托組塊裝船方式，分析縱向裝船及橫向裝船等方案優缺點及可行性，為后續同類項目提供設計參考及數據支持。

1 設計思路

浮托法裝船分析主要考慮滑移裝船方法，運輸船浮靠碼頭，隨著組塊向船上移動必須對壓載艙進行排載，同時由于潮位升高又需要對壓載艙進行壓載，兩種反向操作均為了實現船上滑道與碼頭滑道保持平齊[6-7]。

常規組塊裝船方案評估流程見圖1，分為縱向裝船與橫向裝船，在保證船舶穩性前提下均需校核其總縱強度以及對應場地裝船許用潮位，同時橫向裝船由于組塊沿船體橫向拖行，裝船過程中壓載變化較大，是否可行還取決于船舶壓載系統調載能力[8]，需單獨進行校核。

圖1 組塊裝船可行性評估流程

2 方案設計

2.1 組塊縱向裝船方案

以珠海碼頭作為裝船作業場地，碼頭縱向裝船各項參數見表1。

表1 碼頭縱向裝船各項參數 m

組塊縱向裝船，船上滑道沿船長縱向布置，見圖2，滑道標高需與碼頭滑道標高保持一致，通過動力牽引系統牽引組塊從碼頭滑移至安裝船舶指定位置。

圖2 縱向裝船立面示意

2.2 組塊橫向裝船方案

橫向裝船組塊放置方向與縱向裝船方向相垂直，船上滑道改設計為沿船寬方向布置。為了避免裝船過程中組塊重心跨越船舶中心線，造成大量壓載艙壓載變化影響船舶浮態與穩性，同時也為了降低裝船作業風險，設計中考慮始終將組塊偏心側(即重量較大一側)滑靴后上船，見圖3。

圖3 組塊橫向裝船示意(船艏視圖)

為匹配不同船舶型深，橫向裝船各項參數與縱向裝船相比(見表1)，船上滑道高度作相應調整，橫向裝船方案船上滑道高度為3.0 m。

3 裝船方案數值分析

3.1 縱向裝船原始方案(整體浮托縱向裝船)

組塊整體浮托重量為18 500 t，以組塊滑靴后排腿剛上船作為控制工況進行分析，計算許用潮位(許用最低潮位、許用最高潮位)及總縱強度見表2。

表2 整體浮托艉裝船許用低潮汐及總縱強度

碼頭潮汐分布與許用潮位對比見圖4。

船體總縱強度校核用下式。

UCBM=BMmax/BMmaxallow

(1)

UCSF=SFmax/SFmaxallow

(2)

式中:UCBM為彎矩許用安全系數；BMmax為總縱強度彎矩計算最大值；BMmaxallow為彎矩最大許用值；UCSF為剪力許用安全系數；SFmax為總縱強度剪力計算最大值；SFmaxallow為剪力最大許用值。總縱強度UC值均要求小于1。

許用潮位計算方法用下式。

Tidemin=Tmin+Hq+Hsk-Hvsl-Dvsl

(3)

Tidemax=Tmax+Hq+Hsk-Hvsl-Dvsl

(4)

式中:Tidemin為許用低潮位；Tmin為船舶最小吃水；Tidemax為許用高潮位，Tmax為船舶最大吃水；其他參數含義見表1。

根據表2及圖4中數據，該方案裝船屬于低潮位受限工況，增加吃水到10.0 m后裝船剪力UC值仍不滿足要求，裝船所需最低潮位3.45 m，珠海碼頭全月最高潮為2.87 m，即使碼頭漲潮至最高潮位，船舶的吃水僅為9.42 m，該吃水下總縱強度也無法滿足要求；同時，船底與海底泥面間隙也無法滿足最小1 m要求，初步判斷該方案下裝船氣候窗不存在，需對方案進行改進。

圖4 縱向裝船原始方案潮汐對比表

3.2 組塊假腿支撐方案縱向裝船(整體浮托)

考慮在組塊A、B軸兩腿外側增加假腿，盡量增加組塊重量沿船長方向分布范圍，見圖5。

圖5 組塊假腿支撐方案示意

增加假腿，組塊支撐結構(DSF)增加500 t，組塊重量增重約500 t，支反力分布變化見表3。

通過計算不同吃水下總縱強度，9.5 m吃水下校核總縱強度彎矩及剪力最大UC值分別為1.15及1.28，表3中滑靴重量分布也表明，增加兩排假腿后組塊重量增加1 000 t，新增腿釋放原腿重量有限，總縱強度校核結果未得到改善。

表3 組塊增加假腿后滑靴重量分布變化 GN

3.3 組塊減重縱向裝船方案(去除部分模塊)

去除部分組塊結構后(生活樓及鉆機模塊浮托后海上吊裝)，組塊浮托重量變為14 800 t，組塊重量變輕后，碼頭滑道高度可以降為2.5 m(兩塊滑道塊疊加)，重新評估組塊裝船許用最小潮汐高度及總縱強度，結果見表4，碼頭潮汐許用潮汐對比見圖6。

表4 減重浮托縱向裝船許用低潮位及總縱強度

圖6 組塊減重縱向裝船潮汐對比

根據表4及圖6中數據，增加吃水到10.0 m后裝船剪力UC值雖然已滿足要求，但裝船所需最低潮高要求至少2.2 m，根據全月碼頭潮汐統計曲線，裝船氣候窗仍然幾乎不存在(即當日潮汐統計數據中漲至2.2 m以上并維持至少10 h時間)，因此，組塊減重縱向裝船方案仍不可行，需考慮采用橫向裝船形式。

另一個影響因素是碼頭滑道高度，由于本項目碼頭承載力不足，導致需要墊高碼頭滑道，若能降低碼頭滑道高度至2.5 m，則最低潮位要求將降低到0.96 m，縱向裝船許用潮汐氣候窗將得到較大改善。

3.4 組塊減重橫向裝船方案

根據滑靴上船長度將橫向裝船劃分為0～7步，見圖7。各步滑靴在船上位置描述見表5。

圖7 組塊橫向裝船各步滑靴位置變化示意

表5 橫向裝船各步滑靴位置描述

根據組塊上船后滑靴重量分布，同時保證船上滑道和碼頭滑道在裝船過程中保持水平，分別計算各步所需的最小吃水，以此推出裝船所需潮汐范圍，結果見表6，與潮汐變化對比見圖8。

圖8 組塊減重橫向裝船潮汐對比

表6 各步驟最小吃水及許用潮位 m

組塊減重并改用橫向裝船后，許用潮汐范圍得到較大改善，根據珠海碼頭潮汐曲線，全月均可以滿足24 h裝船氣候窗。

圖10 組塊橫向裝船靜水剪力計算值

組塊滑靴橫向滑移過程中，計算各步船舶總縱強度是否滿足規范要求，彎矩及剪力結果見圖9、10。組塊橫向裝船過程中最大彎矩及剪力UC值分別為0.52及0.57，滿足規范要求。

圖9 組塊橫向裝船靜水彎矩計算值

3.5 組塊橫向裝船調載能力評估及優化

橫向裝船由于組塊重量左右舷分布變化大，對船舶調載能力要求較高，需單獨進行校核，取碼頭全月潮差范圍最大的一天作為潮汐數據基礎，見圖11。

圖11 碼頭單日潮汐變化

以最高潮位置點作為組塊拖拉完成點，動力牽引系統拖拉速度可調節范圍為最大15 m/h，根據各步組塊裝船拖拉速度反推出各步潮位高度及船舶吃水，數據見表7。

表7 橫向裝船各步操作基本參數

本安裝船共有4套空壓機系統，按照3用1備原則進行壓載系統能力評估。空壓機系統壓排載能力為253 t/min，船舶艙室上下共分為3層，為了保障船舶穩性，盡量使用中下層艙室進行調載，考慮開啟部分兩端艙室以利于控制總縱強度，設計中需盡量減少艙室頻繁開啟關閉，降低整體壓排載工作量。

通過計算組塊滑靴各段上船后船舶在有限時間內空壓機系統可以壓排載的壓載水總量，對比滑靴位置前后變化需要調整的壓載水總量，最終得到空壓機調載系統能力，表8中顯示空壓機系統最低調載能力系數為1.26。

理論上調載能力系數只要大于1即可滿足裝船壓載需求，但為了獲取更大的調載能力冗余度，可以通過調整滑靴上船后拖拉過程各步之間拖拉速度，延緩關鍵工況拖拉時間，增加某段滑靴重量拖拉上船過程中空壓機系統可完成的總壓載量。重新調整各段滑靴上船拖拉速度后空壓力調載能力評估結果見表8，通過放慢關鍵步驟拖拉速度可以增加船舶調載系統能力，保障裝船作業安全。

表8 組塊橫向裝船各步空壓機系統調載能力

表9 不同拖拉速度調載系統能評估對比

4 結論

動力定位浮托裝船設計中，若采用縱向裝船形式，需綜合考慮碼頭標高、滑道高度、潮汐及船舶信息匹配性等因素，通過校核裝船潮汐氣候窗及總縱強度等關鍵工況論證可行性。通過對比常規縱向裝船布置、增加假腿分散組塊重量分布、部分模塊后裝降低組塊重量等多種設計方案，分析各方案可行性，推薦使用橫向裝船方式進行組塊裝船作業，該方式通常滿足全月存在24 h裝船氣候窗，船體強度滿足規范要求，針對動力定位船組塊橫向裝船調載能力適應性問題，可以通過降低關鍵步驟動力牽引系統拖拉速度，達到增加船舶調載能力目的。

此外，對于組塊偏心可能引起的橫向裝船橫傾風險，可根據組塊重心位置進行優化，讓偏心一側(即重量較大一側)滑靴最后上船，確保整個橫向裝船過程中組塊重心始終處于靠近碼頭一側，避免壓載過程中發生傾覆風險。