“深海一號”半潛式生產儲油平臺大敞口船體滑移橫向裝船技術

2022-07-19 06:38:18蔡元浪楊亮楊小龍梁瑜

船海工程 2022年3期

蔡元浪,楊亮,楊小龍,梁瑜

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

“深海一號”能源站上部模塊采用桁架式結構，下部船體采用板殼式結構，二者采用上部模塊整體吊裝的方式進行合攏。其中船體為4立柱加環形浮箱的形式，空船重量達3萬 t以上，在陸地滑道上進行建造并采用滑移裝船至半潛駁船的方式下水。“深海一號”能源站上部模塊為超大跨距的桁架式結構，船體在滑移裝船時在立柱頂部為超大敞口結構，隨著建造臨時支撐的拆除，船體只依靠幾組位于立柱下方的滑靴鋼制抬梁結構進行支撐，受力的變化使船體發生變形并導致局部結構承受更大的載荷。船體主尺度為91.5 m×91.5 m×59 m，用于下水的駁船采用10萬 t級半潛駁船“新光華“號，其船寬只有68 m，而船體的重量主要集中在4個21 m×21 m×59 m的立柱上，2個立柱中心線71.5 m，導致立柱的重心懸在駁船外側，也給裝船方案的設計帶來了巨大的挑戰。為此，基于“深海一號”能源站船體建造方案及其重量大、大敞口的特點，對該平臺船體總裝方案選擇、不同裝船方案、駁船的及臨時支撐結構選擇等關鍵因素進行分析論證，探討平臺船體裝船的注意事項，為平臺裝船下水方案的實施提供技術保障。

1 半潛式生產平臺船體方案概述

該半潛式生產平臺總體結構形式見圖1。

圖1 船體總體結構形式及尺寸(單位：m)

其上部組塊采用桁架式結構，船體采用板殼式結構提供浮力。船體為4立柱、4浮箱的結構形式。船體長、寬均為91.5 m；立柱采用方形截面，水平截面長、寬均為21 m，高度為59 m；浮箱同樣采用方形截面，橫截面寬21 m，高9 m；立柱與浮箱連接位置稱為節點結構。設計作業海域為中國南海1 500 m水深海域氣田，作業吃水37 m，總排水量10.5萬 t，最大凝析油儲存能力2萬 t。設計海況為氣田所在海域百年一遇臺風，并可以在千年一遇臺風海況下自存。

2 半潛式生產平臺船體總裝方案比選

2.1 船塢總裝

船塢同期可進行1或2座船體在船塢進行總裝工作，特點和限制條件如下。

1)船塢無法長期被某個項目占用。不同項目的工期要求，導致單座船體不能長期占據船塢資源，往往需要二次進出塢及坐底作業，而生產半潛平臺的下浮體采用陽極保護系統，船底布滿了陽極鋅塊，給二次坐底造成了潛在的風險。

2)吊裝搭載資源的使用。船塢龍門吊資源是制約項目進度的關鍵因素之一，多座平臺在塢內會進一步降低單個項目的龍門吊可使用效率，而在船體總裝搭載階段對吊裝作業有長時間集中使用的需求。

3)船塢承載力。船塢設計原則是承受面壓，局部承受集中載荷的能力較弱。“深海一號”半潛船體重量3萬 t以上，且大部分重量都集中在4個立柱，導致立柱下方塢墩承重非常大，在總裝搭載中后期時難以滿足承載力的要求，需要在塢內注入海水提供一定的浮力來減少塢墩承載力。導致后續的總裝及設施集成工作效率降低。

2.2 滑道總裝

陸地滑道常用于柱穩式平臺總裝搭載工作。滑道區域可以承受較大的集中載荷，可以保證在滑道區域的承載力滿足大噸位船體重量集中的要求；同時滑道外側空間充足，可以動用履帶吊資源在4個立柱同時開展集成工作；船體布置在臨海側，可以動用浮吊進行大分段合攏來提升效率。

基于以上對比，綜合工期、資源使用等多個因素，最終選擇采用滑道進行總裝搭載。

3 船體滑移裝船下水方案比選

3.1 裝船下水方案的選擇

為滿足“深海一號”船體陸地建造、滑道分段合攏、裝船下水方案，需要選擇合適的裝船方案，對業內常用的海洋工程裝船設施進行比選。

1)SPMT小車裝船。SPMT即自行式模塊運輸車，可自由拼接、運行靈活、同步性好，能自動對路面情況做出補償等。傳統海洋工程結構物，采用整體或者分段的形式可以通過SMPT支撐運輸抬梁滾裝到下水駁船進行裝船。但SPMT裝載能力有限，在駁船與碼頭之間只能采取登船跳板的形式，對于高度方向精度控制較差，無法滿足本項目3萬 t以上船體重量的裝船要求。

2)傳統滑靴。傳統大型海洋工程結構物，尤其是桁架式結構物的裝船通常采用鋼制滑靴、絞車牽引的方式裝船，國內完成過大型桁架式結構物的裝船工作，但其精度較低，不同組滑靴之間的垂向位移同步性也很差。傳統滑靴的垂向精度通常只能控制在±25 mm，一旦某一個立柱下的滑靴達到最大精度偏差將導致另外3個立柱下的載荷急劇增加，對于板殼式結構的船體來說，局部承受很大的集中載荷，將需要對船體進行大范圍的永久性加強結構，導致船體在位重量大幅增加，影響船體的重控及平臺的穩性與運動性能。

3)液壓滑靴。液壓滑靴(見圖2)具有更好的精度控制能力，可達到±10 mm，其同步性也更好，在海洋工程浮式平臺裝船中經常被使用，但對于3萬 t以上的上部大敞口船體還沒有工程業績。目前單個液壓滑靴的能力在650～800 t之間，通過制定詳細的設計方案，結合工程計算分析，可以控制風險，滿足本項目的裝船要求。

圖2 典型液壓滑靴構成示意

綜上所述，液壓滑靴是最適合本項目特點的裝船措施。

3.2 下水駁船的選擇

1)普通下水駁船。對于普通下水駁船，目前是船廠在陸地建造浮體，通過駁船下水的主要方式。通常下水駁船為方形駁船，在四角設置浮箱，來滿足下潛入水要求。目前國內船廠常用的下水駁船尺寸無法滿足本項目的要求，需要進行改造，增加寬度尺寸至110 m以上。而此類駁船吃水較淺，下水時穩性較差，需要在碼頭進行坐底作業，才能滿足船體滑移裝船的穩性要求。駁船坐底作業需要對碼頭前沿進行沙土填埋，完成裝船后再進行清理，給項目工期及投資帶來很大的挑戰。

2)大型半潛駁船。目前大型半潛駁船如中遠海特的“新光華”號(見圖3)和DOCKWISE的VANGUARD等可以達到10萬 t的載重能力，可以完成大型海洋結構物的裝船下水及運輸工作。半潛駁船通常配有空氣壓載系統，可以實現快速調載作業，保證裝船速度和下水穩性。

圖3 “新光華”號半潛式駁船運輸大型海工結構物

根據項目方案，船體還要運至煙臺進行后續的集成合攏工作，半潛駁船裝船過后可以直接干拖運輸至煙臺海域，完成浮卸后進行后續的施工作業。

3.3 裝船方向的選擇

通常運輸船舶中部結構設計較強，以抵抗“船體梁”在波浪條件下在船體中部產生的彎矩和剪力，而首尾區域結構則相對較弱。

結構物半潛駁船裝船可以采取尾部縱向裝船和舷側橫向裝船兩種方式，如采用縱向裝船，半潛船體上駁船后，半潛船體重量直接作用在駁船船尾，會短時間內形成很大的載荷，駁船首部需要進行壓載保持平衡，導致駁船承受非常大的縱向彎曲載荷，并在船尾產生大的剪切應力，而“新光華”號船體尾部結構設計則無法承受這樣大的載荷。

綜上，采用“新光華”號進行橫向裝船作業。

4 船體滑移裝船方案設計

4.1 設計要點

“深海一號”船體裝船是國內首次實施超大型板殼式結構物滑移裝船，也是世界最大噸位橫向滑移裝船。船體上部為大開口開敞式結構，撤除建造臨時支撐后，船體只依靠幾組抬梁結構支撐，受力的變化會使船體發生變形并導致局部結構承受更大的載荷，同時建造場地港池的潮差大、水深受限，給船舶調載及水平控制帶來挑戰。

4.2 液壓滑靴系統的布置

陸地建造采用6條水泥滑道，12組鋼制抬梁，鋼制抬梁位于滑道上，船體在抬梁上進行建造(見圖4)，為了防止千斤頂對船底板產生較大的集中載荷，抬梁與船底板之間采用高抗壓強度墊木用于分散作用在底板的載荷，同時船底其他位置采用臨時建造支撐，保證船體建造“0變形”。

圖4 液壓滑靴及支撐結構布置示意

每個立柱下方設置12個800 t和6個650 t液壓滑靴，分成3組進行控制，滑移裝船前完成液壓滑靴系統設備的安裝工作。

4.3 半潛駁船的布置

半潛駁船“新光華”號船寬只有68 m，而船體2個立柱中心線為71.5 m，導致立柱的重心懸在駁船外側；同時橫向裝船方式下駁船的穩性很差，駁船船體運動控制難，這些都給裝船方案帶來了很大的不確定性。

“新光華”上同樣需要布置12條鋼制滑道，與陸地上滑道相對應，用于滑移裝船及后續干拖運輸的支撐，見圖5。

圖5 駁船鋼制滑道布置

隨著液壓滑靴的頂升滑移，當載荷轉移至半潛駁上后，如果采用橡膠靠船件與半潛駁船舷側靠攏，可能造成半潛駁橫傾的突然變化，導致部分液壓滑靴的載荷突然增加，給船體和滑靴造成損傷。為了避免產生這種現象，在船體首尾與碼頭前沿各設置一套鋼制靠船件，同組靠船件之間剛性接觸，可避免半潛駁船橫傾延遲現象的產生。

同時為了保證滑移的連續性，陸地滑道與駁船滑道之前需要安裝一定長度的跨接梁，跨接梁分別與兩側滑道上的鉸接點相連接，陸地上鉸接點為固定端，駁船上的鉸接點允許一定的水平滑動，可以向駁船一側滑動，可避免因為駁船橫傾產生的位移。

4.4 船體及支撐結構的強度評估

裝船前，撤除建造臨時支撐后，船體的重量靠各組抬梁進行支撐，立柱重心外懸(見圖6)，由重心產生的額外彎矩會給船體與抬梁位置的結構造成非常大的載荷。

圖6 船體與半潛駁船橫向位置示意

為此，在設計過程中利用節點分艙的水密艙壁位置進行抬梁支撐，并對局部結構進行加強，包括對底板增加板厚至50 mm、對高應力區結構骨材穿越孔進行封堵等措施，保證船體結構既滿足裝船的強度要求，又不至于增加大量的加強和永久結構重量，對在位性能產生影響。對半潛駁船增加臨時加強結構加大船寬(見圖7)、增加抬梁長度來滿足立柱重心在駁船內部的方案進行評估，結果顯示對船體變形及結構應力結果影響不大，由于對駁船的改造也需要大量的費用和工期，因此最終采用不增加船寬的方案。