尤學剛 陳邦敏 劉孔忠 劉新宇 吳堯增 曾 冬

(1. 中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南?？?570311； 2. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

陵水17-2氣田于2014年經(jīng)“海洋石油981”鉆探證實為千億立方米的大氣田，也是我國在南海發(fā)現(xiàn)的首個自營深水大氣田，該氣田所在區(qū)域水深約1 400 m，探井結(jié)果顯示其主要產(chǎn)品為天然氣和凝析油[1]。針對陵水17-2氣田的開發(fā)問題，相關(guān)研究團隊在2017年開展了詳細的前端工程設(shè)計(FEED)，最終推薦采用水下井口結(jié)合帶儲油功能的半潛式平臺的開發(fā)模式[1-3]。該氣田開發(fā)工程設(shè)施主要包括一座新建的帶有凝析油儲存功能的半潛式生產(chǎn)儲油平臺及其系泊系統(tǒng)，一套水下生產(chǎn)系統(tǒng)和海底管線等(圖1)。

圖1 陵水17-2氣田開發(fā)工程方案

陵水17-2氣田開發(fā)工程方案的核心須新建一座深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺，平臺設(shè)計使用年限為30年。由于南海環(huán)境條件惡劣，為滿足平臺30年不進塢的設(shè)計需求，采用深吃水型半潛式平臺以獲得更佳的平臺運動性能，整個平臺船體立柱高59 m，排水量10.5萬t。如此大型的平臺，其合龍方案的設(shè)計及施工都面臨重大困難，對合龍的設(shè)施如吊機吊裝高度、船塢深度等方面均提出了很高的要求。此外，由于該氣田伴有凝析油，為滿足深水流動安全保障及凝析油分離存儲等功能，平臺具有較多的工藝處理設(shè)備。組塊采用桁架式結(jié)構(gòu)以獲得更開闊的空間，同時緊急情況下也有利于天然氣的擴散，但桁架式組塊設(shè)計與板殼式船體對接合龍時，對對接精度要求更為嚴格，特別是對于陵水項目船體為敞口結(jié)構(gòu)的情況，其對接合龍設(shè)計面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

半潛式平臺的合龍方案涉及到設(shè)計方案、建造方案、合龍施工資源等。目前世界上常用的半潛式平臺合龍方案有組塊分塊吊裝合龍、整體吊裝合龍、浮托合龍、頂升合龍等4種。近幾年較典型的包括BP的MadDog2平臺，殼牌的APPOMATTOX平臺均采用了分塊吊裝合龍方式。本文基于陵水17-2氣田半潛式生產(chǎn)儲油平臺(以下簡稱陵水17-2半潛式平臺)的特點，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有的施工資源及項目進度要求，對該平臺吊裝合龍方案進行了比選，并對吊裝合龍方案實施關(guān)鍵問題進行了詳細論述，從而為該平臺的建造合龍?zhí)峁﹨⒖肌?/p>

1 平臺概況及合龍方案比選

1.1 平臺概況

陵水17-2平臺為世界首個萬噸級半潛式生產(chǎn)儲油平臺(圖2)，其組塊為目前世界上最大的桁架式半潛式平臺組塊，包含120人生活樓、透平發(fā)電機組、干/濕氣壓縮機組、三甘醇再生裝置(TEG)、乙二醇再生裝置(MRU)、余熱回收裝置以及凝析油、水處理、公用系統(tǒng)等。該平臺具體參數(shù)見表1。

圖2 陵水17-2半潛式平臺

表1 陵水17-2半潛式平臺參數(shù)

1.2 平臺合龍方案比選

為滿足陵水17-2半潛式平臺在南海海域的運動性能需求，同時實現(xiàn)半潛式平臺設(shè)計的各種功能，結(jié)合整體項目投產(chǎn)工期要求，對目前常用的吊裝合龍方案進行了比選研究。

1) 整體吊裝和分塊吊裝。

組塊整體吊裝主要優(yōu)點是合龍前組塊和船體的相對完整性較高，合龍后的連接和調(diào)試工作量較分塊合龍可大大減少；缺點是根據(jù)半潛式平臺的規(guī)模和特點不同，對合龍施工資源要求較高[4-6]。對于尺寸較大、重量較重的半潛式平臺，很難找到匹配的吊機滿足整體吊裝合龍的需求。陵水17-2平臺組塊吊裝總質(zhì)量約16 535 t，目前國內(nèi)來福士2萬t泰山吊具備吊裝能力，但吊點形式需要依據(jù)泰山吊的要求進行設(shè)計。

組塊分塊合龍集成是半潛式平臺建造中最為常用的施工方案。施工方案簡單，對施工資源要求相對較低，只需要通過吊機將組塊分塊吊裝到船體頂部完成連接即可。其缺點也相對明顯：由于組塊是分塊集成的，船體頂部需要設(shè)置有支撐框架以提供組塊分塊集成時的存放基礎(chǔ)；組塊需要根據(jù)吊機能力分成若干小塊吊裝，分塊越多合龍后的連接工作量越大，組塊的完整性越差，大量集成調(diào)試工作無法在合龍前完成，導(dǎo)致合龍后調(diào)試的工作量巨大，施工周期較長。

陵水17-2半潛式平臺在詳細設(shè)計階段遇到了各種設(shè)計瓶頸，詳細設(shè)計周期大幅滯后，實際留給平臺建造和調(diào)試的周期僅25 個月。近年國際上統(tǒng)計的半潛式平臺項目從決策實施到投產(chǎn)最短周期為16.2個月(Who Dat)，最長85.3 個月(Thunder Horse)，平均周期為38.4 個月。與陵水17-2半潛式平臺規(guī)模相近的Na Kika平臺(排水量7萬t)周期約38.8個月。由此可見本項目平臺的建設(shè)調(diào)試工期非常緊張。若采用分塊吊裝合龍方案，合龍后的連接調(diào)試工作量將異常艱巨，初步估算連接調(diào)試周期在6個月以上。而采用整體吊裝合龍，組塊和船體可以在陸地上同期建造，且在合龍前具備較好的完工狀態(tài)，大部分連接調(diào)試都可以在陸地上獨立完成，合龍的施工周期約為3個月。因此，從建設(shè)工期方面考慮，整體吊裝合龍方案明顯優(yōu)于分塊吊裝合龍方案。

2) 浮托合龍。

在無法實現(xiàn)組塊整體吊裝合龍時，浮托合龍是保證組塊建造完成程度較高的合龍方案。該方案能保證組塊和船體的完整性，且不需要吊機，但需要動用壓載能力較強的船舶，需要在設(shè)計之初就考慮船體的壓載以研究海上浮托對對接間隙的要求，同時還須增加樁腿對接裝置(LMU)，對海上作業(yè)氣候條件要求嚴格。

根據(jù)船體總體性能分析，陵水17-2半潛式平臺從船底部到立柱頂部高59.5 m，操作工況吃水35～40 m，為典型的深吃水半潛式平臺，其包含了4個凝析油艙，部分艙室不具備壓載條件。在合龍前船體吃水較淺，若采用浮托安裝，只有2個方案：一是增加船體的壓載艙設(shè)置，確保船體在合龍時能壓載到比較低的位置；二是抬升組塊到至少23 m標高建造，組塊高位裝載到駁船上后，高位進船進行浮托對接。方案一須對船體做較大設(shè)計改動，經(jīng)濟性和工期上均有較大壓力；方案二的高位浮托安裝技術(shù)難度非常大。因此，從總體技術(shù)難度及經(jīng)濟性看，浮托合龍方案不具備優(yōu)勢。

3) 頂升合龍。

采用頂升合龍方案，組塊和船體的完整性也較高，但技術(shù)難度大，需要專用的頂升設(shè)備系統(tǒng)，隨著頂升高度的增加，風險也相對較高[7]。目前世界上僅有少數(shù)幾家大型公司具備頂升合龍的設(shè)備和能力，較典型的有ALE公司及FAGIOLI公司。其中ALE公司的塔架系統(tǒng)最大頂升能力6萬t。目前世界上完成的頂升高度最高的組塊為Malikai組塊，頂升高度41 m，組塊質(zhì)量為15 000 t；頂升質(zhì)量最大的組塊為Arkutun Dagi組塊，質(zhì)量為48 000 t，頂升高度17 m。

陵水17-2半潛式平臺船體較高，考慮到干涉影響，組塊需要頂升的高度超過74 m，高空滑移距離超過84 m。頂升高度屬世界第一，為確保安全性，須設(shè)置5 200 t頂升塔6組和7 800 t頂升塔架6組，合計頂升78 000 t能力。同時還需要設(shè)置大量連接設(shè)施確保塔架的穩(wěn)定性，且這些設(shè)施都是專業(yè)公司的唯一資源。經(jīng)過詳細評估，頂升合龍方案的風險及費用均高于整體吊裝合龍方案。

綜上所述，整體吊裝合龍方案相較其他方案在施工周期、經(jīng)濟性、施工技術(shù)難度及風險等方面優(yōu)勢明顯,因此陵水17-2半潛式平臺的吊裝合龍最終推薦選擇整體吊裝合龍方案。對于該方案所需的合龍資源，國內(nèi)來福士的整體吊裝合龍資源基本滿足，部分特別因素如干涉問題、船塢深度問題等需要在合龍方案中單獨考慮。

2 平臺整體吊裝合龍方案設(shè)計及現(xiàn)場實施情況

2.1 吊裝合龍資源

陵水17-2半潛式平臺組塊吊裝質(zhì)量為16 535 t，結(jié)構(gòu)主尺度為91.5 m×49.5 m×36.5 m。設(shè)計中采用整體吊裝合龍，吊耳可設(shè)置在組塊南北兩側(cè)A、D軸主軸線上，軸線距離為49.5 m。國內(nèi)來福士泰山吊總起質(zhì)量20 000 t(單梁起質(zhì)量10 000 t，單組機構(gòu)起質(zhì)量1 680 t)，起升高度：矮梁83 m、高梁113 m，矮梁滑移距離±7 m，2組梁跨距35.5～49.5 m?？梢姼Ｊ刻┥降醯跹b能力滿足陵水組塊整體吊裝合龍要求，吊高滿足主要要求，部分干涉設(shè)備需要單獨考慮。

來福士船塢大塢尺寸380 m×120 m×14 m，大塢底承載能力50 t/m2，潮汐8.90～11.66 m。船塢尺寸大小滿足船體要求，水深和潮汐情況滿足合龍前后的進出塢要求。塢內(nèi)水深由于需要考慮通過水壓門將大塢門鎖緊，需低于外面水深0.5 m，在合龍過程中塢內(nèi)水深略有不足，后期為了保證安全進出塢須考慮平臺部分載荷坐底的需求。此外，來福士碼頭周邊具有碼頭吊、浮吊、水氣電等供應(yīng)資源?？傮w而言，來福士大塢具備陵水17-2半潛式平臺整體吊裝合龍的能力。

2.2 整體吊裝合龍實施方案

陵水17-2半潛式平臺整體吊裝合龍主要工序(圖3)包括：①船體通過“新光華”船運至煙臺來福士場地，組塊通過“海洋石油229”船運至煙臺來福士場地；②組塊進塢定位至泰山吊正下方，泰山吊掛扣進行試吊，試吊結(jié)束后將組塊吊起；③船體在錨地下水，拖航至塢內(nèi)組塊正下方，通過臨時定位裝置以及系泊系統(tǒng)將船體定位，同時關(guān)閉塢門；④泰山吊下放組塊至組塊重量完全轉(zhuǎn)移至船體；⑤完成焊接合龍后打開塢門，在高潮水位時將合龍后的平臺牽引出塢。

圖3 陵水17-2半潛式平臺整體吊裝合龍主要工序

工序④泰山吊將組塊下放與船體對接為合龍的關(guān)鍵，此過程每一步對船體的調(diào)整調(diào)平及組塊的下放、重量轉(zhuǎn)移、坐底設(shè)計均較為關(guān)鍵。該過程的主要步驟見表2。

表2 陵水17-2半潛式平臺整體吊裝合龍對接主要步驟

2.3 整體吊裝合龍方案關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1船體對接點精度及變形控制

陵水17-2半潛式平臺船體為板殼式結(jié)構(gòu)，組塊為桁架式結(jié)構(gòu)，其主要的豎直合龍對接點只有8根立柱(4根主立柱、4根輔立柱)。該類對接形式對結(jié)構(gòu)的疲勞比較不利，因此在對接中要求對接的偏心量盡可能小，對建造和合龍過程中的精度要求較高。

1) 船體建造過程中對對接點精度的管理。

在建造船體過程中主、輔立柱的定位標精度控制目標為：X、Y:±6 mm，Z:±13 mm(圖4)。建造過程中在保證底層船體分段搭載合格的前提下，將對接點立柱所在的頂層分段結(jié)合精度和施工機具的需求，分為3個分段進行總裝搭載。以其中1個腿為例，分為C25、C26、C27等3個分段。在頂層總裝搭載過程中，先合龍C26和C27分段，最后合龍C25分段。在C25分段的合龍焊接過程中需要持續(xù)監(jiān)控對接點的位置，通過焊接工序微調(diào)合龍點位置。

圖4 陵水17-2半潛式平臺船體合龍對接點的建造精度要求

2) 船體下水的變形控制。

船體下水受到浮力的作用，呈現(xiàn)中拱狀態(tài)，上口自然往外張開。由于合龍船塢內(nèi)水深不足，無法通過調(diào)載將船體的變形完全恢復(fù)。在合龍對接前，船體在設(shè)計吃水7.2 m自由漂浮工況下，上口變形最大位移為X向82.9 mm，Y向79.5 mm(表3)。船體下水變形控制是陵水17-2半潛式平臺合龍對接中的重大難題，須設(shè)計專門的對接捕捉裝置。

表3 陵水17-2半潛式平臺船體自由漂浮狀態(tài)下的變形

由于船體下水后的變形較大，綜合船體建造精度誤差、組塊建造精度誤差及組塊吊起后的變形影響，綜合設(shè)計了專門的對接捕捉裝置(圖5)，其主要由安裝在組塊主立柱內(nèi)部的承載滑塊及安裝在船體立柱頂部的插尖組成。該捕捉裝置捕捉范圍可達250 mm，可完全覆蓋船體的變形影響。同時在組塊下放過程中，通過承載滑塊與插接之間的擠壓，將組塊下放的豎直重力部分轉(zhuǎn)化為水平力，將船體的外張變形逐漸壓回設(shè)計狀態(tài)。經(jīng)過計算分析，可以得到不同承載滑塊與插尖之間的摩擦系數(shù)下，上部組塊垂直下放力與船體立柱水平位移的關(guān)系(圖6)。由圖6中的關(guān)系曲線可知，保守取承載滑塊與插尖之間摩擦系數(shù)為0.30的情況下，組塊僅下放約1 520 t (單個主立柱約380 t)，即可將船體變形擠壓回設(shè)計狀態(tài)。

圖5 陵水17-2半潛式平臺對接捕捉裝置

圖6 陵水17-2半潛式平臺上部組塊垂直下放質(zhì)量與船體立柱水平位移關(guān)系

2.3.2組塊建造公差管理及吊裝變形控制

組塊和船體通過8根立柱進行對接，為確保捕捉裝置的捕捉范圍能完全涵蓋各部分變形及建造公差范圍，組塊的建造公差及變形同樣需要嚴格控制。

1) 組塊建造公差管理。

建造常規(guī)固定式平臺組塊時，立柱通常在甲板片預(yù)制時就安裝到甲板片上。在車間內(nèi)安裝立柱效率較高，也利于組塊的整體噴涂和總裝。但由于陵水17-2半潛式平臺組塊的跨距較大，對立柱的定位精度要求極高，其中最長的對角跨度總長70 m，僅允許誤差13 mm。考慮到組塊分片建造及焊接收縮的影響，無法保證總裝后的整體立柱的定位精度。經(jīng)過詳細論證，陵水組塊與船體連接的立柱，采用生產(chǎn)甲板全部完成連接后再進行安裝的方式進行總裝。組塊分片預(yù)制過程中，先在相關(guān)立柱位置的環(huán)板留出50 mm的加工余量，用于立柱總裝時的調(diào)整；隨后再逐個吊裝8根立柱。尺寸定位確定后通過馬排臨時定位焊接固定。

陵水17-2半潛式平臺主立柱壁厚90 mm，輔立柱壁厚75 mm，二者厚度均較大，焊接過程中焊接變形較大。為保證焊后的尺寸，整體焊接工序?qū)⑺辛⒅?批焊接，以此積累焊接收縮的變形量參數(shù)，并根據(jù)累計的變形量參數(shù)考慮后續(xù)的焊接控制。在焊接每根立柱時需要雙人在對稱位置同時焊接，保證二者焊接熱量輸入一致，各向焊接收縮一致；但同時也需要根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整焊接位置以保證焊接收縮方向朝有利于定位控制的位置變形。

陵水17-2半潛式平臺最終所有立柱的焊后尺寸測量顯示，所有立柱焊后尺寸控制完全合格，表明后插立柱及立柱的焊接方案制定合理可行。

2) 組塊吊裝變形控制。

泰山吊吊鉤形式為直排式，高、低梁各6組，共計12組吊鉤， 每組吊鉤長13.6 m，每組吊鉤額定載荷1 680 t[8]，每組鉤載均可獨立調(diào)整。陵水17-2半潛式平臺組塊吊裝設(shè)計要求泰山吊的總鉤載荷不能超20 000 t，單鉤的載荷不能超1 680 t。每組鉤包含16個吊耳，為確保吊耳安裝時能匹配吊機的要求，一組吊耳之間的安裝偏差不超過1 mm。為此在吊耳預(yù)制過程中盡量利用鋼板的長度，將6個吊耳在一張鋼板上排版下料，減小吊耳組合焊接的誤差。在組塊全部預(yù)制完成、組塊結(jié)構(gòu)在所有設(shè)備載荷作用下產(chǎn)生穩(wěn)定撓度后再焊接吊耳，以防止組塊撓度變形導(dǎo)致吊耳變形影響對接點的精度。

組塊在南北兩側(cè)A、D兩軸吊起后，組塊產(chǎn)生外張趨勢，其外張位移最大約10 mm，與船體的外張趨勢一致，因此組塊的吊裝變形有利于對接捕捉[9-10]。在組塊最終稱重前，組塊的重心均有一定不確定性，設(shè)計時在兩排吊耳外側(cè)各多考慮1個獨立的吊耳，可用于臨時調(diào)整。同時還計算出吊裝時允許的偏心包絡(luò)線，用于檢驗最終組塊的稱重中心與設(shè)計重心是否符合吊裝施工要求。

2.3.3船體坐底設(shè)計及進出塢精確定位控制

1) 船體坐底設(shè)計。

由于關(guān)閉塢門后，塢內(nèi)水位只能維持在8.1 m。若組塊重量完成釋放到船體上，整個平臺吃水約8.2 m，大于塢內(nèi)深水。為保證船體底部不碰撞塢底損壞底部陽極，在組塊捕捉裝置完全對位后，需要將浮體的部分重量坐底，實現(xiàn)漂浮對接，半坐底焊接。這樣既能保證對接時船體可微調(diào)，同時在對接完成后，船體坐底，整個浮體不會發(fā)生運動，防止意外碰撞損壞船體陽極。船體對接時需要用到專用的限位裝置，限位裝置配合系泊纜繩實現(xiàn)船體對接過程中的微調(diào)。船體坐底前需要在大塢底部根據(jù)船體陽極分布圖，提前布置塢墩。布墩前須根據(jù)平臺在塢內(nèi)的坐墩位置勘畫好平臺中心線、布墩位置線等。水泥墩鋪設(shè)前用沙子水泥找平塢底。塢墩根據(jù)塢底水平情況和船體底板的板厚差等實測數(shù)據(jù)，通過水平木板進行調(diào)平。最后根據(jù)塢墩的受力情況校核塢底的地基承載力，確保地基承載力滿足要求。

2) 船體進出塢及精確定位控制。

船體從碼頭由拖輪拖進水塢。到達塢口時，掛上拖鉤1和拖鉤2，北側(cè)兩拖輪撤離，南部兩條拖輪頂拖，控制船體速度和方向(圖7a，步驟1)。當船體向北移到2萬t吊南側(cè)，平臺北側(cè)換成拖鉤3和拖鉤4，拖輪撤離；平臺南側(cè)連拖鉤1和拖鉤2(圖7b，步驟2)，在拖拉繩和拖輪頂推的配合下，可以實現(xiàn)船體安全穩(wěn)定地進塢就位，其出塢則是逆過程。

圖7 陵水17-2半潛式平臺船體進塢過程

為保證對接合龍時船體和組塊精確對位，在大塢西側(cè)和北側(cè)各臨時增加2處限位裝置，根據(jù)船體需求的不同，限位裝置定位時與船體需保持適當間距，限位裝置上安裝有液壓缸裝置，用于精確調(diào)整，以此實現(xiàn)對接過程中船體的微調(diào)(圖8)。

圖8 陵水17-2半潛式平臺船體精確定位布置

2.3.4干涉物料梳理

大合龍的順利實施需在全過程中重點關(guān)注梳理干涉物料。絕大部分半潛式平臺合龍經(jīng)驗均表明，合龍前能完成的工作均比合龍后完成要更經(jīng)濟。因此對于干涉物料的梳理是大合龍方案一項龐雜而細致的工作。針對陵水17-2半潛式平臺，擬采用的泰山吊合龍資源，組塊及船體的所有設(shè)備均在PDMS軟件中根據(jù)實際情況進行了3D模擬，以檢查所有碰撞信息。與常規(guī)的3D模型檢查不同，在合龍的3D檢查中需要將實際的船體運動幅值影響區(qū)域、組塊下放過程路徑、泰山吊的安全距離等因素都要全方位考慮在內(nèi)(圖9)。詳細的3D干涉檢查，可以有效提高建造及合龍的施工效率，避免重復(fù)性工作。對于識別出的干涉位置，在建造期間可以做針對性處理，如采用結(jié)構(gòu)分開建造、設(shè)備臨時定位、后期滑移就位等方式進行解決。

圖9 陵水17-2半潛式平臺大合龍3D模擬干涉檢查

陵水17-2半潛式平臺合龍，在設(shè)計初期就在組塊圖紙中初步劃分了干涉區(qū)域，干涉區(qū)域內(nèi)的物料設(shè)備均需要慎重處理。在合龍方案后期，完成所有設(shè)備3D建模后，共識別出68處干涉，分別針對68處干涉，拆分為結(jié)構(gòu)、配管、電儀支架橋架等專業(yè)。各專業(yè)合并統(tǒng)籌考慮每一處干涉位置的解決措施，以最大可能保持組塊和船體的完整性，同時能最小程度地減少合龍后的恢復(fù)工作量。

2.4 平臺吊裝合龍現(xiàn)場實施情況

2020年10月28日，陵水17-2半潛式平臺吊裝大合龍在煙臺來福士場地正式實施(圖10)。整個大合龍過程歷時36 h，順利完成了包括組塊起吊、船體進塢、精確定位、對位捕捉，卸載接觸塢墩、平臺坐墩等關(guān)鍵步驟。所有關(guān)鍵步驟與設(shè)計方案完全相符，充分證明了本文研究方案的可靠性。

3 結(jié)束語

陵水17-2半潛式平臺是我國自主建造的全球首個萬噸級半潛式生產(chǎn)儲油平臺。該平臺大合龍方案的設(shè)計和順利實施是國內(nèi)該類型半潛式平臺合龍史上的重要里程碑，表明我國海洋工程設(shè)計和建造團隊在深水平臺領(lǐng)域掌握了此類型平臺的新合龍技術(shù)，深水海洋工程裝備和建造能力邁上了新臺階，其成功實施對后續(xù)同類工程項目有著重要參考意義。