喬曉國(guó)， 蔡元浪， 楊小龍， 楊 亮

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

中國(guó)南海油氣資源開發(fā)對(duì)保障我國(guó)能源安全至關(guān)重要。中國(guó)南海油氣開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)主要是水深、風(fēng)大與浪高。從環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性和工程量等方面綜合考慮，半潛式浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)是比較適合中國(guó)南海深水油氣田開發(fā)的平臺(tái)方案。半潛式FPSO的下浮體通常采用4立柱加環(huán)形浮箱的形式，上部結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)形式。目前，半潛式平臺(tái)建造合龍方法有頂升滑移合龍、整體吊裝合龍、大分段吊裝合龍、海上浮拖合龍等[1-2]，在約2萬(wàn)t起重能力的情況下，上部結(jié)構(gòu)整體吊裝合龍方案的塢期短、經(jīng)濟(jì)性更佳[3-4]。本文對(duì)半潛式FPSO(簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”)整體吊裝合龍過(guò)程中關(guān)鍵步驟的下浮體合龍口的變形和剛度進(jìn)行分析，確保合龍口的合龍偏差在可控范圍內(nèi)，為平臺(tái)確定合龍技術(shù)方案提供支持。

1 平臺(tái)基本信息及合龍方案

該平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)為雙層甲板桁架式結(jié)構(gòu)，平面主軸線縱向間距為91.5 m，橫向間距為49.5 m，主甲板標(biāo)高為70.5 m，生產(chǎn)甲板標(biāo)高為60.5 m。下浮體為4立柱、4浮筒形式，平臺(tái)總長(zhǎng)、寬均為91.5 m。立柱水平截面長(zhǎng)、寬均為21.0 m，上標(biāo)高為59.0 m。浮筒橫截面寬為21.0 m，高為9.0 m。作業(yè)海域?yàn)橹袊?guó)南海1 400 m水深海域，作業(yè)吃水為37.0 m，排水量為105 000 t，最大凝析油儲(chǔ)存能力約15 000 t。設(shè)計(jì)海況為中國(guó)南海百年一遇臺(tái)風(fēng)，可以在千年一遇臺(tái)風(fēng)海況下自存，設(shè)計(jì)壽命為30 a。

單位：m圖1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)尺度

該平臺(tái)采用上部結(jié)構(gòu)和下浮體分開建造，下浮體建造完成后采用浮托法下水，上部結(jié)構(gòu)采用整體吊裝合龍的方式建造。合龍前上部結(jié)構(gòu)重約15 000 t，下浮體重約35 000 t。

上部結(jié)構(gòu)與下浮體立柱連接界面如圖2所示，包括上部結(jié)構(gòu)的大支腿(向下箭頭標(biāo)記)、小支腿(四角星標(biāo)記)、1根斜撐和上部結(jié)構(gòu)下層甲板的大梁腹板。其中，斜撐及其底部肘板、下層甲板的大梁腹板底部約0.4 m高部分在合龍后安裝。下浮體與上部結(jié)構(gòu)的合龍界面僅為下浮體立柱頂與上部結(jié)構(gòu)8根支腿的底部，其中，上部結(jié)構(gòu)大支腿位置為主要合龍口，小支腿位置為次要合龍口。

圖2 上部結(jié)構(gòu)與下浮體立柱連接界面

圖3展示了合龍時(shí)門式起重機(jī)(上部結(jié)構(gòu)已吊起)、下浮體和船塢的水平相對(duì)位置。船塢底部沿下浮體西側(cè)和北側(cè)各安裝2個(gè)限位裝置作為下浮體定位的西側(cè)和北側(cè)邊界。在下浮體被拖船頂推進(jìn)入船塢之后，拖船撤離，船塢兩側(cè)的多個(gè)絞車(纜繩導(dǎo)輪)逐次拖帶，將下浮體牽引至限位裝置處，完成初步定位。

限位框架頂部均安裝水平放置的千斤頂，可將下浮體推向東側(cè)和南側(cè)，船塢兩側(cè)的絞車輔助拖帶，可以精確調(diào)整下浮體相對(duì)于已吊起上部組塊的相對(duì)位置。

由于船塢水深不足以滿足平臺(tái)完全的漂浮合龍，在船塢底部根據(jù)下浮體底部結(jié)構(gòu)形式和犧牲陽(yáng)極分布情況布置塢墩。在合龍最終階段，下浮體底部與塢墩部分接觸，待合龍口焊接完成后，平臺(tái)借大潮浮起出塢。同時(shí)，塢墩也可用于在下浮體漂浮合龍時(shí)合龍口變形量超出預(yù)期且調(diào)整合龍口偏差后變形量仍大于限值情況下的應(yīng)急坐底合龍。

圖3 下浮體在塢內(nèi)的定位示例

2 下浮體的變形分析與調(diào)整

以往半潛式平臺(tái)或與之類似的張力腿平臺(tái)的下浮體在拖航、合龍時(shí)，下浮體的立柱頂部間大都設(shè)置臨時(shí)或永久的水平撐，用于提高下浮體的剛度和強(qiáng)度，減少其與上部結(jié)構(gòu)合龍口的相對(duì)變形量。

該平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)下方有很多懸掛平臺(tái)和管支架，高度均低于下浮體立柱頂，若增加水平撐會(huì)導(dǎo)致合龍工況的結(jié)構(gòu)干涉。另外，由于下浮體立柱凈間距約50 m，水平撐及其兩端對(duì)應(yīng)立柱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的評(píng)估重量約500 t，上部結(jié)構(gòu)下方合龍后水平撐拆除將變得困難，若不拆除，這部分重量對(duì)于重量和穩(wěn)性較為敏感的半潛式平臺(tái)來(lái)說(shuō)無(wú)法承受，因此，該平臺(tái)立柱頂部沒有增加水平撐結(jié)構(gòu)，只嘗試通過(guò)調(diào)整壓載以盡可能地減少合龍口的變形量。

下浮體浮托下水后，使用少量壓載水調(diào)平，吃水為5.7 m，下浮體的變形趨勢(shì)如圖4所示，4個(gè)浮箱均處于中拱狀態(tài)，4根立柱向外張開。

圖4 下浮體自由漂浮狀態(tài)的變形趨勢(shì)

通過(guò)在浮箱內(nèi)側(cè)壓載艙內(nèi)加入壓載水減少浮箱中拱狀態(tài)，可減少立柱頂部的水平變形。塢內(nèi)水深為8.10 m，塢墩高度為0.35 m，下浮體底部的犧牲陽(yáng)極高度加上外板厚度為0.25 m。在確保進(jìn)塢過(guò)程中底部陽(yáng)極與塢墩最小凈空間為0.30 m的情況下，下浮體進(jìn)塢最大吃水為7.20 m。該吃水的裝載如圖5所示，箭頭指向的是浮箱內(nèi)側(cè)用到的壓載艙，其余僅表示液艙形狀，實(shí)際無(wú)裝載。

圖5 吃水為7.20 m狀態(tài)的壓載

當(dāng)吃水從5.70 m增加至7.20 m，立柱頂部主要合龍口的水平變形量平均減少54%，如表1所示。表1中的方位代表平臺(tái)4根立柱所處方向。

表1 下浮體主要合龍口的水平變形

最終7.20 m吃水時(shí)船體最大水平變形量為82 mm，考慮13 mm的下浮體建造誤差和10 mm的上部結(jié)構(gòu)建造誤差，預(yù)估最大水平偏差量為105 mm(吊起后的上部結(jié)構(gòu)合龍口的變形約16.5 mm，變形方向與下浮體合龍口相同，因此保守考慮可忽略上部結(jié)構(gòu)合龍口的變形)。

3 合龍導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)載荷

考慮到上部結(jié)構(gòu)吊起之后的彈性變形、下浮體自由漂浮狀態(tài)的彈性變形、結(jié)構(gòu)建造誤差、下浮體和吊起的上部結(jié)構(gòu)定位偏差等因素導(dǎo)致的合龍口對(duì)位偏差，需在合龍口設(shè)置適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)[5]。該平臺(tái)在下浮體主要合龍口位置設(shè)置合龍定位插尖(見圖6)，上部結(jié)構(gòu)框架的大支腿內(nèi)部有捕捉套環(huán)，可實(shí)現(xiàn)合龍最終階段250 mm范圍內(nèi)的精準(zhǔn)捕捉定位。

圖6 插尖和捕捉套環(huán)示例

為了設(shè)計(jì)插尖和套環(huán)及周邊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，需要確定插尖和套環(huán)在合龍過(guò)程中承受的最大水平載荷。上部結(jié)構(gòu)和下浮體都可以被看作為彈性結(jié)構(gòu)，該水平載荷可通過(guò)分別計(jì)算上部結(jié)構(gòu)在套環(huán)位置的水平剛度、下浮體在插尖位置的水平剛度和合龍口的最大偏差量得到。

上部結(jié)構(gòu)套環(huán)的水平剛度可以用生產(chǎn)甲板大梁的軸向剛度代替，大梁規(guī)格為PG1 500 mm×32 mm+850 mm×55 mm，截面積為0.138 m2，長(zhǎng)度為49.5 m，其軸向剛度k1=EA/L，其中：E為鋼材彈性模量；A為大梁截面積；L為合龍口的橫、縱向距離。經(jīng)計(jì)算k1=5.74×108N/m。

下浮體處于漂浮狀態(tài)下在插尖位置分別沿橫向(或縱向)施加相反方向100 t水平力，總水平合力為0 t(施加載荷見圖7)。計(jì)算得到的插尖位置水平變形量與不加水平力狀態(tài)下變形平均增大17 mm，下浮體插尖位置的水平剛度k2=5.77×107N/m。

圖7 下浮體主要合龍口位置的剛度評(píng)估加載

實(shí)際上，插尖和套環(huán)的設(shè)計(jì)載荷還需考慮插尖與套環(huán)接觸面的傾角和摩擦因數(shù)，這些內(nèi)容在文中不作贅述。

4 下浮體次要合龍口的水平變形及剛度評(píng)估

上部結(jié)構(gòu)小支腿處沒有類似插尖和套環(huán)的捕捉限位裝置，合龍后該位置可能出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)支腿與下浮體對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的對(duì)位偏差，該偏差若超出6 mm(基于疲勞損傷計(jì)算確定)則須進(jìn)行矯正。

在合龍最終階段吃水達(dá)7.75 m，下浮體底部已經(jīng)接觸塢墩，此時(shí)浮力約47 000 t，平臺(tái)重量約50 000 t，塢墩將承擔(dān)剩余約3 000 t的重量(考慮到平臺(tái)底部與船塢接觸導(dǎo)致的浮力損失，該數(shù)值還將更大)。平臺(tái)的重量則集中在4根立柱上，下浮體的4個(gè)浮箱處于中拱狀態(tài)，因此僅有靠近平臺(tái)底部外側(cè)4個(gè)角落的底部塢墩承載了這部分多余的重量，而塢墩與下浮體底部的接觸狀態(tài)經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代核算最終確定。圖8為平臺(tái)底部西南立柱下方的塢墩布置，其中曲線包圍的塢墩與平臺(tái)底部接觸(4個(gè)立柱下方的塢墩受力情況基本相同)，且越靠近西南角的塢墩承受載荷越大，塢墩最大支撐載荷為1.85×106N。

圖8 合龍后平臺(tái)西南立柱底部與塢墩接觸狀態(tài)

此處需注意塢墩的材質(zhì)與下浮體結(jié)構(gòu)不同，密集布置的塢墩可以看作平臺(tái)底部的彈性基礎(chǔ)，塢墩垂向剛度的正確模擬對(duì)分析塢墩接觸狀態(tài)和塢墩反力非常重要，塢墩反力可用于核算下浮體強(qiáng)度和船塢地基承載能力。塢墩模擬剛度越大，則靠近外側(cè)角落的塢墩反力越大，而與船體接觸的塢墩數(shù)量越少。塢墩剛度越小，塢墩反力越趨于接近，與船體接觸的塢墩數(shù)量則越多。

在計(jì)算合龍后次要合龍口的水平變形和剛度時(shí)，計(jì)算模型中將上部結(jié)構(gòu)小支腿底部(見圖9箭頭位置)與下浮體立柱頂部的連接處，釋放2個(gè)水平連接剛度，僅保留垂向連接剛度，即僅傳遞垂向載荷，同時(shí)考慮下浮體底部與塢墩的接觸狀態(tài)。

計(jì)算得到次要合龍口位置下浮體和上部結(jié)構(gòu)各自變形量如表2所示，相對(duì)最大水平偏差為5.2 mm，如表3所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 合龍后小支腿附近剛度計(jì)算模型修改

表2 次要合龍口位置的變形

表3 次要合龍口偏差 mm

考慮到建造誤差等因素導(dǎo)致更大的合龍偏差，還需要計(jì)算小支腿合龍位置的下浮體水平面內(nèi)剛度，用于可能的偏差矯正。分析方法為在以上變形計(jì)算基礎(chǔ)上，在下浮體與小支腿合龍位置施加1.0×106N水平方向的力，類似下浮體在主要合龍口剛度計(jì)算的載荷施加方式。將該位置的變形量與未加載荷前變形量的差值除以所施加水平力，得到該位置的水平剛度。小支腿位置下浮體水平變形結(jié)果如表4所示，加載前后變形差值為2.4 mm，換算后的剛度為4.17×108N/m。

表4 次要合龍口的變形結(jié)果 mm

5 結(jié) 語(yǔ)

半潛式FPSO的上部結(jié)構(gòu)基本采用框架式結(jié)構(gòu)，其與下浮體的連接界面(通常也是合龍界面)非常集中，合龍時(shí)2部分結(jié)構(gòu)的合龍精度要求非常高，較高的合龍精度意味著更高的疲勞壽命。半潛式平臺(tái)的合龍分析包括上部結(jié)構(gòu)吊裝分析、下浮體變形和強(qiáng)度分析、合龍口變形調(diào)整分析、合龍后平臺(tái)浮態(tài)分析、合龍口導(dǎo)向結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度分析和合龍口偏差調(diào)整分析等。

介紹該合龍方案中下浮體相關(guān)合龍分析，驗(yàn)證不加水平撐的半潛式FPSO下浮體可以采用調(diào)整壓載、安裝局部導(dǎo)向裝置、考慮局部坐墩等方式，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的高精度合龍。