基于液压滑移合拢模式下的深水半潜式平台建造分析研究

于 琦， 王 嘉， 严 翼

(海洋石油工程(青岛)有限公司，青岛 266500)

0 引 言

浮式生产平台主流有几大种类，包括船型或者圆筒形浮式生产储油装置(FPSO)、三柱式或者四柱式张力腿平台(TLP)、单柱桁架式或者集束式浮式钻井平台(SPAR)，以及四柱式半潜式浮式生产平台(SEMI)。其中，四柱式半潜式平台以其甲板面积大、作业稳定性好、操作灵活度高的特点，已经发展成为中国南海深水油气开发中的一颗冉冉升起的明星产品[1-2]。陵水17-2深水半潜式平台主要由浮箱及四柱式下船体和多层桁架式上模块组成。目前国内外对于上部模块合拢方式有多种，如巨型桥吊合拢法、浮吊吊装合拢法、提升塔架合拢法、坞内连续搭载法、海上浮拖合拢法、顶升滑移合拢法[3]。本文以5万吨级半潜式平台建造为例，通过几种上模块大合拢方式对比分析，以海工青岛场地选取顶升滑移合拢模式进行半潜式平台建造分析研究，总结一套具有可行性的半潜式平台建造方法。

1 半潜式生产平台简介

本文以“深海一号”能源站建设工程的半潜式平台为建造研究目标。如图1所示，该平台下船体设计重量约为3.35万吨，船体为回字型浮箱加四柱式立柱构成的浮体。上模块重量约为1.95万吨，该模块为典型梁板柱及斜撑构建的平台空间结构。平台的排水量为10 500 t，作业水深为1 500 m。

图1 半潜式平台三维示意图Fig.1 3D schematic diagram of a semi-submersible platform

2 半潜式平台上模块合拢建造方法

下船体和上模块建造通常会以大合拢能力作为重要依据，倒推船体和模块建造方法。目前国际上半潜式平台建造经验丰富的海洋工程企业主要分布在欧美、韩国、新加坡、中国。现就各大船厂不同钻井平台合拢工艺进行概要介绍。

2.1 巨型桥吊合拢法

提起巨型桥吊合拢法，实施该合拢方式的建造场地应具备大型龙门吊，如烟台来福士2万吨泰山吊。如图2所示，巨型桥吊漂浮合拢流程简介如下。

图2 巨型桥吊漂浮合拢流程图Fig.2 Flowchart of closure of a giant bridge crane semi-submersible platform

(1) 开坞门将具备完工条件的上模块通过半潜驳船运输到船坞内。

(2) 如图3所示，经试吊后，泰山吊将上模块在船坞内整体吊装抬高到预定高度。

图3 上模块泰山吊吊装图Fig.3 Installation of upper module by Taishan crane

(3) 通过拖轮将船体湿拖入船坞。

(4) 通过船坞绞车将下船体系泊固定到上模块下方指定位置[4]。

(5) 泰山吊吊装上模块缓慢下落，上模块立柱插尖精准落入下船体对应立柱内。

(6) 焊接固定完成大合拢后，平台出坞并码头靠泊。

2.2 浮吊吊装合拢法

浮吊吊装合拢法的运行原理与超大龙门吊相似，也是合拢平台上模块的一种吊装方法。2002年，韩国大宇造船厂承揽了美国墨西哥湾Thunder Horse大型半潜式浮式平台，该平台采用了船坞建造总装下船体、浮吊吊装上模块的方式。半潜式平台上模块利用浮吊大合拢施工过程如下：

(1) Thunder Horse半潜式平台下船体在船坞内建造总装，根据平台结构形式同时布置多组顶升塔架。

(2) 结合浮吊起重能力，在保证总体舾装率的情况下，上模块分成几个总段同时开工建造。

(3) 如图4所示，下船体建造完工后，根据上模块总段合拢顺序，在码头附近利用大型浮吊起吊总段落于船体立柱与顶升塔架上定位焊接。

(4) 继续吊装剩余上模块总段，完成合拢定位，全部吊装结束后通过现代精控方法整体测量保证半潜式平台总体建造精度满足规格书尺寸控制要求，大合拢结束。

图4 上模块浮吊吊装图Fig.4 Installation of upper module by floating crane

2.3 提升塔架合拢法

提升塔架合拢法也是在国外船厂有成熟案例，国内中远船务也曾使用该模式。2010年5月，南通中远船务利用提升塔架方式顺利了完成了GM4000半潜式平台交付。平台服役于挪威北海油田，最大作业水深达到3 000 m，平台自重2.3万吨，其中上模块重量达到9 000 t。提升塔架合拢法建造大合拢施工过程如下：

(1) 在上模块总段两侧外边缘跨越层高焊接规定多组吊梁结构，在上模块总段两侧指定位置建造安装多组提升塔架，塔架用于支撑吊梁结构，如平台模块下布置4个提升塔架，平台模块两侧布置4个提升塔架[5]。

(2) 通过力学计算分析，在提升塔架上布置足够承载力的多组液压提升油缸，并将提升油缸底部锚固到吊梁上，千斤顶配置如下： 以某品牌650 t和450 t液压设备为例，外提升塔架上布置4组650 t液压设备，内提升塔架上布置4组450 t液压设备，上模块重量约为9 000 t，液压顶升的利用率约为9 000/(650×16+450×16)=51.13%。

(3) 通过提升油缸输出动力将上模块提升到指定高度，并通过临时立柱结构辅助支撑平台上模块总段。

(4) 在船坞内上模块与提升塔架平行方向上布置下船体滑移用轨道，二次液压提升上模块到指定高度，撤掉临时支撑结构，将下船体滑移就位到上模块的下方。

(5) 如图5所示，在三维精度控制手段辅助下，缓慢释放并微调上模块就位与下船体指定位置并焊接固定，完成提升塔架大合拢作业。

图5 上模块提升塔架合拢图Fig.5 Integration of upper module lifting tower

2.4 坞内连续搭载法

坞内连续搭载法在船舶业界称为“搭积木建造法”，这是比较传统的船舶建造方法。在船坞附近装焊平台以及分段制作工厂内进行分段制作，最大化提升壳舾涂一体化程度后，各个分段划分大小也不尽相同，原则上尽量减少分段数量的同时提高预安装水平。目前国内起重能力最大的龙门吊坐落于江南造船厂，起重能力达到1 600 t。上海外高桥承揽的3 000 m深水半潜式平台“海洋石油981”即采用了内连续搭载模式完成平台建造合拢。

通过船体总段船坞建造，并根据船厂龙门吊能力将上模块分成多个分段吊装上模块与船体合拢对位，完成平台建造。

提升塔架合拢法，建造大合拢施工过程如下：

(1) 下船体浮箱和立柱划分成多个分段建造。

(2) 下船体分段建造连续搭载封顶完工备用。

(3) 上模块划分成多个分段建造，通过龙门吊根据合拢顺序分别与下船体搭载合拢。

(4) 如图6所示，完成全部上模块分段搭载作业，最终完成平台整体建造合拢。

图6 上模块连续搭载合拢图Fig.6 Integration of continuous loading of upper module

2.5 海上浮拖合拢法

海上浮拖合拢法，即通过半潜驳船将平台的下船体运输到锚地下沉，再将平台上模块也通过驳船运输到锚地指定位置，通过驳船压载下沉将上模块LMU与下船体插尖对齐，逐步转移模块荷载，最终焊接固定完成平台合拢。该合拢方法不需要使用大型半潜驳船，适用不具备大型起重设备的船厂或者上模块重量比较大工期短不允许连续搭载的施工建造情况。如图7所示，韩国三星集团利用浮拖法完成了2艘半潜式平台上模块合拢作业。

图7 上模块海上浮拖合拢图Fig.7 Integration of offshore floating towing of upper module

2.6 液压顶升滑移合拢法

如图8所示，液压顶升滑移合拢法是通过大型液压装备对平台上模块进行顶升，然后建立空中滑移通道，将上模块滑移到下船体就位位置后下降，完成对接大合拢。马来西亚船厂为壳牌公司建造了一艘半潜式平台，即利用该合拢方式完成平台大合拢建造。

图8 上模块顶升滑移合拢图Fig.8 Integration of lifting sliding of upper module

3 基于海油工程青岛场地的平台建造合拢方法对比

以2万吨半潜平台上模块和3.3万吨半潜平台船体合拢为例，对比上述6种合拢方法在海油工程青岛场地建造合拢的技术经济性。

巨型桥吊合拢法，即平台建造和合拢需要2个场地完成，有利于模块建造完整性，建造合拢工期短，合拢费用比海上作业以及其他液压设备合拢方法低。该合拢的必要条件是需要与具备大型吊机的船厂协商谈判确定船坞总装作业空挡周期，平台上模块和下船体需要预定运输驳船，分两次运输到协作单位，该合拢方法可作为备选项。

浮吊吊装合拢法，即平台建造和合拢能够在青岛场地完成，但上模块需分为2个万吨级小平台，缺点是需要预定超大型浮吊资源，浮吊资源本身较为紧缺，租赁费用高。在合拢实施过程中，对于码头岸线水深也有一定要求，浮吊起升能力、起升高度、吊臂长度都是计算校核的重点，受到浮吊起重能力限制。

提升塔架合拢法，即借助塔架工装，利用液压设备提供动力完成平台提升的对位合拢，可在青岛场地完成，建造合拢周期短，合拢风险适中。提升塔架法需要使用多组提升塔架，工装制作、安装及拆除费用高。目前，半潜平台尚不具备批量建造条件，塔架也不能重复利用。综上所述，提升塔架合拢法不作为备选项。

坞内连续搭载法，即利用船厂船坞平台配备的龙门吊起重能力，可在青岛场地完成，上模块不能整体预制，合拢风险小。对于青岛建造场地，当前船坞平台仅配备一台800 t龙门吊，且分段建造吊装均需使用，分段过多对于采用坞内连续搭载法平台建造工期会较长，平台多专业建造完善情况相比整体建造会下降较多。综上所述，坞内连续搭载法不作为备选项。

海上浮拖合拢法，目前国际上采用该合拢方式的船厂比较少，该合拢方法的缺点有许多，海上作业气候环境复杂多变，合拢安全性比陆地差，如在锚地合拢海上拖船运输路线长，拖轮和半潜驳船租赁时间长、费用高。优点是对于陆地不具备合拢条件的船厂，海上浮拖能够较好完成合拢任务，海洋平台模块和导管架安装采用浮拖法应用也较为成熟，安全性有保证[6]。本着以能在陆地完成的工作不拖到海上作业的原则，该海上浮拖合拢法也不作为备选项。

顶升滑移合拢法，随着科技不断更新迭代，液压设备也有了长足进步发展。国际上主流的液压设备有英格兰ALE公司、荷兰Mammoet公司等[7-8]。ALE公司与青岛公司在陵水17-2项目半潜式平台3万吨级船体液压滑移装船有过合作基础。液压设备顶升滑移的特点需要租赁整套顶升装备，包括成套的顶升工装，无须自制，当然也存在需要公司自制的一些配套工装，如顶升支撑和高空滑移通道工装，相对于提升塔架法，顶升滑移合拢法能够在顶升工装制作和安拆方面节省人工和材料。在平台合拢风险中，应注意顶升高度大于60 m以上的抗风能力。综上所述，该顶升滑移合拢法可作为备选项。

总结上述6种平台合拢方法(见表1)，巨型桥吊合拢法和顶升滑移合拢法都是比较可行的，“深海一号”能源站的上部模块接近2万吨，工程实践采用了泰山吊合拢。因此本文拟继续开展基于液压顶升滑移合拢模式，对海油工程青岛场地半潜式平台建造合拢实施要点的分析研究。

表1 基于海油工程青岛场地的平台合拢方法对比Tab.1 Comparison of platform integration methods based on Qingdao site of CNOOC

4 半潜式平台滑道建造合拢与船坞建造合拢实施技术可行性分析研究

4.1 半潜式平台滑道建造合拢流程

从前文半潜式平台合拢方案对比分析来看，上模块和下船体在某些船厂存在不同建造工厂预制后，运输回总装场地合拢的实施策略，这也比较符合现代模块化造船理念，既可以加快建造工期也能够联合利用其他船厂资源。本文拟定船体和模块都在青岛场地建造及合拢，开展基于液压滑移合拢模式对深水半潜式平台建造的分析研究。图9为液压滑移合拢模式的流程图。

图9 液压滑移合拢模式的流程图Fig.9 Flowchart of integration of hydraulic sliding

第一步： 如图10所示，进行滑道准备，滑道总装场地的地基承载力应达到半潜式平台船体、组块以及上部模块滑移区域的地基承载力要求，对于局部地基承载力不足的总装区域进行适当改造，相应承载区域应经过承载力复验。

图10 液压滑移装船平台船体及模块场地布置图Fig.10 Layout of hull and module of hydraulic sliding shipping platform

第二步： 如图11所示，下船体在滑道总装区域建造完工，在下船体浮筒内侧布置6组固定支撑并在其顶部安装液压滑移用轨道梁。应确保在总装场地的固定支撑下塔架基础点承载力满足要求。

第三步： 如图12所示，上模块在滑道总装区域建造完工，通过液压设备低位滑移的方式将模块滑移至指定位置。如图13所示，对上部模块进行顶升，需要顶升高度为70 m。

图11 液压滑移固定框架示意图Fig.11 Schematic diagram of fixed frame of hydraulic sliding

图12 液压顶升支撑布置示意图Fig.12 Layout of hydraulic jacking support

第四步： 如图13所示，在上部模块顶升到70 m后，在2组顶升支撑框架顶部之间的滑移轨道处，安装高位滑移架桥用的跨接梁(linkbeam)，完成滑移大合拢。

4.2 半潜式平台滑道建造液压滑移合拢实施要点分析

(1) 滑道总装场地的地基承载力达到半潜式平台建造及合拢要求，青岛公司五号滑道总装场地已经过地基改造，可以满足要求，对于局部滑移区域也需要进行必要的地基改造，并完成地基承载力平台验证。

(2) 滑道总装吊装设备资源投入达到半潜式平台建造及合拢要求，该区域已经具备风水气电施工保障条件，但没有配备大型龙门吊资源，常规模块建造通常使用公司现有履带吊。建造场地履带吊数量和能力对平台分段有限制，对于底部下船体可考虑使用公司现有SPMT车辆合拢或者使用三维调整机合拢，对其他标高分段划分尺寸和重量，资源不足时建议租赁或购置大型起重机设备。

(3) 船体和上模块滑道建造以及上模块大合拢建造的滑道场地布置要满足建造要求，既要考虑总装阶段的总装垫墩以及部分液压顶升用工装设计与布置，也要在明确后续使用大型吊机资源情况下事先预留出足够行车通道和吊装作业区域，避免吊机施展不开的情况。

(4) 半潜式平台在滑道建造合拢后的液压滑移装船属于建造关键节点，应注意作业风险控制和方案论证。深水码头能力也是海洋工程建造场地设施能力的重要体现。由于平台大合拢后重量已经超过5万吨，临时系泊期间吃水深度需要计算确定。现有五号滑道前沿码头水深不足应进行专业评估并清淤处理，如有必要也应考虑倾斜试验要求。因平台倾斜试验水深要求会更高，如码头确不具备条件，该作业项也可协调在指定海域完成。

图13 液压滑移合拢示意图(单位mm)Fig.13 Schematic diagram of integration of hydraulic sliding

5 结 语

世界各大船厂对于半潜式平台上模块大合拢施工采取了多种不同的建造合拢方法，本文对6种大合拢方式的经典建造案例及其合拢工艺顺序进行概要描述。结合海油工程青岛场地实际建造能力，本文对上述合拢方式进行了选型分析，选型分析结果为巨型桥吊合拢法和顶升滑移合拢法为优选项。本文进一步基于液压顶升滑移合拢模式下，对深水平台在滑道建造合拢进行了可行性分析，并对所需资源以及施工要点加以描述，半潜式平台建造合拢在青岛场地的实现已经具备初步的技术可行性。