超大型平台安装试验研究＊——以荔湾3－1气田中心平台为例

李 达 易 丛 白雪平

（中海油研究总院）

超大型平台安装试验研究＊
——以荔湾3－1气田中心平台为例

李 达 易 丛 白雪平

（中海油研究总院）

以荔湾3－1气田中心平台导管架和组块安装设计为例，分析了超大型导管架和平台组块安装设计及安装实施过程中的关键风险点，针对这些风险点，采用水池模型试验方法进行了验证。对于基本设计结果与模型试验结果之间由于尺度效应造成的差异，进行了模型尺度的数值分析以保证设计成果的可靠性。本文提出的超大型平台安装设计的技术流程，对于后续超大型深水平台安装方案的设计具有借鉴意义。

超大型平台 安装设计 模型试验 模型尺度数值分析 荔湾3－1气田

随着海洋深水油气田的陆续开发，海洋平台逐渐向大型化和超大型化发展。超大型平台因为尺寸大、质量大，安装时对施工机具的要求高，施工船舶的可选择余地小，因此，超大型导管架和平台组块的安装设计成为挑战。南海深水天然气开发项目是中国海油一个里程碑式的大型油气田开发工程项目，该项目包括一座超大型平台（荔湾3－1气田中心平台）的安装设计[1－2]。本文以荔湾3－1气田中心平台安装设计为例，分析了超大型平台导管架和组块安装设计及安装实施过程中的关键风险点，针对这些风险点，采用了水池模型试验的方法来验证设计成果。对于基本设计结果与模型试验结果由于尺度效应造成的差异，进行了模型尺度的数值分析，找出了模型试验与数值分析产生差异的原因，达到了模型试验与数值分析互相验证的目的。通过总结归纳，提出了大型平台安装设计的技术流程，即数值分析—模型试验—模型尺度数值分析，对于后续超大型深水平台安装方案的设计具有借鉴意义。

1 超大型平台安装设计

荔湾3－1气田中心平台导管架和组块均为超大型结构物，而且是在南海恶劣海况下进行安装作业，因此，其安装设计就显得尤为重要。荔湾3－1气田中心平台超大型导管架和组块浮托法安装设计工作见表1、2。

由于荔湾3－1气田中心平台安装设计中部分做法是业界首次尝试，在自主设计过程中无章可循，即使经过大量的数值分析，仍然存在一些潜在的风险点：①导管架下水轨迹是否与设计出入太大；导管架在下水过程中的受力过大是否使驳船无法接受。②世界上第一套深水浮托系泊系统的强度是否可靠。③长距离组块拖航运输是否安全。④荔湾3－1气田中心平台组块是现今为止导管架上承载最重的组块，导管架腿受力分配不平衡，单腿垂直受力过大，是否使结构无法承受；对接缓冲装置（LMU）和组块支撑单元（DSU）的水平和垂直刚度等设计参数选择是否合理。

表1 荔湾3－1气田中心平台超大型导管架安装设计工作

表2 荔湾3－1气田中心平台超大型组块浮托法安装设计工作

在基本设计阶段，需要进行荔湾3－1气田中心平台导管架和平台组块安装的数值分析，以确保在平台安装过程中，驳船、导管架和平台组块的整体安全。考虑到平台导管架和组块均为超大型结构物，在安装过程中存在诸多的风险点，进行海洋工程水池模型试验，以验证安装数值模拟结果的可靠性。针对由于尺度效应造成的模型试验与基本设计阶段数值分析结果不一致的情况，探索差异产生的原因，并进行模型尺度的数值分析，即对试验所采用的模型进行1∶1建模并进行数值分析以保证设计的可靠性。

2 模型试验研究

本次水池模型试验是在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行，模型缩尺比为1∶50。制作与模拟的模型包括：不锈钢制下水导管架模型1只，钢制浮托用导管架模型1只，木制驳船模型（包括摇臂）1艘，导管架平台的上部组块模型1套，截断水深的系泊系统模型2套，组块支撑及连接机构（对接缓冲装置8只，组块支撑单元10只）模型1套，护舷（横向护舷2只，纵向护舷2只）模型1套。试验所用的海洋工程水池有大面积可升降假底，可在0～5 m水深范围内任意调节。水深的模拟通过调节可升降的假底来实现。在浮托安装试验中，考虑到流速的模拟和锚泊系统布置问题，采用截断水深来进行系泊系统模拟。

根据船舶或海洋结构物在水中运动时的相似法则[3]，保持实体与模型之间的傅汝德数和斯托哈数相等，而通常忽略粘性的影响，即满足两者的重力相似和惯性相似，因此

式中：V、L、T分别为速度、特征线尺度、主要周期；下标m、s分别表示模型和实体。根据上述相似法则制作模型并处理采集到的试验数据。

本次平台安装设计中的关键风险点包括导管架滑移下水、浮托安装系泊系统、组块浮托对接和平台组块拖航运动。

2.1 导管架滑移下水

在驳船尾部加装助推装置，在静水状态下进行下水试验。首先在滑轨上涂润滑油，将导管架固定在正确的位置，解除导管架的固定绳索，准备就绪后打开助推装置，给导管架初始力，导管架开始滑动直至摇臂反转，导管架入水后根据自身浮力调整到平浮状态，整个下水试验结束。下水试验共2次，主要测试的内容包括导管架的6个自由度运动和2个摇臂在下水整个过程中提供的反力。

利用数值分析和模型试验等方法对导管架滑移下水过程中关键参数进行了分析，结果列于表3。从表3可以看出，模型试验与基本设计数值分析结果相差较大，主要体现在摇臂反力和滑移时间上。不同尺度对导管架下水滑移时间和受力影响较大，这是由于实体与模型的雷诺数不一致而导致导管架在滑移下水过程中的粘性力不同所致，但模型试验与模型尺度数值分析结果较为接近，这在一定程度上验证了滑移下水模型尺度数值分析的可靠性。因此，有必要对导管架滑移下水过程进行模型尺度的数值分析，规避因尺度因素造成导管架滑移下水过程中的粘性力的差异。

表3 荔湾3－1气田中心平台导管架滑移下水过程中关键参数分析结果

2.2 浮托安装系泊系统

当驳船到达导管架所在海域附近时，需要等待合适的环境条件，驳船在等待期间需布置定位系泊系统。系泊系统要具备抵御一定环境条件的能力，设计时考虑风、浪、流同向，可满足作业月份90%以上的可作业概率。荔湾3－1气田中心平台驳船系泊系统模型试验环境条件见表4。不规则波浪作用下的系泊系统模型试验考虑3个浪向（横浪、斜浪和迎浪），试验主要测试的内容包括驳船6个自由度运动和系泊系统每根系泊缆的顶端拉力。荔湾3－1气田中心平台浮托安装系泊系统布置如图1所示，船舯和船艉的左右舷各有2根系泊缆（需要指出的是，随着操作水平的提高，在安装实施阶段可以考虑把船舯的系泊缆调整到船艏，在进船时使用快速脱钩装置快速切换到船舯以方便进船。），便于船艏进入导管架。

表4 荔湾3－1气田中心平台驳船系泊系统模型试验环境条件

图1 荔湾3－1气田中心平台浮托安装系泊系统布置图

采用模型试验与基本设计数值分析2种方法得到的荔湾3－1气田中心平台系泊系统的系泊力列于图2（其中7号缆与8号缆处于最恶劣工况（斜浪）下），可以看出，模型试验得到的最大系泊力比基本设计数值分析得到的结果小约20%。由于数值分析方法能够较好地模拟系泊系统的非线性，但无法模拟粘性的影响（实际系泊力应包括粘性力），为了保证设计的安全，且考虑到由于雷诺数差异而导致模型试验的粘性阻尼比实际更大，通常安装设计中对系泊系统的数值分析时不考虑慢漂粘性阻尼，从而导致数值分析结果偏大。由于数值分析和模型试验结果均在工程可接受范围内，系泊试验与数值分析的差异与预计趋势一致，因此在系泊系统安装设计时可不进行模型尺度数值分析。

图2 荔湾3－1气田中心平台浮托安装数值分析与模型试验得到的系泊缆系泊力对比

2.3 组块浮托对接

当驳船进入到导管架的槽口后，荔湾3－1气田中心平台组块腿刚好落在相应导管架腿的正上方时，开始切割剩余的组块支撑结构，驳船开始增加压载水并随着潮位和压载水的变化平浮下沉，即开始进入了组块的对接阶段。在基本设计数值分析中计算了6个组块荷载转移阶段（5%、50%、80%、90%、95%和100%）的运动和受力。

考虑3个浪向（横浪、斜浪和迎浪），选取3个关键组块荷载转移阶段（5%、80%和100%），共9个试验工况，进行不规则波浪作用下的组块浮托对接试验。荔湾3－1气田中心平台组块浮托对接试验环境条件如表5所示（可满足作业月份50%以上的可作业概率）。组块浮托对接试验主要测试的内容包括驳船的6个自由度运动，上部组块的6个自由度运动，3个对接缓冲装置（LMU）在X、Y、Z方向的受力，4个组块支撑单元（DSU）在Z方向的受力（X、Y方向因为缺乏约束，只受摩擦力作用），系泊系统每根系泊缆的顶端拉力。荔湾3－1气田中心平台组块浮托对接试验LMU和DSU的布置如图3所示，LMU在导管架腿部，按船体两侧各2排共8套来布置，DSU在船体上的支撑框架顶部，按2条滑道各5套来布置。

表5 荔湾3－1气田中心平台组块浮托对接试验环境条件

图3 荔湾3－1气中心平台组块浮托对接试验LMU和DSU布置图

基本设计数值分析与模型试验得到的荔湾3－1气田中心平台LMU对接力的对比见图4，可以看出，模型试验结果小于基本设计数值分析结果，主要原因在于基本设计数值分析中选择的刚体阻尼偏小，各刚体阻尼选取时选择阻尼范围的下限（刚体阻尼取0.01，实际阻尼为0.01～0.2），导致计算结果偏大。根据模型试验与基本设计数值分析结果的全面比较，模型试验的动力皆小于数值分析的结果，均在工程可接受的范围内，可以不进行对接系统的模型尺度数值分析。另外，模型试验结果也验证了LMU、DSU布置方式和刚度参数选取的可靠性。

图4 基本设计数值分析与模型试验得到的荔湾3－1气田中心平台LMU对接力结果对比

2.4 平台组块拖航运动

基本设计阶段平台组块拖航运动分析采用频域和时域等多种方法、多种软件（如 MOSES、SESAM）进行。根据规范要求，对于时间超过72 h的海洋结构物拖航，拖航工况的设计环境条件需要采用10年一遇的月极值（有义波高5.4 m，谱峰周期10.5 s）。保守起见，基本设计阶段选择的谱峰周期范围为7.5～13.5 s。图5是基本设计数值分析得出的荔湾3－1气田中心平台横摇运动幅值随谱峰周期的变化关系曲线 ，可以看出，谱峰周期对拖航运动非常敏感，谱峰周期从13.5 s下降到10.5 s，横摇运动幅值降低42%。另外，波高对横摇角也有影响，当其他条件不变时，波高与横摇角基本呈线性关系。

图5 荔湾3－1气田中心平台组块拖航横摇运动幅值随谱峰周期的变化关系曲线

荔湾3－1气田中心平台组块拖航模型试验选择3个浪向（迎浪、斜浪和横浪）进行，试验波浪对应实尺度的波高为5.4 m，对应的谱峰周期为13.5 s。数值分析与模型试验横摇衰减曲线如图6所示，模型试验横摇周期为15.4 s，数值分析的横摇固有周期为15.5 s，可见利用数值分析方法和模型试验方法得到的横摇固有周期结果相差不大，采用基本设计数值分析、模型试验及模型尺度数值分析3种方法对拖航运动中最大横摇角的分析结果示于表6，可以看出，模型试验结果与基本设计数值分析结果差异较大，而与模型尺度数值分析结果较为接近。模型试验结果与数值分析结果产生差异的原因主要在于，模型试验主要考虑惯性力对船体的影响，即实船和模型的傅汝德数相等，而雷诺数不相等，此时，实船和模型粘性阻尼会有差异，导致运动幅值产生差异；而模型尺度数值分析与模型试验能够保证傅汝德数和雷诺数基本相等，使得模型尺度数值分析结果与模型试验结果较为接近，其存在差异的原因在于模型尺度数值分析与模型试验之间附体横摇阻尼的不同。通过以上的分析可以看出，模型尺度数值分析在一定程度上验证了基本设计数值分析方法的合理性。

图6 基本设计数值分析与模型试验得到的荔湾3－1气田中心平台组块拖航横摇衰减曲线

表6 3种方法对荔湾3－1气田中心平台组块拖航运动中最大横摇角的分析结果

应该指出的是，实际拖航时驳船只是船艏一端受牵引，在恶劣环境下，拖轮接近于驳船的单点，驳船会随着波浪方向绕着拖轮转动，驳船在拖轮操纵下不会处于横浪环境条件，而应该是迎浪环境条件，而拖航运动模型试验时，驳船艏艉左右舷均由缆绳固定，属于强迫运动。为了确保驳船在恶劣环境条件下的航向稳定性，基本设计阶段考虑了2条拖轮拖带海洋石油229，1条主拖，另1条辅助拖航，并增加了风浪流监测系统和运动监测系统。由于工期紧张，本项目组块拖航强度按照试验结果得到的运动幅值来进行分析和设计，相对保守。

3 结论及建议

（1）超大型平台的安装设计可能存在风险，需要用模型试验进行验证，而对于基本设计结果与模型试验结果之间由于尺度因素造成的差异，需要进行模型尺度的数值分析。该技术流程或方法对于后续超大型深水平台方案的设计有借鉴意义。

（2）导管架实体与模型的雷诺数相差较大，导管架下水模型试验与设计结果会出现较大的差异，需要采用模型尺度的数值分析方法对模型试验进行验证。

（3）系泊和浮托对接数值分析中刚体阻尼选取相对较小，导致数值分析结果偏大，因此，在后续项目设计中可以考虑适当增大刚体阻尼，在保证安全的前提下使得设计参数选择更加贴近工程实际。

（4）拖航运动模型试验与实际船体雷诺数的差异引起的粘性阻尼的差异，使得横摇运动较难模拟，且模型试验与数值分析结果差异较大；本次荔湾3－1气田中心平台安装设计直接使用保守的模型试验结果，不建议后续项目采用；建议安装时增加波浪监测系统以及船体运动监测系统，并结合数值分析方法，修正海洋石油229的粘性阻尼，便于后续项目使用。

[1] 周晓红，郝蕴，衣华磊.荔湾3－1深水气田开发中心平台工艺设计若干问题研究[J].中国海上油气，2011，23（5）：340－343.

[2] 范模，李达，马巍巍，等.南海超大型组块浮托安装总体设计与关键技术[J].中国海上油气，2011，23（4）：267－270.

[3] 杨建民，肖龙飞，盛振邦.海洋工程水动力学实验研究[M].上海：上海交通大学出版社.2008：31－104.

Experiment research on the installation of super platform：a case study of Liwan3－1 gas field′s CEP platform

Li Da Yi Cong Bai Xueping
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

Taking Liwan3－1 gas field′s CEP Platform as an example，key risk points are analyzed during platform′s jacket and topsides installation design and execution.For the risk points，the model test method is used to validate the design results.For the difference between basic design results and model test results caused by scale effect，numerical analysis for model is carried out to ensure the reliability of the design results.The technical flow for super platform′s installation design is given and will be useful for future similar project.

super platform；installation design；model test；numerical analysis for model；Liwan3－1 gas field

＊中国海洋石油总公司“荔湾3－1深水天然气开发基本设计项目”部分研究成果。

李达，男，工程师，2005年毕业于天津大学，现从事海洋工程浮体及大型海洋结构物安装总体设计工作。E－mail：lida＠cnooc.com.cn。

2011－10－21改回日期：2011－12－28

（编辑：夏立军）