适用于平地建造的海工平台移船下水系统设计

居惠红

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063;2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海200063)

0 引 言

浮式生产储卸油系统(FPSO)、浮式储卸油系统(FPU)、浮式生产系统(FPU)等浮式油田设备通常都是在干船坞内用自下而上进行模块搭载的方式来建造的。而对于浮式的近海油田设施 (如FPSO，FPU)其下部的船体结构在干船坞内用传统的造船方法建造，其上部结构则是在舾装码头用浮吊吊装［1］。

然而这种建造方式受制于船厂紧张的制造流程和船坞时间安排，必须使下部结构和上部结构的建造进度互相匹配才能满足整个项目的进度要求。在这种情况下按照客户的要求对任何一部分的设计进行更改通常是很困难的。考虑到上述因素，有必要开发一种新的建造方法来取代传统的干坞建造方式。

为了缩短建造周期并增加建造过程中适应设计变化的灵活性，在建造FPU 平台工程中采用了平地建造方式。下部的船体和上部的结构同时在平地上建造和装配，完工后将完整的FPU 移上半潜船并完成下水。本文将介绍可应用于平地建造的海工平台移上半潜船完成下水的一套设计方法。

项目基地位于广州南沙新区龙穴岛，系我国华南地区最大的修造船及海工基地。基地岸线长4 500 m，纵深1 300 m，实际规划面积556.5 公顷，整个基地围绕挖入式内港池布置有造船、修船、海洋工程、船舶配套和高新特种船舶等生产区域，基地效果图如图1所示。

图1 中船龙穴造船基地效果图Fig.1 CSSC LONGXUE Shipbuilding Base

1 海工平台平地建造特点

采用平地方式建造海工产品的特点是:1)高空作业地面化，提高了安全性和劳动效率;2)利用Super Lift (超级起重)技术，最大限度地发挥钢丝绳千斤顶的起重能力，制造更大的分段;3)人员进出作业现场更方便，减少了时间损失;4)几个大型分段工位同时作业，缩短了建造周期。采用该建造方法，FPU 平台被分为二大部分建造，即上部的甲板模块和下部的浮体结构(含立柱)。这二部分在平地上串联建造，当这二部分完工后，利用钢丝绳千斤顶技术，重达12 000 t的上部模块被提升到预定高度，然后下部浮体结构滑移到上部模块甲板下预定位置，并将上部模块下降到浮体结构上完成对接［2］。该方式取代了传统建造方法在海上完成甲板模块与下部浮体对接的作业过程，效率更高。

2 总装建造及移船下水系统设计

2.1 平地建造FPU 平台的主尺度、重量等特征数据

FPU 平台长度76 m，宽度76 m。拖航排水量约35 000 t，吃水10.2 m，基线以上总高度110 m(至钻井塔顶部)。上部模块重12 000 t，下部浮体重18 000 t。包括浮体4个，分别为长45.72 m，宽12.8 m，高8.53 m。立柱4个，分别长15.24 m，宽15.24 m，高度为58 m。

2.2 总装建造场地布置

FPU 平台总装建造流程如图2所示。

根据上述总装建造流程，进行场地布局规划。建设场地位于船坞区西侧，面向内港池。出运码头250 m，后方陆域设置滑道，顶高程同地坪标高，为5.2 m (当地理论最低潮面，下同)。滑道长度300 m，在70 m 宽度范围内设置4 根滑道，每根滑道宽度为10 m，滑道中心距20 m。大型组块或平台滑移时在滑道区内设置4 组连续滑靴，宽度2.0 m。

图2 FPU 平台总装建造流程图Fig.2 FPU Platform assembly and erection flow chart

靠出运码头陆域侧前后串联设置2个工位，分别为平台总装工位、下部浮体建造工位。总装区单根滑道设计荷载为800 kPa，浮体建造工位滑道设计荷载为400 kPa。建造场地墩木荷载1 200 kN/个，纵横向间距2.5 m。

上述平面布置适应自重30 000 t 以下，滑靴横向可调间距12～68 m，且滑道荷载不大于800 kPa的产品的建造及下水，涵盖了目前主流的半潜式、自升式平台的建造要求。平地建造方案工艺布置及产品对接方案如图3所示。

图3 平地建造布置方案及产品对接示意图Fig.3 Land Construction Arrangement and Launching General View

考虑提升模块需增设悬臂及结构加强，提升重量按16 000 t 计算，模块两侧均设置6个提升立柱，每个立柱提升能力为2 000 t (立柱顶部设有提升钢丝绳千斤顶)。合拢完成后，加强结构拆除，保持产品下水重量控制在30 000 t。

2.3 选用合适的半潜船

针对平地建造方案，结合FPU 平台主尺度、重量及重心高度，在保证安全的前提下，选用合适的半潜船接运FPU 平台。该船全长224.5 m，船宽63.00 m，型深13.30 m，下潜吃水29.3 m，夏季吃水10.1 m。总吨51 821 t，载重吨76 410 t。主甲板净长178.2 m，净宽63 m，主甲板负荷275 kPa。压载水系统:4 台压载泵，每台压载泵的流量为3 300 m3/h。

2.4 海工平台滑移下水

产品完工下水前，在总装建造区平台浮体下方，铺设水平纵移滑道，单根滑道宽2.0 m，共4 组，铺设至码头前沿，长度约100 m。码头前沿与接运半潜船间设有连接梁，连接梁将码头面上滑道与半潜船上的水平滑道相连，并保持水平。

接运半潜船采用顺岸靠泊码头的装船方式，装船时用若干根缆绳将接运半潜船系泊在码头系船柱上，用绞车将缆绳收紧。

公司所在的珠江水域潮汐为弱潮型，属非正规半日混合潮型，每日出现2 次高潮和2 次低潮。考虑到装船出运持续时间及半潜船调载能力，下水作业选择在低平潮时进行。

平台荷载由建造场地转移到半潜船过程中，不论荷载和潮位如何变化，半潜船始终应为无纵倾正浮状态，半潜船甲板上的滑道顶高程始终与场地上滑道顶高程齐平。因潮汐和出运平台的载荷变化，为了维持半潜船水平状态及平台的稳性，接运半潜船必须具备正确、迅速、精密调整的压、排载能力。

平台移上半潜船前，各种水位情况下，半潜船吃水、排水量和压载水量应提前计算并做好预案。半潜船压载调控设计取决于:平台移动速度、潮位变化速率、半潜船水泵的能力和压载水仓的容积。考虑滑移速度，FPU 半潜式平台滑移作业约需要15 h，行程约100 m。

2.5 半潜船压载控制

2.5.1 半潜船的装载状态

根据选用的半潜船型深、工作吃水变化范围，要求低潮时水位距离码头滑道面不大于8.4 m，高潮时不得小于3.0 m，本工程位置最低潮位0.1 m，实际潮位允许变化范围为0.1 m 至4.2 m。下水前，平台上船重量为0 t，用30 000 t 压载水代替该平台重量，半潜船保持吃水，此时该船载重为36 690 t(另含6 690 t 燃油、淡水等)，排水量64 625.69 t(其中半潜船自重27 935.69 t)。

2.5.2 压载系统平衡潮汐、船舶载荷的合成变化

1)潮汐变化，对吃水和排水量的影响

Impacts on draft and displacement from tides

潮汐变化 Δ d /m Δ P /t T /h涨到平均高潮位2.63 m 1.60 18896.0 6每小时最大涨幅 0.60 7086.0 1落到平均低潮位1.03 m－1.60－18896.0 6每小时最大落幅+表示影响结果使得主甲板面上升－表示影响结果使得主甲板－0.60－7086.0 1面下降

2)半潜船“Blue Marlin”压载水变化，对吃水和排水量的影响

Impacts on draft and displacement from ballast water of Blue Marlin

船舶压载速度13 200 m3/h (=4 台×3 300 m3/h)

Ship ballast speed of 13 200 m3/h (=4 sets ×3 300 m3/h)

船舶压载变化 Δ d /m Δ P /t T /h每小时压载水－1.118－13200.0 1每小时减载水1.118 13200.0 1+表示影响结果使得主甲板面上升－表示影响结果使得主甲板面下降

3)船舶载荷变化，对吃水和排水量的影响

Impacts on draft and displacement from loading

滑装速度按照6 m/h 计算，侧滑约90 m 距离需要15 h

Launching speed of 6 m/h，15 hours for the distance of 90 m

船舶压载变化 Δ d /m Δ P /t T /h 15 小时侧滑载荷变化－2.540－30000.0 15每小时侧滑载荷变化－0.169－2000.0 1+表示影响结果使得主甲板面上升－表示影响结果使得主甲板面下降

4)潮汐变化和船舶载荷变化对吃水和排水量的合成影响

Impacts on draft and displacement from combination of tides and loading

涨潮平均合成影响［潮差为1.60 m =2.63 m－(1.03 m)］

Average impact combination of rise ［Tide Range 1.60 m=2.63 m－(1.03 m)］

涨潮平均合成影响 Δ d /m Δ P /t T /h涨到平均高潮位2.63 m 1.60 18896.0 6 6 小时侧滑载荷变化 －1.014－12000.0 6 6 小时合成影响 0.586 6896.0 6时均涨潮合成影响0.098 1149.33 1+表示影响结果使得主甲板面上升－表示影响结果使得主甲板面下降

最大涨幅0.60 m/h 合成影响

Impact combination of maximum rise 0.60 m/h

最大涨幅0.60 m/h Δ d /m Δ P /t T /h每小时潮汐最大涨幅0.60 7086.0 1每小时侧滑荷载变化－0.169－2000.0 1时最大涨幅合成影响0.431 5086.0 1+表示影响结果使得主甲板面上升－表示影响结果使得主甲板面下降

落潮平均合成影响［潮差为1.60 m =2.63 m－(1.03 m)］

Average impact combination of fall ［Tide Range 1.60 m=2.63 m－(1.03 m)］

涨潮平均合成影响 Δ d /m Δ P /t T /h落到平均低潮位1.03 m－1.60－18896.0 6 6 小时侧滑载荷变化－1.014－12000.0 6 6 小时合成影响 －2.614－30896.0 6时均落潮合成影响－0.436－5149.33 1+ 表示影响结果使得主甲板面上升－表示影响结果使得主甲板面下降

最大落幅0.60 m/h 合成影响

Impact combination of maximum fall 0.60 m/h

最大落幅0.60 m/h Δ d /m Δ P /t T /h每小时潮汐最大落幅－0.600－7086.0 1每小时侧滑荷载变化－0.169－2000.0 1时最大落幅合成影响－0.769－9086.0 1+表示影响结果使得主甲板面上升－表示影响结果使得主甲板面下降

5)船舶压载系统平衡潮汐和载荷变化的合成影响

Impacts combination of loading system and balanced tides

潮汐、荷载、压载 Δ d /m Δ P /t T /h时均涨潮合成影响0.098 1149.33 1时最大涨幅合成影响 0.431 5086.0 1时均落潮合成影响 －0.436－5149.33 1时最大落幅合成影响－0.769－9086.00 1船舶压载水 －1.118－13200.00 1船舶减载水1.118 13200.00 1+表示影响结果使得主甲板面上升－表示影响结果使得主甲板面下降

2.5.3 压载控制

将FPU 移上半潜船的过程中对压载进行控制以便把半潜船的吃水、纵倾、横倾控制在允许的范围内，纵倾允许的范围是±0.25°、横倾允许的范围是±0.2°。

压载分为20步，间距5 m，压载控制必须与FPU的移动速度相适应。将FPU 移上半潜船过程中实际压载状态的监测是通过用吃水指示计和经纬仪测量半潜船的吃水来监控的。

根据计算，半潜船压载系统可以全部平衡潮汐和自重30 000 t的FPU 平台的载荷合成影响，该半潜船接运本项目代表产品下水是安全的。

2.6 移船下水系统设计

2.6.1 滑道支撑结构

平台在场地建造完工后，需利用移船装置将其移上半潜船完成下水，如图4所示为滑道的支撑结构，滑道表面涂有足量润滑，其上带有液压千斤顶，以提供一个常压力在滑道上，避免应力集中。平台被液压千斤顶组成的阵列支撑着，这些千斤顶被分为4 组，与此相应在FPU 平台的移动路线上设有4 组滑轨。这些千斤顶使FPU的重量均匀分布，在FPU的底部结构和滑轨上形成线载荷。考虑重心的变化，线载荷通过千斤顶的负荷计算以确保重量分布的平衡。FPU 移动过程中最大的线载荷是150 t/m。千斤顶起重能力250 t，布置200个，作业所需的起重能力与液压千斤顶的最大起重能力之比控制在70%以下。

“滑道—滑靴”移运方式是超大超重载荷做短距离移运时使用最多的一种方式，结构相对较简单，滑靴的上端支撑承运的载荷即平台，下端是与滑道相匹配的光滑表面，用钢丝绳千斤顶推动承载着载荷的滑靴在滑道上滑行。

图4 滑道支撑结构及移运作业现场Fig.4 Supporting facilities and transformation site

滑靴上的千斤顶的作用一方面是调整载荷分布，以适应地面沉降和平台底部的变形，特别是利用千斤顶冲程的变化来适应平台滑移过程中由于半潜船压载调整不及时而引起的船上和岸上滑道面高度不一致所导致的载荷分布变化。滑靴上千斤顶的另一个作用是可以大大提高换墩作业的效率，因为产品在建造时通常是支撑在墩木上的，滑移之前必须先把结构的重量从墩木转移到滑靴/滑道上，如果按照常规先用垫木把滑靴与船体楔紧，再把原来支撑船体的墩木逐个卸载移走的方法来转移载荷，将会非常烦琐耗时。使用带有千斤顶的滑靴(SKIDSHOE with hydraulic jack)就可以通过千斤顶的顶升直接将载荷转移到滑靴/滑道上，大大提高工作效率［3］。

2.6.2 牵引系统

移船下水所需的牵引力随着摩擦力的增加而线性增加。将平台移上半潜船时，如果取摩擦系数为10%，那么所需的牵引力为3 000 t。根据以前移船下水的经验，牵引系统采用钢丝绳千斤顶，使用8个钢丝绳千斤顶，每个牵引力480 t，这些钢丝绳千斤顶安装在支撑平台船体的千斤顶阵列的末端。在半潜船的甲板远离码头的一侧焊接了一套锚具，牵引用的钢丝绳一端连在锚具上，另一端连接在钢丝绳千斤顶上。启动钢丝绳千斤顶就可以使平台开始滑移。

牵引速度一般为5～12 m/h。一般钢丝绳千斤顶设定的牵引力不到其安全负载能力的85%，这样可以留出余量来应付意外增加的摩擦力。岸壁与半潜船间的连接梁、岸壁上的钢碰垫、以及滑移轨道等将要承受牵引力作用的构件在设计时应考虑牵引力的总量。

将平台从建造场地移动到半潜船的装载位置，滑道支撑结构必须以水平方式安装钢丝绳千斤顶。如图5所示。

图5 水平方式安装的钢丝绳千斤顶Fig.5 Wire Rope and Jack horizontal installed

2.6.3 半潜船与岸壁间连接系统

岸上和半潜船上的滑道通过4个刚性连接梁互相联结，当平台经过时，连接梁把平台作用在滑道上所产生的线载荷传递到码头岸壁和半潜船上。由于码头岸壁是固定的而半潜船则可能受波浪、潮汐等环境力的作用而产生移动，因此连接梁与岸壁和半潜船间的连接应采用活动铰链的形式。

2.6.4 钢碰垫设计

为了承受由移船牵引力引起的半潜船与码头岸壁间的挤压力，在岸壁与半潜船间安装了4个钢碰垫，碰垫用来吸收由于平台拖曳滑移而引起的挤压力。

钢碰垫与船壳的接触面应尽可能的光滑，把摩擦力减到最小。在平台滑移过程中，千斤顶里的压力一点点释放，碰垫的摩擦力可能会造成一个突然的不可预料的船舶横倾变化。千斤顶的压力产生的摩擦力造成船舶被吸到碰垫上，当压力消失时，船舶又滑离碰垫。

根据对岸壁稳定性的分析结果，每个钢碰垫所需的靠泊面积为5 m ×6 m。半潜船的尾板经过检查，以确认具有足够的强度来承受由移船拖曳而引起的挤压力。钢碰垫的设计使其不仅能承受由移船拖曳而引起的挤压力而且还能承受20%的半潜船横向移动力。

2.6.5 系泊系统

在将FPU 移上半潜船时，用于系泊半潜船的系泊缆绳的设计应使其可以在10年一遇的环境条件下(风速20 m/s，波浪0.5 m，水流0.6 m/s，潮汐1.5 m)保持半潜船的位置。由于受风面积较大，最大的系泊力达240 t。在滑移过程中由移船拖曳引起的半潜船向岸壁的挤压力可以大大减轻系泊缆绳的负荷，对于系泊系统的设计来说，最严峻的情况出现在FPU 移上半潜船之后，这时所有负荷都要靠系泊缆绳来承担。

根据极端情况来准备应急系泊预案以应付意外出现的风况，在这种意外情况下连接梁将被系紧，起到系缆的作用，另外还需要增加额外的系泊缆绳。

2.6.6 监测系统

影响移船下水作业的主要因素在移船过程中应进行持续的监控。把这些监控的数据与估算的数据进行对比验证，使他们保持在可控的范围内。需要监控的主要项目包括:平台船体变形水平、地面沉降、FPU的移动速度、液压千斤顶的压力和冲程、牵引千斤顶的载荷、半潜船的吃水和定位等。

3 结 语

对自重30 000 t 半潜式平台整体建造及进行移船下水作业是一个挑战性的举措，并已被证明可以成功。在将FPU 移上半潜船的各个阶段持续不断的监控、精确的载荷分布计划、精确的压载控制、正确的系泊布置是保证项目成功的关键。

采用平地建造方式和利用半潜船进行下水可以克服传统的干坞建造方式在船坞容量、时间安排、成本以及对设计变化的适应性等方面的各种限制，是一种有效的海工产品建造方式。

采用这种建造方式可以使主要的试车工作能在地面完成。这样与传统的建造方式相比，这种新的平地建造方式能提供更加便利的工作环境，如方便得到各种机械设备的配合、人员材料进出更方便、可以多项工作同时展开等。

本文介绍的方法可应用于在平地建造的各类大型海工产品、重大件等的下水作业，不同于传统干坞建造方式，可广泛适用于建造FPU、FSO、FPSO、海上钻井设施、自升式平台等近、远海油田设施。这种平地建造及下水方法也可以用于常规船舶的建造，以减少总装时间以及增加干船坞的效率。

［1］马延德.深水半潜式平台概要建造方案［J］.中国造船，2008，49(增刊2):159－167.

［2］CHO K R，KIM Y S.and FERN.D.T.(2001)，'11000t deck super－lift for RBS－8M drilling semi－submersible'.Proceedings of the Institution of Civil Engineers.England:Thomas Telford:203－216.

［3］YANG T Y，PARK B N，HA S S.Development of load-out design methodology and numerical strength evaluation for onground－build floating storage and offloading system'.Ocean Engineering.Vol.32.New York:Elsevier:986－1014.