浮托法工程应用现状及发展趋势

伦灿章

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

浮托法工程应用现状及发展趋势

伦灿章

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

结合国内外海上油气资源开发项目的历史与现状，以全新的角度对浮托法进行系统的分类，阐述了浮动式浮托、动力定位浮托、双船浮托和悬臂梁浮托等新式浮托法的基本特点，分析了各类浮托法的优劣势，对浮托安装技术应用前景和未来的发展方向进行了展望。

浮托法；上部模块；动力定位浮托；悬臂梁浮托

与传统的吊装法相比，浮托法摆脱了对起重船起重能力的依赖，可对超大、超重的上部模块进行海上整体安装。由于运输和安装作业都使用同一艘船舶，浮托法可以减少上部模块安装的工作界面，节省海上作业的时间。20世纪70年代浮托法首次被引入到石油和天然气行业，用于遮蔽水域的重力式平台上部模块的安装。直至1981年，首个在开阔水域的浮托安装在喀麦隆Ekoundou油田成功实施。而我国则最早于2002年和2003年在渤海赵东油田成功实施了2座海洋平台上部模块的浮托安装[1]。截至今天，浮托安装技术在我国的应用已经逐渐成熟，安装重量从最初的6 000 t提高到3.1万t，作业水域从渤海拓展至南海开阔水域，安装船也从常规的甲板驳船发展到带动力定位系统的半潜船。

1 工程应用现状

1.1 固定式浮托与浮动式浮托

根据下部结构的固定形式，浮托法可分为固定式浮托和浮动式浮托。固定式浮托是指下部结构为固定于海底的如导管架之类的结构物，安装时调节安装船的吃水使上部模块的重量从船上转移到下部结构物上，从而实现上部模块的安装，见图1。浮动式浮托是指下部结构为浮式结构物，在安装前先加压载水使其下潜至一定深度，仅剩几米的支腿露出水面，安装船驶入完成定位后，下部结构逐步排出压载水上浮将上部模块从安装船甲板顶起，达到安全距离后，安装船驶出完成安装，见图2。固定式浮托是目前最为常见的一种浮托安装方式，多用于导管架平台上部模块的安装。浮动式浮托早期多用于安装遮蔽水域和近海的重力式平台上部模块[2]。直到1993年，浮动式浮托才首次应用于安装TLP平台的上部模块，重量达24 000 t[3]。到2006年，这种浮动式浮托已逐渐应用于半潜式平台及Spar平台上[4-5]。

与固定式浮托相比，由于下部结构是浮体，浮动式浮托多数都可以选择在遮蔽水域和近海等环境条件较好的地方实施。在对接阶段，由于下部结构的水线面可以起到类似弹簧的作用吸收冲击载荷，从而降低了载荷转移和分离退船的作业难度，并简化了LMU(leg mating unit)和DSU(deck support unit)的设计工作。另外，与安装船相比，下部结构相对较小的水线面积也显著降低了对接-分离阶段对压载能力的要求[6]。由此可见，浮动式浮托的作业风险和技术难度都比固定式浮托低。

1.2 系泊定位浮托与动力定位浮托

浮托安装过程中，上部模块需要精确地对准下部结构的接收装置，因此安装船的定位非常重要[7]，关系到整个安装作业的安全性和可靠性。根据安装船的定位方式，浮托法可分为系泊定位浮托和动力定位浮托。

对于系泊定位浮托(见图3)，系泊系统的设计需要确定系泊缆的数量、尺寸、预张力，计算安装船的定位能力，同时还需避开作业水域的海底管线，防止管线与系泊缆碰撞损坏。因此，系泊系统设计是整个浮托安装设计中的一个重要环节。系泊系统还需具备适应一定环境条件的能力，能将安装船在安装过程中的运动幅值限制在一定范围内，并且不会发生破断[8]。在等待安装阶段，安装船需在指定地点等待合适的气象窗口，并利用系泊系统抵抗可能面临的环境载荷。而在进船、载荷转移和退船过程中，系泊系统则主要用于控制安装船与下部结构间的横向与纵向相对位置。

系泊定位浮托需要进行系泊定位以及辅助拖轮牵引，安装船的甲板上布满了用于系泊定位的设备和结构，而制造、安装和使用这些设备和结构将耗费大量的费用和准备时间，且安装时需要动用大型的浮吊及专业人员配合[9]。此外，系泊系统受水深影响较大，在深海水域随着水深的增大，系泊定位浮托的难度和成本将大幅增加。

动力定位浮托以带动力定位系统的半潜船作为安装船，利用半潜船的推进器及其控制系统，实现安装过程中船舶的定位、艏向控制和航迹控制能力，确保安装船、上部模块和下部结构的安全。世界上首例动力定位浮托安装是2003年7月由“泰安口”轮在泰国湾水域安装的近9 000 t重的Bunga Raya A上部模块，见图4。而我国直到2014年5月才由“海洋石油278”轮在南海成功实施了国内首例的动力定位浮托安装。

与系泊定位浮托相比，由于不需要连接系泊缆以及前期的准备工作，动力定位浮托所需的安装时间更短，从进船到退船可在3 h内完成，不但能有效地降低安装费用，还能相应地降低作业风险。而且安装船自身也不需要增加相关的系泊设备，节省的时间和费用也相当可观。动力定位浮托安装的另一个重要优势是，半潜船相对较高的航速而言，可有效减少海上运输时间，从而使遭遇恶劣海况并对安全构成威胁的可能性显著降低。因此，半潜船运输的海事货物所交的保险费要比系泊定位浮托的拖航运输少得多，最多可节省达80%[10]。综上所述，动力定位浮托的优势可总结为以下几点。

1)不需要预埋锚点和连接系泊缆。

2)更少的暴露时间，更灵活的时间窗口。

3)更短的安装时间。

4)更少的海上工作界面。

5)更低的海上运输风险。

6)不受作业海域的水深限制。

7)不受前期的海底管线影响。

1.3 T型驳船浮托、双船浮托和悬臂梁浮托

上部模块安装时，下部结构一般需要开槽以便安装船驶入。此槽口的存在对下部结构以及上部模块的设计产生了一些负面影响。这些负面影响是当前浮托法与吊装法相比的最大劣势[11]。为消除这些负面影响，减少下部结构的开槽宽度甚至避免开槽，目前业内主要有3种解决方法，分别是T型驳船浮托、双船浮托和悬臂梁浮托。

为了减少下部结构开槽宽度，有时不得不对安装船进行削窄处理，同时为了保证运输过程中的稳性，增加船体的储备浮力，通常又将未削窄的部分加宽，形成所谓的T型驳船[12]。经上述改造后，T型驳船的浮托安装(见图5)能力可达到25 000 t以上。一般来说，下部结构开槽方向是朝向主要涌浪方向的，使安装船处于迎浪状态，减少横向运动。而T型驳船在迎浪方向的投影面积比普通驳船大，导致了更大的波浪载荷和纵向运动，部分抵消了迎浪开槽的优势。另外，与普通驳船相比，T型驳船的阻力也显著增大，拖航时需要额外增加拖轮马力或降低拖航速度。

对于难以开槽的SPAR平台以及槽口较小的导管架平台，其上部模块的安装无法通过常规浮托法实施，因此Technip公司在2006年首次提出双船浮托法，见图6。此方法将上部模块装载至两艘并排布置的驳船上，再对其进行绑扎加固形成一个整体，然后由拖轮拖带至指定海域进行安装。双船浮托可以避免下部结构的开槽，使其结构设计具有更大的自由。但由于上部模块由两个浮体支撑，其本身作为两浮体的连接体，承受运输过程中两浮体运动不同步而产生的动态扭转载荷，增加了上部模块的结构设计的难度。双船浮托只能短途或在遮蔽水域运输。对此，通常先用单船运输至安装海域附近，再将上部模块转移至另外两艘驳船上。而更快捷的办法是将双船以及上部模块装载至半潜船上，运输至指定海域后半潜卸下再进行安装。

悬臂梁浮托是常规浮托法的一种变形，其显著特点是安装船甲板上的悬臂梁式的桁架系统。利用此悬臂梁式桁架，安装船可以在下部结构不开槽的情况下完成上部模块的对接安装。按照悬臂梁的布置方式，可将该浮托法分为纵向和横向两种安装方式。纵向安装时悬臂梁沿船长方向布置在船艏或船艉，而横向安装时则为沿船宽方向布置在甲板上。海上运输过程中，为了减小悬臂梁桁架系统的弯矩以及方便绑扎固定，两种方式都需将上部模块置于悬臂梁的甲板端，到达指定安装地点后再将上部模块滑移至悬臂梁末端进行安装。安装时，纵向方式对船体产生了额外的总纵弯矩，对安装船的总纵强度要求较高，因此纵向方式的安装能力普遍比横向方式小。悬臂梁浮托是新颖的上部模块安装方法，安装实例不多，至今国外仅成功实施了3例，而国内则尚无实施案例。其中两例由ICON公司为马来西亚Murphy Oil公司分别于2002年和2003年在南中国海采用纵向方式(见图7)安装了两个600 t左右的上部模块[13]。另外一例是HortonGMC公司为BPZ Energy公司于2012年在秘鲁海域采用横向方式(见图8)安装了重约2 200 t的上部模块[14]。

悬臂梁浮托的优点是可以消除开槽对上部模块和下部结构的影响，应用范围广泛，适用于固定式和移动式平台的安装以及废旧或老龄平台上部模块的拆卸。同时，由于其结构与常规浮托法不同，对安装船的要求不高，普通驳船或旧船改造的半潜船都适用。其缺点首先是浮托能力较小，仅能用于轻型上部模块；其次是对海洋环境条件的要求比较苛刻，作业时间窗口小；最后是需要额外的滑移系统，增加了安装的成本。

2 发展趋势

2.1 动力定位浮托

海洋油气资源的开采不断向深海区域扩张，海洋平台作业水深呈不断增加的趋势，需要面对的海洋环境条件也更加恶劣，传统的系泊定位技术已经难以满足深海浮托安装的发展要求。动力定位浮托具有运输风险低、对接精度高、压载能力强、作业时间短、辅助船舶少，以及不受作业水深限制等技术优势，尤其适用于海况恶劣、系泊困难的深水海域，已越来越受业内的重视。表1为近年新造及在建半潜船。由表1可见，近年新造及在建的半潜船都配备了动力定位系统，同时船东也都将动力定位浮托能力作为其主要技术竞争力。可以预见，随着这些半潜船的陆续投入运营，半潜船将取代常规无动力驳船成为浮托安装的首选船舶，动力定位浮托安装也将逐渐成为上部模块海上安装的主流方法。

表1 近年新造及在建半潜船

2.2 低位浮托

浮托法的应用前景十分广阔，但是安装船资源的匮乏成为制约其发展的关键因素。上部模块的安装重量不断增大，重心高度也不断增加，对安装船的稳性要求越来越高，选择范围也越来越小。目前通过降低上部模块的安装高度，可有效降低对船舶稳性的要求，使安装船选型上具有更大的空间。因此，低位浮托安装法应运而生，这是对原有浮托技术的优化和创新。该方法取消了安装船甲板上的支撑框架(DSF)，降低了运输及对接安装作业的重心高度，上部模块对接完成后再采用拉力千斤顶提升至设计高度。低位浮托安装法为大型海洋平台上部模块的安装提供了新的方法，在一定程度上缓解了安装船舶资源匮乏的矛盾。

2.3 应用范围拓展

全球对可再生清洁能源的需求持续增加，海上风能资源开发成为一个高速发展的市场。随着风机不断大型化以及离岸化，起重能力和起重高度的限制以及海况的复杂化使得传统的起重安装船舶已无法满足需求[15]。在这种情况下，国外的学者对浮托法在海上风电基础桩安装方面的应用进行了深入的研究和探讨[16]，为浮托法进入海上风电领域提供了理论依据。此外，浮托法还可应用到海上风电场的高压直流升压站平台的安装中。欧洲BorWin3海上风电场计划于2018年利用浮托法安装3个升压站平台，该项目将成为世界首个应用浮托法安装的海上风电转换项目。

根据有关研究部门预测，到2020年，全球范围内将有大量的海洋平台达到使用寿命年限。同时，由于当前国际油价持续在低位运行，海洋石油行业低迷，市场供过于求，海工装备制造市场不断冷却，而拆卸市场却逐渐火热，并将逐步发展成为一个新兴的工程领域，具有巨大的市场空间。目前老旧平台上部模块多采用分块吊装的方法拆除，但随着大型浮吊资源的日益短缺，利用双船浮托、悬臂梁浮托等方式拆除平台上部模块的优势突显，浮托法在海洋平台的退役弃置方面的应用日渐成为海洋石油工业的一个重要议题。

目前各种适应深海环境的深海浮式平台不断涌现，其上部模块正向大型化和综合化发展，安装难度大大增加。而浮动式浮托具有安装重量大、作业环境条件好、设计难度低等优势，特别适用于深海浮式平台上部模块的安装。但国内目前对于浮动式浮托的应用还处于探索阶段，至今尚未有成功实施的案例。随着这些深海浮式平台的建造逐渐向我国转移，浮动式浮托技术在国内具有较为广阔的应用前景。

2.4 标准化

海上浮托安装作业是个庞大的系统工程，涉及一系列的设备与作业流程。然而目前行业内尚未有明确的技术标准，各个设备供应商采用的设计参数互不相同，设备的可替换性差，难以重复利用，经济性与安全性都有待提高，关键设备(LMU、DSU)的标准化要求非常迫切。同时，海上施工作业的时间成本较高，需对整个浮托安装作业流程进行标准化，使其更加科学、合理，提高施工效率，减少海上作业时间。今后海上浮托安装行业将会朝着系统化、标准化方向发展，并将不断完善行业标准，实现安全、高效的目标。

3 结论

浮托法自首次应用在石油天然气行业至今已有40多年，技术日趋成熟，已成为上部模块安装的可靠方法与主流趋势，这与其作业时间短、安装能力大、成本低、效率高、操作方便等优势密切相关。另外，浮动式浮托、动力定位浮托、双船浮托和悬臂梁浮托等新式的浮托法不断涌现，使浮托法的应用范围进一步拓展，覆盖了固定式、浮动式平台上部模块的安装与拆除以及风电设备的安装等领域。然而，浮托法现阶段在工程应用方面仍存在以下几点有待完善，需要进一步研究探讨：

1)提高作业海况限制条件，扩大作业时间窗口。

2)上部模块自身结构刚度对多体耦合动力响应的影响。

3)多体耦合作用下的载荷与运动分析预报技术。

4)动力定位系统在浮托安装过程中的数值模拟和预报技术。

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Review on the Engineering Application and Future Development of Float-over Methods

LUN Can-zhang

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Combined with the history and current situation of the engineering project of offshore oil and gas exploitation at home and abroad, the float-over methods were classified systematically in a new perspective. The characteristics of new float-over methods such as floating float-over, dynamic positioning float-over, twin barge float-over and cantilever float-over were discussed in detail, the advantages and disadvantages of the various types of float-over and the application prospect were analyzed. The development trend of float-over installation technology was prospected.

float-over; topsides; dynamic positioning float-over; cantilever float-over

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.029

2016-07-15

伦灿章(1982—)，男，硕士，工程师

U674.38；P751

A

1671-7953(2017)02-0124-06

修回日期：2016-09-02

研究方向:重大件海上运输与安装设计