张力腿平台陆地顶升与提升合龙的对比分析

2018-07-03

中国海洋平台 2018年3期

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛，266520)

图1 TLP结构型式示意图

0 引言

张力腿平台(Tension Leg Platform，TLP)是一种典型的深水油气田开发平台，已在海洋油气的开发中得到了越来越广泛的应用，而国内对TLP相关的设计及建造经验不足。本文主要依托海洋石油工程(青岛)有限公司在南海流花区块油田基本设计中对TLP建造上部组块与下浮体整体合龙方法[1]的研究，对比分析顶升合龙和提升合龙等2种整体合龙方法，为TLP、半潜及类似平台的后期建造中的合龙方法提供参考。本文以C-TLP为例进行介绍，其主要由上部组块和下浮体构成，结构型式如图1所示。

顶升合龙法是近几年世界上刚刚兴起的一种新型的合龙技术，其主要用于大型上部组块与下浮体的合龙，主要是通过顶升装置将上部组块顶升至一定高度，然后通过滑移装置将上部组块高空滑移至下浮体的顶部，最后通过滑移装置的同步下降实现上部组块与下浮体的整体合龙。该合龙方法比较经典的实例是马立凯TLP，该TLP在2015年通过此方式成功实现了张力腿平台的陆地整体合龙，如图2所示。

提升合龙法是目前国内外使用较多的一种合龙方法，主要是通过提升塔架将上部组块提升至预定高度后，利用滑移装置将下浮体滑移至上部组块底部，最后通过提升塔架上的拉力千斤顶使上部组块下降，实现张力腿平台上部组块与下浮体的整体合龙方法，如图3所示。目前提升技术在国内外已经较为成熟，国内大多数龙门式起重机的安装均使用塔架提升技术，但目前使用提升合龙法进行张力腿平台、半潜平台等上万吨级结构物的整体提升合龙案例较少，仍需进一步研究。

图2 顶升合龙法示意图图3 提升合龙法示意图

1 顶升合龙方法

1.1 顶升装置

目前世界上大型顶升作业装置的结构型式基本类似，本文以某一专业厂家的顶升装备为例进行介绍。顶升装置的主要特点为：(1)单台顶升装置的顶升能力为5 000 t；(2)多台顶升装置可以通过电脑进行同步控制，实现结构物的同步顶升与下降。顶升装置示意图如图4所示。

图4 顶升装置示意图

1.2 顶升合龙过程

第1步：设计、布置顶升装置及临时连接横梁。(1)在设计阶段，根据上部组块底层甲板的梁格分布、理论重量重心、顶升高度及风速等参数[2]，初步确定使用顶升装置的组数和顶升装置的布置位置；同时，为便于上部组块与顶升装置进行连接，并增大顶升装置与上部组块底层梁格的接触面积，在顶升装置与上部组块之间设计临时连接横梁。(2)使用专业计算软件，核算上部组块的整体强度及变形、顶升横梁的强度及变形情况，根据计算结果对上部组块和临时连接横梁进行局部加强，确认无误后完成临时连接横梁的预制。(3)上部组块建造完成后，根据设计结果布置顶升装置及临时连接横梁。顶升装置布置示意图如图5所示。

图5 顶升装置布置示意图

第2步：上部组块称重并顶升到目标高度。(1)顶升装置调试完毕后，利用顶升装置对上部组块进行初步顶升[3]，完成上部组块的称重工作。根据称重结果，对比分析上部组块的理论重量重心与实际重量重心的差别，确定偏差范围是否可以接受，若实际重量重心与理论值偏差较大，进行进一步的调整后开始进行同步顶升。(2)顶升过程中要不断监测顶升装置的受力情况和现场的各种不确定因素，确保整个顶升过程的顺利完成。在上部组块的顶升高度与目标高度一致后，停止顶升，并利用叉车等工具撤掉上部组块底部的辅助工装。

第3步：使用液压滑靴将下浮体和浮箱分别滑移至上部组块底部，并调整下浮体与上部组块的连接部位；一切就绪后进行下浮体与浮箱的焊接、检验作业。下浮体和浮箱的滑移方式可以采用的种类很多，例如：SPMT小车、滑道块加特氟龙板拖拉以及液压滑靴，无论采用哪种方式，均需要对其与下浮体的接触位置进行局部及整体强度校核，强度不够时需要对下浮体进行局部加强或设计临时辅助框架分散载荷。顶升装置布置示意图如图6所示。

图6 顶升装置布置示意图

第4步：对上部组块与下浮体的连接位置进行测量、分析，确保无误后，利用顶升装置使上部组块缓慢的同步下降，下降过程中要实时进行监控，直到上部组块完全坐落在下浮体上；尺寸测量无误后进行上部组块与下浮体的焊接连接作业，完成上部组块与下浮体的整体合龙。

2 提升合龙方法

2.1 提升装置

目前世界上大型结构物的提升技术已经非常成熟，已广泛应用于大型龙门式起重机的安装、大型桥梁的安装中，主要采用拉力千斤顶加塔架的型式完成提升作业，拉力千斤顶的结构型式如图7所示，其主要特点为：(1)拉力千斤顶的能力范围相对较广，可根据需要进行选择使用，一般在700 t左右；(2)在通常情况下一副塔架配多台拉力千斤顶，一般最少使用4副塔架进行提升作业，多台提升装置可以通过电脑进行同步控制，实现结构物的同步提升与下降。提升装置示意图如图8所示。

图7 提升装置布置示意图

图8 提升装置示意图

2.2 提升合龙过程

第1步：确定提升装置的数量及布置并校核上部组块的整体强度。(1)在设计阶段，根据上部组块的结构型式、理论重量重心位置、提升高度及风速等参数[4]，初步确定使用提升装置的组数和布置。(2)核算上部组块提升过程的整体强度及变形情况，根据计算结果对上部组块进行加强，若加强对上部组块修改量较大，可设计临时提升框架辅助完成提升作业，流花项目feed阶段考虑采用临时框架辅助完成上部组块的提升作业。提升装置布置示意图如图7所示。

第2步：上部组块称重并利用提升装置将其提升到预定高度。(1)上部组块建造完成后利用专业称重设备对其进行称重。根据称重结果，对比分析上部组块的理论重量重心与实际重量重心的差别，确定偏差范围是否可以接受，若实际重量重心与理论值偏差较大，进行进一步的调整后开始进行提升作业。(2)提升过程中通过电脑不断监测提升装置的受力变换，并设专人监测现场的各种不确定因素，确保整个提升过程的顺利完成。在上部组块的顶升高度与目标高度一致后，停止提升，并利用叉车等工具撤掉上部组块底部的辅助工装。上部组块提升示意图如图9所示。

图9 上部组块提升示意图

第3步：使用液压滑靴将下浮体整体滑移至上部组块底部，并调整下浮体与上部组块的连接部位。

第4步：对上部组块与下浮体的连接位置进行测量、分析，确保无误后，利用提升装置使上部组块缓慢地同步下降，下降过程中要实时进行监控，直到上部组块完全坐落在下浮体上；尺寸测量无误后进行上部组块与下浮体的焊接连接作业[5]，完成上部组块与下浮体的整体合龙。

3 对比分析

3.1 对基本设计影响的对比分析

由于提升合龙方式中的提升装置位于上部组块的两侧，其跨度较大，而顶升装置位于组块底部中心对称位置，其跨度相对较小，因此使用提升方式完成TLP的合龙对于基本设计的要求相对较高，对上部组块的整体强度要求高[6]。提升合龙方式与顶升合龙方式均须对顶升点与提升点进行局部强度校核，提升点局部加强的工作量相对较大。综上所述，采用顶升合龙方式对基本设计的影响相对较小，优于提升合龙方式。

3.2 对工期影响的对比分析

提升合龙方式大约需11～13周，其主要包含了提升装置的安装、调试，下浮体的滑移及提升装置的拆除；顶升合龙方式总共需要大约11周，其中包含了顶升设备的布置、调试，下浮体的滑移，下浮体与单独浮箱的焊接、报检以及顶升设备的拆除。因此，从时间上来看两者基本相当。

在顶升装置安装的过程中需要小型叉车进行配合，其安装过程不影响上部组块及下浮体的建造施工，而提升装置安装需要使用大型的履带式起重机进行配合，由于履带式起重机体积相对较大，其安装过程将会影响上部组块及下浮体的建造施工。

综上所述，采用顶升合龙方式对工期的影响较小，略优于提升合龙方式。

3.3 作业风险及难度的对比分析

提升合龙方式是目前比较成熟的一种先进的合龙技术，其应用案例及现场操作经验相对较多[7]，同时，鉴于该技术自身特点，完成流花项目的合龙须将上部组块提升约75 m；而顶升合龙方式是近几年国际上刚刚兴起的一种先进的合龙技术，其应用案例及现场操作经验相对较少，使用该技术完成流花项目的合龙需要将上部组块顶升约60 m。综上所述，采用提升合龙方式的作业风险现对较小，略优于顶升合龙方式。

图10 张紧器平台示意图

3.4 结构完整性的对比分析

下浮体的完整性对比：采用顶升合龙方式，下浮体在缺少1个浮箱的前提下进行滑移，滑移完成后进行下浮体与浮箱的焊接及报检工作，下浮体的完整性较差；采用提升合龙方式，下浮体进行整体滑移，完整性较好。

上部组块的完整性对比：采用顶升合龙方式，上部组块底部的小部分管线及部分张紧器平台与顶升辅助横梁碰撞，需要在合龙后安装；采用提升合龙方式，上部组块底部的大部分管线及整个张紧器平台与提升辅助框架碰撞，需要在合龙后安装。张紧器平台示意图如图10所示。

采用提升合龙方式，吊机立柱与提升塔架碰撞，需要在合龙后安装；采用顶升方式不存在此问题。综上所述，2种合龙方式对于下浮体与上部组块的完整性影响各有优劣。

3.5 对建造难度影响的对比分析

设备安装：顶升装置仅须使用小型叉车提前安装顶升装置底座，大部分装置在顶升过程中使用自动化设备安装，对上部组块的建造影响较小；提升装置所有底座、塔架及拉力千斤顶均须利用大型履带式起重机提前安装，不仅安装工作量大，而且大型履带式起重机对于上部组块的建造影响很大。

辅助工装：顶升装置顶部与上部组块接触的区域需要设计临时辅助顶升横梁，根据流花项目的设计，其数量为4个，尺寸为19.03 m×2 m×4 m(长×宽×高)，总重约640 t，其预制、安装及拆卸的工作量和难度相对较小。受上部组块整体强度的影响，为了减少基本设计阶段修改的工作量，流花项目需要设计临时辅助提升框架，其尺寸为92 m×55 m×15 m(长×宽×高)，重量大约为2 700 t，其预制、安装、拆卸的工作量及难度非常大且拆除周期长。

高空作业：顶升装置的安装与拆卸均在地面完成，没有高空作业；提升装置的安装与拆卸均需要进行高空作业，风险相对较高。

4 结论

本文主要介绍了张力腿平台陆地建造中的整体顶升和整体提升等2种合龙方式，并以流花TLP项目的基本设计成果为例，从设计、工期、风险、难度、结构完整性、对建造的影响等多个方面对比，详细分析了2种整体合龙方式各自的优缺点。陆地整体顶升合龙方法是最近几年国外刚刚兴起的一种专门针对大型TLP及半潜平台等整体合龙的先进技术，目前主要被国外的少数几家专业公司所掌握，国内缺少相应的技术储备。该技术经过多个项目的实际应用，已逐步得到世界范围内广泛的认可和好评，其主要特点为：(1)对基本设计、详细设计的影响较小；(2)建造合龙工期相对较短、结构的完整性高；(3)新兴技术，技术成熟程度较差，风险相对较高。提升合龙方法是国内外相对比较成熟的一种整体合龙技术，目前主要应用于龙门式起重机、大型桥梁及大型海洋平台的安装，其主要特点在于：(1)对基本设计、详细设计的影响相对较大；(2)建造合龙工期相对较长，结构的完整性较高；(3)成熟技术，国内外充分应用，风险较低。总之，2种整体合龙方式均具有其各自的特点，但从技术角度看，整体顶升合龙方式是目前国际上一种新兴技术，比提升合龙方式的适用性更广。

[1] 黄天颖, 窦钧, 孙瑞雪, 等. 张力腿式平台平地整体建造技术研究[J]. 船舶与海洋工程, 2016, 32(02): 69-73.

[2] 杨雄文, 樊洪海. TLP平台结构型式及其总体性能分析[J]. 石油机械, 2008, 36(05): 70-73.

[3] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Tension Leg Platforms: API RP 2T [S]. 2010.

[4] The European Union. Eurocode 1： Actions On Structures: EN1991-1-1[S ].2002.

[5] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design: RP 2A-WSD[S]. 2010.

[6] The European Union. Eurocode 3： Design of Steel Structures: EN1993-3-1[S].2006.

[7] 陈少耿, 黄昭伟. 2种上部建筑模块建造方法的比较[J]. 中国海洋平台, 2002, 17(05): 26-27.