浮托船舶在东海海域组块安装的应用分析

易 丛，李 达，白雪平，刘在科，刘 明

(中海油研究总院，北京 100027)

0 引 言

浮托法，是指利用安装船舶载运海上平台上部组块进入导管架槽口，依靠潮位、船舶调载与升降机构等方式，实施平台上部组块重量的转移，完成组块与导管架对接的安装技术。浮托安装技术是海洋平台组块安装的广泛采用的安装方式之一。世界上第1个浮托安装由1983年PHILIPS MAUREEN 项目进行，该项目将18 600 t的生产平台上部组块安装成功。国内第1个浮托安装由中海油在2005年实施成功，该项目将7 200 t的渤海南堡35-2油田中心平台整体安装到导管架上[1 – 4]。经过10余年的技术发展，国内越来越多的组块采用浮托安装法安装。它具有起重能力大，组块陆地完整性程度高，海上施工周期短，适用范围广，操作安全等特点。从海域的应用上看，首先在中国的渤海开展浮托安装，2013年又在南海荔湾3-1气田完成26 000 t组块的浮托安装，实现了国内浮托安装技术从渤海拓展到南海和从浅水拓展到深水。由于东海海况相对于南海海况更加恶劣等因素，大型组块浮托安装尚未在东海海域实现。浮托法分为普通浮托（系泊定位）和DP浮托2种方式。本文参考西非、北海等海域浮托安装案例，对东海海域的环境特点进行分析；对普通浮托和DP浮托这2种浮托方式的优劣、对应浮托船舶及其对东海海域浮托安装的适应性进行分析论证。

1 环境条件分析

热带气旋其按照强度不同划分为不同的等级：热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风。对经东海某油田300 nm范围内的热带气旋数量统计，年平均台风个数为5.4个。7～9月每个月平均1～2个台风，4～6月每个月平均台风数量小于1，因此4～6月更适合进行浮托安装。对东海台风中心路径进入东海作业区区域内的持续时间进行统计，平均台风影响时间为 42 h（最长为 270 h，最短为 6 h）。

由于浮托作业环境条件的波高通常取在2 m波高以内，因此在0～2 m HS范围内，通过选取渤海，南海及东海海域3个海域的典型油田的波浪散布图（包含涌浪），分析东海海域环境条件的特点。对比3个海域的波浪散布数据发现，渤海海域某油田，2 m波高范围内最大周期TS为8 s，波高小于1 m的概率为89%。南海海域某油田，2 m波高范围内最大周期TS为8 s，波高小于1 m的概率为43%。而东海海域某油田2 m波高范围内TS最大可达18.3 s。东海由于涌浪较多，导致小波高下波浪周期变化范围较大，是其他海域波浪周期变化范围的2.3倍。小波高也相对较少，波高小于1 m的概率只有13%。国内相关文献[5 – 8]也表明中国3个海域（渤海、南海和东海海域）的波浪能量分布，东海浪高较大，存在明显涌浪，不利于海上浮托安装。如图1所示，中国四大海域中，其他海域月作业概率均有大于50%的月份，而东海环境条件最差，浮托作业概率最低，全年的月作业概率均低于50%作业概率。

表1 渤海、南海及东海波浪要素比较Tab. 1 Wave comparation of Bohai bay/South China sea/ East sea

图1 浮托作业概率Fig. 1 Floatover operational probability

2 浮托船舶选取

普通浮托方法指采用普通驳船进行浮托安装，采用系泊系统进行船舶定位的浮托安装方法，对应的国内的安装船舶有HYSY221，HYSY228，HYSY229等。通常采用MOSES等时域分析软件进行浮托分析。

DP浮托，又叫动力定位浮托，指浮托时采用电脑控制自动保持船舶位置与首向角的先进定位系统。DP浮托方法的优势为施工流程和施工前的准备简单，浮托作业时间段，作业效率较高，更低的海上运输时间和风险，不受作业海域水深限制和海底管线影响。对应的国内安装船舶有HYSY278，“康盛口”等。除了采用MOSES等时域分析软件进行浮托分析之外，还需要采用动力定位系统控位能力模拟技术等手段进行DP浮托分析。世界首例动力定位浮托安装项目为2003年7月“泰安口”在泰国湾水域安装的近9 000 t重的BUNGA RAYA A上部模块，国内首例动力定位浮托安装项目为2014年5月由海洋石油278在南海成功实施的HZ25-8中心平台项目。动力定位船舶浮托安装操作中，省去系泊系统的布置和连接，且其费用不会随着水深的增加而增加。动力定位船舶具有自航能力，节约船天数，并且航行安全性更高，且在浮托安装过程中无需拖轮协助，节省了船舶费用。动力定位船舶在浮托安装过程中压载能力强，精准对接能力强，可使常规浮托安装所需的6 h降低为3 h，甚至更短的时间内完成作业，安装作业安全性高，所需安装气候窗更易满足，在南中国海恶劣环境条件下进行浮托作业显得尤其重要。

本文主要针对海洋石油228/229/278进行浮托分析，其主尺度参数如表2所示。

表2 浮托船舶Tab. 2 Floatover barge information

图2 浮托驳船Fig. 2 Floatover barge

3 浮托分析案例

考虑浮托组块重量为15 000 t，重心高度相对海图水深 31.81 m，计算所用导管架刚度为 10 000～20 000 t之间。由于波浪大周期会产生更大的船舶运动和碰撞力，统计8 s以上波浪的4～9月不同方向的分布概率，SE方向来的大周期概率最大，故平台北方向及迎浪方向考虑为SE方向。

本文基于HYSY278/229/228进行东海浮托可行性分析。经调研分析确定浮托可行的标准为：LMU插尖的垂向运动幅值不大于0.8 m，水平运动幅值不大于0.8 m，碰撞力大小符合船体及导管架强度设计能力，以及满足浮托船舶定位能力要求。基于278/229/228的运动性能，东海环境条件，高位浮托及浮托作业可实施性，从低到高给出多组浮托环境条件；搜索能够满足浮托可行标准的最大浮托环境条件。

3.1 浮托频域分析

分别建立HYSY228/229/278的船舶模型，采用MOSES软件进行频域RAO计算，比较3艘浮托船舶的运动性能。

HYSY278的组块拖航布置如图3所示，组块B轴距离船尾86.8 m。采用MOSES软件计算得到驳船重心垂荡及LMU碰撞点处各自由度RAO。计算表明，HYSY278 5–10 s横浪下横摇和纵摇 RAO 分别达到0.14 °和 0.06 °， LMU 处垂荡耦合了运动中心处横摇、纵摇、垂荡3个方向运动，所以具有更大的运动幅值，LMU处垂荡RAO幅值从运动中心处的1.1 m增加到1.7 m。 HYSY229的组块拖航布置图如图4所示，组块B轴距离船尾117 m。计算表明， HYSY229 5–10 s 横浪下横摇和纵摇 RAO 分别达到 1 °和 0.16 °，LMU处垂荡耦合了运动中心处横摇、纵摇、垂荡3个方向运动，所以具有更大的运动幅值，垂荡RAO幅值从1.1 m增加到2.7 m。HYSY228的组块拖航布置图如图5所示，组块B轴距离船尾104 m。计算表明，HYSY228 5–10 s横浪下横摇和纵摇 RAO 分别达到1.11 °和0.12 °，LMU处垂荡耦合了运动中心处横摇、纵摇、垂荡3个方向运动，垂荡RAO幅值从1.1 m增加到 3.4 m。

图3 HYSY278 拖航布置图Fig. 3 HYSY278 towing arrangement

图4 HYSY228 拖航布置图Fig. 4 HYSY228 towing arrangement

图5 HYSY229 拖航布置图Fig. 5 HYSY229 towing arrangement

如图6所示，HYSY278/229/228 3条船的运动中心处的垂荡RAO接近，在5–10 s范围内，HYSY229由于尺度较大，垂荡幅值最小，HYSY278和HYSY 228垂荡RAO接近。 如图7所示，LMU碰撞点处，由于HYSY 229/228为T型驳，组块偏向船宽较窄的船首布置，而不是在船舶中心处布置，且横摇纵摇较大，组块LMU处耦合纵摇及横摇因素，垂荡RAO幅值比HYSY 278大，从而导致HYSY 278可适应的浮托环境条件较其他两船更高。大周期环境条件下，HYSY 278的浮托性能比HYSY 228/229更好。

图6 HYSY278/229/228 的运动中心处垂荡 RAO 对比Fig. 6 COG Heave RAO of HYSY278/229/228

3.2 浮托时域分析

在浮托频域分析的基础上，对HYSY278/229/228开展时域计算，分别针对3条浮托驳船进行建模分析[9 – 10]，并对频域结果进行验证。

参考以往项目给出多组环境条件，根据统一的浮托判断标准以及278动力定位能力，反推计算得出HYSY278在东海海域的浮托安装环境条件如表4所示。和表3中的HZ25-8项目相比，环境条件有所提高。

HYSY278进退船分析采用时域耦合分析软件DPTIMED，计算得出进船时船尾处运动为–3.53 m，进船导向形式需特殊设计以满足进船要求；护舷碰撞力达到830 t，接近护舷的设计极限。在该环境条件下的浮托安装，需更换横荡护舷改善船侧受力性能，并增加护舷冲程。采用MOSES进行对接分析，计算得出在表4中所述环境条件下，对接时LMU最大水平运动幅值为0.45 m，垂向上最大运动为0.75 m。因此，进船插尖需特殊定制，LMU高度增加为0.7 m，捕捉半径增加为0.7 m。当环境条件更大时，LMU插尖运动幅值及碰撞力太大，技术方案不可行。

根据统一的浮托判断标准以及HYSY229强度情况，采用浮托可行判断准则，反推得出HYSY229在东海海域的浮托安装环境条件如表5所示。和荔湾3-1项目相比，环境条件有所提高。 HYSY229虽然主尺度比HYSY278大，但是由于组块不是放在船体中心位置，导致其横摇较大，在同样的环境条件下，LMU碰撞点处运动更大，不利于浮托。其适应的最大的浮托环境条件小于HYSY278。采用MOSES软件进行浮托进退船工况的计算，环境条件增加后（见表5），垂向最大运动幅值增加为0.75 m，单腿碰撞力最大为851 t。为满足增加的环境条件的要求，HYSY229需重新购置船侧护舷，考虑新购部分系泊设备及将原有系泊设备移回HYSY229的部分费用。进船插尖需特殊定制，LMU高度增加为0.7 m，捕捉半径增加为0.7 m。

表4 东海浮托安装环境条件-HYSY278Tab. 4 Floatover environment of HYSY278 in East sea

HYSY228是比HYSY229尺度更小的T型驳船，不具备DP能力，抵御环境条件的能力更差。HYSY228其船宽为36 m，要求导管架槽口宽40 m。通过环境条件搜索，反推得出其适应的作业条件如表6所示，比HYSY228以往应用的浮托环境条件有所提高，小于HYSY278及HYSY229的浮托环境条件。

图8 HYSY278 浮托船舶预进船布置示意图Fig. 8 Entry arrangement of HYSY278

图9 HYSY278 LMU 及 DSU 分布图Fig. 9 LMU&DSU arrangement of HYSY278

表5 HYSY229船浮托作业环境条件要求Tab. 5 Floatover environment of HYSY229 in East sea

表6 HYSY228东海浮托环境条件Tab. 6 Floatover environment of HYSY228 in East sea

HYSY228在通常渤海浮托环境条件下，LMU处水平方向最大运动幅值为0.13 m，垂向最大运动幅值为0.11 m。环境条件增加后，水平方向最大运动幅值为0.44 m，垂向最大运动幅值为0.73 m，单腿碰撞力最大为905 t。采用提高后的浮托环境条件后，为了满足海上定位及碰撞力的要求，HYSY228的护舷和系泊系统需重新设计购置，HYSY 228原有护舷碰撞量程太小，需采用量程更大的护舷。系泊系统采用8根缆，并增购部分锚机和系泊缆。进船插尖需特殊定制，LMU高度增加为0.7 m，捕捉半径增加为0.7 m。

4 浮托作业率

根据HYSY278船浮托作业环境条件要求及平台方位，采用2/1.25/0.75 m环境条件后，浮托作业概率提高为42%，仍小于50%。分别计算HYSY278船连续24 h，36 h 和 48 h 进行浮托作业的作业窗口，统计数据见表7。不同年份气候数据极不稳定。4～6月为通常的作业月份，以2015年为例，仅4月2个，5月1个。作业时间缩短为36 h或24 h后，气候窗每个月最多增加到7个。气候窗结果受浮托作业时间影响较大。根据南海某海域风浪流数据，进行了环境条件相同的持续时间为48 h的统计（见表8）。南海基本上每个月都能保证至少1次的作业窗，在相同的作业条件要求下，东海作业环境要比南海作业环境差。

参考南海某项目采用HYSY229进行浮托的具体工期，浮托工期考虑3天作业窗口（见表9）。

采用HYSY229船浮托作业环境条件要求及平台方位进行作业概率统计，得出逐月最大作业概率为37%。根据HYSY229船浮托作业环境条件要求，分别计算了 HYSY229 船连续 48 h，60 h 和 72 h 进行浮托作业的作业窗口（见表10）。如按照浮托作业72 h考虑，大多数年份1年仅有1个月有1个作业窗口，有的全年都没有作业窗口。在东海采用HYSY229进行浮托，一旦错过作业窗口，需要等待1年再进行安装的风险较大。由于HYSY229需要锚系连接工作，浮托作业期更长，其作业窗口小于HYSY278。考虑提高浮托作业效率，假设采用HYSY229进行浮托的持续时间缩短为60 h 或者 48 h，作业窗口有所增加，

表7 HYSY278浮托作业窗口（平均值）Tab. 7 Floatover operation window of HYSY278 in East sea

表8 南海和东海作业窗比较 （平均值）Tab. 8 Comparation of floatover operation window in East sea and South China sea

表9 HYSY229浮托项目施工记录Tab. 9 Floatover operation schedule of HYSY229

表10 HYSY229及HYSY228浮托作业窗口Tab. 10 Floatover operation window of HYSY228&229

采用HYSY228船浮托作业环境条件要求及平台方位进行作业概率统计，得出逐月的浮托作业概率最大为36%，是3艘船中浮托作业概率最低的。 由于HYSY228和HYSY229浮托作业环境条件接近，浮托作业窗口统计数据与HYSY229相同。

5 费用对比

采用HYSY278，HYSY229和HYSY228进行浮托安装，和吊装方案相比，导管架和组块等的钢材总量分别多出 2 930 t，2 630 t和 2 130 t。除钢材差异，浮托方案还多出相关的护舷、系泊系统、LMU、DSU等专利件费用。根据环境条件及船体、导管架、护舷、系泊系统受力，需对船舶进行改造，包括更换横荡护舷改善船侧受力性能，并增加护舷冲程，进船插尖需特殊定制，LMU高度增加为0.7 m，捕捉半径增加为0.7 m等工程量，如表11所示。将组块吊装方案、HYSY278浮托方案、HYSY228浮托方案和HYSY229浮托方案进行投资差异分析，组块吊装方案和HYSY228，HYSY229方案基本持平，由于HYSY278船价略贵，导致采用HYSY278进行浮托比组块吊装方案费用略高。

表11 浮托驳船改造量Tab. 11 Modification works for floatover barges

6 结 语

本文以东海海域为研究背景，基于15 000 t组块，按照水深100 m开展研究工作。考虑动力定位浮托和传统高位浮托2种形式，针对HYSY228，HYSY229，HYSY278开展东海海域浮托可行性研究。得出结论如下：

1）东海浮托环境条件中，波浪周期特别是横浪方向的周期显著增加，大幅提高浮托对接时驳船的运动及对导管架的碰撞力，给浮托技术带来挑战。

2）分析表明，在HYSY278/229/228三艘船中，HYSY278的运动性能最优，可以抵御的浮托作业环境条件最大，且由于其动力定位性能，作业窗口最多。在技术上相对最优。 即使采用HYSY278浮托，最大作业概率为42%，每月作业窗口很少，仍然面临“如错过当月的气候窗，就得等下1年才能进行浮托安装，油田推迟投产”的风险。综合考虑作业窗、台风、及浮托所需时间，浮托方案仅建议每年的5月份进行，4月和6月作为备选。

3）东海浮托取决于安装团队的安装效率，HYSY278浮托作业时间从48 h缩短到24 h后，5月的平均作业窗口从2个增加7个。

4）涌浪明显的西非，实施过多个浮托项目，该海域有详细的涌浪数据可用于浮托设计。需加强对东海涌浪数据的掌握，积累2～3年以上的风浪流实测数据，根据油田具体的涌浪方向确定浮托作业方位，提高浮托作业概率，为东海浮托安装做好技术储备。