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摘 要：随着海洋石油工业迅猛发展，海上平台正向大型化、集约化方向发展，平台上部组块的整体重量也随之增加。对海上超大型平台的安装技术及作业能力提出了更高的要求，浮托法安装技术是解决上述问题的最佳方案。我国利用浮托法完成了23个大型海洋平台的安装，本文针对我国浮托安装现状、浮托装备的研发、未来发展趋势、进行了全面综述，并对我国已经实施的浮托法安装进行了优缺点分析，对未来新型浮托法进行了分类，针对我国特定海域选取的浮托方法进行了分析，为工程及技术人员提供了参考。
1、概述
伴随能源需求量的增大，海上油气田勘探开发不断增加，海洋石油工业迅猛发展，海上平台正向大型化、集约化方向发展，平台上部组块的整体重量也随之增加。高速发展的海上油气田开发，对海上超大型平台的安装技术及作业能力提出了更高的要求，浮托法安装技术是解决上述问题的最佳方案。截至到2019年1月海工共完成了23个浮托，组块安装重量从8500吨到32000吨；作业水深从7.8米到190米；施工海域从渤海湾到南海；浮托总重量达28万吨，具备了高位浮托、低位浮托、动力定位浮托、超浅水浮托、冬季浮托等全天候、全序列、全海域浮托技术和施工能力，创造的直接经济效益达到数十亿元。未来几年公司已经开始实施和计划的近10个浮托，并且公司开展了双船浮托和利用快速释放装置的浮托研究，可以说我们已经掌握了浮托安装技术与方法。浮托是驳船载海洋平台进入支撑槽口，利用调载、潮汐将平台重量转移到其支撑结构上，载荷转移完毕后然后退船，主要步骤见图1，其具有四整一零的优势，即整体设计、整体建造、整体运输、整体安装、零调试，1）整体设计—实现平台组块的集成优化设计，减小界面误差；2）整体建造—简化建造工序，大幅缩短建造周期，实现了海陆调试转换；3）整体运输—显著提高拖航安全和经济性；4）整体安装—极大缩短海上作业时间，降低施工风险；5）零调试—海上“零调试”，实现海上平台快速投产见效。我国发展浮托技术上采用理论与实验相结合、物理实验与数值模拟相结合、应用基础研究与开发应用相结合、应用实验与生产制造相结合的方法，进行标准化、模块化、并行化的设计与制造。为了满足短期发展需要和长期自主创新与持续发展需要，将采用以自主开发研究为主的方针，大力发展我国浮托安装技术的开发，提高公司自主创新专业知识与技术的能力，并且为行业人才培养提供技术基础。本文基于目前海上安装的最新进展，对目前浮托安装方法进行了全面的综述，进行了分类和对比，为工程及技术人员提供了参考。
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图1 浮托主要过程Fig 1 Floatover main process
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2、国内浮托现状
在过去的15年中，为了适应国内外战略需求，我国进行了一系列浮托安装方法及装备的创新，发展了4种不同类类型的浮托技术并成功应用于平台的安装中，其共同的优点是组块采用浮托法安装可以节省海上调试时间及安装费用。传统的高位浮托公司已经完成了多个项目，其原理简单，操作方便，主要依赖驳船调载系统压载进行重量转移，简单可靠。
2.1 高位浮托
高位浮托是国内完成的最多的浮托，一共完成了21个浮托，在渤海完成了18个浮托，典型的KL3-2 CEPA于2014年1月5日完成、QHD32-6CEPI和CEPJ分别于2014年6月25日和7月31日完成，南海完成了两个浮托，荔湾3-1CEP于2013年5月23日、文昌9-2/9-3/10-3CEP于2017年5月31日顺利完工。其主要特点属于传统的高位浮托，需要的装备主要有：浮托驳船、系泊系统、桩腿耦合缓冲装置（桩腿耦合缓冲器）、甲板支撑装置（DSU）、护弦系统、还有一些辅助的定位系统等。其除了具有浮托的优点外，还具有原理简单、操作方便、主要依赖驳船调载系统压载进行重量转移、可靠性高、经验丰富、经过多次实践完全掌握了这种技术。缺点是高位浮托由于组块的重心较高，需要特定的驳船来满足稳性等要求；现场需要抛锚等操作，需要的气候窗会延长，效率低下，特别是在南海海域作业时常常会受到海况的限制；抛锚作业需要额外的拖轮来辅助、操作，增加了工程费用。
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2.2 动力定位浮托
由于南海海况恶劣，系泊作业又需要较长的时间，为了克服上述困难，公司开展了动力定位船浮托关键技术研究及工程化应用的总公司级科研项目，动力定位浮托技术是将动力定位系统与浮托安装技术相结合的一种新型浮托安装技术。动力定位浮托除了具有常规浮托优点外，还具有：1）施工作业时间短， 流程简单，风险低; 2）不需要锚泊系统及辅助拖轮及配套设备，节约费用，提高作业效率；3）抵抗更大的环境条件，增加了施工作业的天气窗口；4）不需要大型浮吊进行生活支持，节省费用。因此采用动力定位浮托技术可以需要很短的时间窗口，确保了作业的安全性，惠州25-8DPP平台采用动力定位船海洋石油278，于2014年5月21日成功完成动力定位浮托。缺点是动力定位浮托需要动力定位船来完成，动力定位船建造、租赁的费用会比较高昂；动力定位船浮托由于船体的特性，都是采用横向装船，与纵向装船相比其横稳性要求高，控制不好容易发生事故。
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2.3 超浅水浮托
超浅水浮托也属于高位浮托的1种，其最大特点是能在较浅的海域完成浮托作业，退船间隙小于1米，容易发生浅水效应，造成驳船触底，引发事故。JZ9-3 CEPD于2014年9月16日在水深8.9米的渤海湾现场顺利完成。超浅水浮托的优缺点和高位浮托一致，但本身又有其自身的特点，主要是把DSU特殊设计，在浮托退船前将DSU提升起来，在退的过程中将提升起来的DSU下放到提前预布好的凹槽内，以便使退船时组块底部和滑道的空间满足规范要求。
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2.4 低位浮托
LF7-2 DPP组块重量达12700吨，海洋石油221无法满足高位浮托时的稳性等要求，所以必须降低组块在船上的高度，把DSF去掉，使组块的重心高度相对较低，浮托完成后再进一步提升组块，满足达到设计要求的海上飞溅区位置。采用低位浮托，技术难度超过荔湾3-1中心平台浮托安装。LF7-2浮托成功也表明中国海油在浮托类型、作业难度和技术复杂性等方面走在了世界前列。于2014年8月18日顺利完成了进退船作业，随后完成了提升和焊接。低位浮托最大的优点：1）重心很低，对驳船的尺寸、稳性要求可相应降低；2）低位浮托不需要DSF，节省钢材；3）安装精度高，组块提升高度、水平度、各腿受力可精确调节，确保组块在位状态良好；4）重量转移效率高，避免对驳船调载系统能力的过度依赖。其缺点是1）对低位浮托来说，采取低位的主要原因就是因为船相比来说较小，像海洋石油221在南海的耐波性较差，运动比较剧烈，因此需要较好的天气来作业；2）低位浮托主要是钢对钢对接，控制不好容易发生碰撞，造成损伤；3）浮托完毕后需要提升，增加了放腿系统、提升系统、等设备，后续操作还需要2周左右的时间最终把载荷分布完毕，增加了额外的费用。
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以上四种浮托是为了适应特定海域及装备做出的自我创新，从技术上、科研上先进行论证研究、模型试验、结合虚拟模拟等手段进行了创新，技术创新和商业模式创新相结合，完成结构性创新，形成了公司的自有品牌，可以说达到了国际上最先进公司的能力，有些方面甚至超越了国外公司。
3、浮托装备
除了浮托技术外，还对浮托的关键部件进行了科研创新，在桩腿耦合缓冲器的研制过程中，分析国外不同桩腿耦合缓冲器的设计方法和理念，进行桩腿耦合缓冲器设计的专题研究。在今后的浮托安装中采用国产化桩腿耦合缓冲器，不仅不再依赖国外技术，还可以填补国内空白，同时还可以大大降低成本，减少采办周期。制造了大型装备像浮托能力18000吨的海洋石油228 T型驳船；浮托能力达35000吨的海洋石油229T型驳船、浮托能力达20000吨的动力定位船海洋石油278、浮托能力达11000吨的海油石油221船、以及国内一系列的动力定位船等，可以说涵盖了33000吨以下的全部浮托船。另外对护舷系统、平台支撑分离系统、监测系统、系泊系统、模型试验、数值分析等都进行了创新性研究并生产应用。
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4、浮托安装设计
浮托安装设计首先考虑是在固定平台或浮式平台浮托，然后再考虑是在浅水还是深水、以及温和环境海况或恶劣的环境海况下，设计工作范围包括概念设计、详细设计和整个项目规划，包括拖拉装船、固定、运输和安装。在概念设计阶段对成本控制是最更重要的，在早期的设计中决策好浮托方法，可以节省下相当大的投入。典型浮托如表二所示，可见需要考虑的因素繁多，并且单方面的改动甚至影响到其它方面的设计。在概念和详细设计阶段，施工开始前工程师们可以提供宝贵的意见，这样最大限度地减少了高代价修改的需求。整个浮托的设计主要包括进船、对接、退船，其分析过程比较复杂，是一个多系统耦合，包含系泊缆、护舷、桩腿耦合缓冲器、DSU等，具有很强的非线性的时域求解。针对这三个主要阶段国内主要采用成熟的商业软件MOSES、AQWA、SESAM等，都能进行水动力、频域、时域求解。上述软件都是比较经典的软件，MOSES软件是最长用的软件，其水动力分析上来说不如其它软件精确，是一种拟静态分析，不能与系泊缆等的进行全耦合分析。AQWA、SESAM软件在处理水动力上非常精准，并且能够进行全耦时域合分析，计算效率上会慢一些。但是对于一些深海项目、双船浮托设计、半潜浮托、TLP浮托等需要AQWA、SESAM软件来分析设计，能更好的进行多体的水动力耦合分析。
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5、未来发展趋势
近年来浮托技术变的越来越普通了，然而并没有严格的定义或能清晰地进行分类，在此为了以后更利于发展和应用根据浮托的基本类型对浮托方法进行了分类。根据浮托安装技术和载荷传递形式分为机械式的主动浮托方法和非机械式的被动浮托方法。非机械式浮托方法采用被动式载荷转移和被动式分离系统，此时被动式载荷转移主要是通过压载浮托驳船来实现。根据浮托驳船类型浮托可以分为：单船浮托方法、双体船浮托方法、双船浮托方法，此外双船浮托根据驳船和组块的连接方式又进一步分为刚性固定连接、柔性固定连接和铰接连接方法等。
随着技术的不断进步与发展，为了加速我国南海、东海油气田开发，一系列新型的浮托技术不断涌现，我国很多科研机构与公司进行了相关的研究与试验。浮托方法从传统的高位浮托发展到了利用被动式及新型浮托船的方式，以便解决各种尺寸的平台及各类海况下安装，为了适应东海的恶劣海况，进行了液压千斤顶快速载荷转移技术浮托研究；为便于适合不同类型的结构，像SPAR等平台安装及平台拆除，进行了双船浮托及双船拆除研究；还有双体船浮托、半潜平台浮托等研究,这些技术将会用到南海、东海等海况恶劣的海域。
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6、综述
我国利用浮托法完成了23个大型海洋平台的安装，具备了高位浮托、低位浮托、动力定位浮托、超浅水浮托、冬季浮托等全天候、全序列、全海域浮托技术和施工能力，可以说利用了几年的时间掌握了国际上发展了几十年的技术，并且达到了国际先进水平，在原有的基础上进行了自我创新和发展，形成了自有品牌，还为国外进行了平台浮托安装。本文针对我国浮托安装现状、浮托装备的研发、未来发展趋势、进行了全面综述，并对我国已经实施的浮托法安装进行了优缺点分析，针对我国特定海域选取的浮托方法进行了分析，并对我国的浮托装备和能力进行了介绍，为工程及技术人员提供了参考。
作者：海洋石油工程股份有限公司 秦立成
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发表于 2020-4-25 17:38
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