不同裝船模式下海洋平臺結構物 裝船工期研究

宋青武

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

廣闊的海洋蘊藏著豐富的油氣資源,隨著海洋油氣勘探技術的不斷提高,石油天然氣產業已逐步將重心由陸地轉移至海上,海洋石油天然氣產業快速發展。各類海洋工程重大裝備的研發和建造速度不斷加快,人類開發海洋能源的進程不斷加快,高技術、高風險、高投入成為海洋能源開發的主要特點[1]。海洋工程與陸地工程相比,由于海洋環境的復雜多變性,風險更大,工藝更復雜。海洋平臺往往是在陸地專門的預制場地完成建造后,由駁船運輸至海上施工現場進行安裝工作。大型結構物移位及裝船運輸是海洋工程裝備制造業的核心問題之一[2]。作為整體海洋工程重要一環的結構物裝船固定是連接平臺陸地施工與海上安裝的重要步驟,同樣也是海洋工程項目進度控制的關鍵,直接關系到結構物海上安裝工作能否按計劃時間開展。

1 裝船模式及其適用性

海洋平臺結構物的碼頭裝船過程,是海洋工程建造過程中一個非常重要的組成部分,一旦出現事故則會造成嚴重的損失[3-4]。對于海洋平臺結構物來說,采用的裝船方式應在項目設計階根據結構物結構形式、重量重心、建造方案、場地承載力、碼頭水深潮汐、擬使用駁船、工期費用等因素綜合確定。在海洋工程中常用的裝船方式包括吊裝裝船、滾裝裝船、滑移裝船以及SPMT(自行式液壓平板車)小車裝船四種,不同裝船模式的適用范圍、裝船步驟、裝船工期、現場施工條件要求等均不相同。

1.1 吊裝裝船

吊裝裝船是指結構物在陸地場地建造完成后,用起重船或場地碼頭吊機從場地碼頭吊起結構物,放在運輸駁船設計位置的過程。受制于起重船或碼頭吊機的起重能力,吊裝裝船方式主要用于重量較輕的結構物裝船,如豎立建造的導管架、小型組塊、生活樓、分段裝船的鋼樁和隔水套管、火炬臂、棧橋等?？紤]到裝船成本的要求,使用起重船進行結構物吊裝裝船工作,要求場地碼頭內有長期供裝船使用的小型浮吊船,盡量避免浮吊船發生動復員。在進行裝船設計時,應根據結構物尺寸、重量重心、結構物距碼頭前沿的距離等數據,結合碼頭標高、水深、駁船、駁船吃水要求、現場天氣條件等,選擇合適的起重船或碼頭吊機。

1.2 滾裝裝船

滾裝裝船主要用于導管架鋼樁的裝船。對于淺水導管架,通常是分段裝船,海上一節一節打入海底,一般每節鋼樁重量不超過100 t。以塘沽建造場地為例,鋼樁分段接長完成后采用平板車或吊車運至靠近碼頭區域,然后采用浮吊吊裝上船,浮吊一般為濱海102(起重能力500 t)或濱海108(起重能力800 t)[5]。而對于深水導管架,鋼樁通常在陸地完成接長工作,采用整根打入海底的方法進行打樁工作,接長后的鋼樁重量超過500 t,如已建成某8腿12群樁導管架,鋼樁直徑96″(1″=25.4 mm),總重6 048 t,其中4根帶卡樁器,長度121.3 m,單根重量508 t;8根不帶卡樁器,長度119.8 m,單根重量502 t，直接使用碼頭吊機吊裝裝船難以實現,采用浮吊裝船也將大大增加裝船成本,在這種情況下,可以采用滾裝裝船。

滾裝裝船主要使用棧橋和卷揚機進行鋼樁上船,由送樁機將鋼樁從擺放區域的墊墩上傳遞到棧橋大梁上作為滾裝的初始位置,通過控制卷揚機使鋼樁由初始位置經過棧橋緩慢平穩滾動至駁船甲板就位位置,依據裝船固定圖紙將鋼樁固定完成后進行下一根鋼樁裝船。

相比大型浮吊吊裝作業,滾裝裝船無需租賃浮吊資源,可以減少對浮吊資源的依賴,且裝船棧橋可重復利用,大大降低了鋼樁裝船的成本,適用于大噸位鋼樁裝船。

1.3 滑移裝船

滑移裝船是海洋工程最常用的裝船方式。將平臺放到專門修建的滑道船臺上,用滾輪滑車作為托載體,以液壓拉力器牽引、卷揚機溜尾進行滑移裝船[6]。要求結構物在建造時放在滑道上的滑靴上,結構物支撐點落在滑靴上,運輸駁船上放有與場地上滑道相匹配的滑道,且具有足夠的調載能力,使結構物上船過程中陸地滑道與船上滑道隨時保持一樣的高度,用絞車拉動滑靴上的拖拉點,滑靴在滑道上滑移,平穩緩慢地將結構物拖拉到駁船上設計位置?；腊懙囟魏婉g船段[7]。隨著結構物重心的移動和外界環境的變化,需要動態地測量、計算和調速控制駁船的壓載艙液位[8]。

滑移裝船利用絞車系統將大型結構物平穩地牽引到駁船上,大幅度地降低了生產成本[9]?；蒲b船適應于導管架、組塊、生活樓等各類平臺結構物裝船。目前國內已完成30 000 t級結構物滑移裝船,包括荔灣3-1 CEP導管架和組塊,荔灣CEP導管架裝船重量達31 375 t,為目前亞太地區拖拉滑移裝船重量最大的結構物[10]。根據結構物重量重心、碼頭潮汐情況、水深等數據選擇適合的運輸駁船,確保駁船甲板強度、壓載能力、拖拉牽引裝置等滿足滑移裝船要求。

滑移裝船作業駁船一般是尾靠碼頭,以確?；七^程中有足夠的牽引距離。但對于部分結構物,受制于駁船能力,也可能采用側靠碼頭橫向裝船的方式,對于這種裝船方式,需重點核算牽引距離是否滿足要求。

1.4 SPMT小車裝船

SPMT小車即自行式模塊化平板車,是一種模塊化生產及組裝的自行式平板拖車,可根據被裝載物的不同需求被配置為各種結構、尺寸和重量。通過液壓升降系統將結構物重量從場地墊墩轉移到自身結構,將結構物經過碼頭前沿、碼頭與駁船間的跳板運輸至駁船甲板設計位置,并將結構物重量轉移至駁船墊墩上。

常規組塊建造往往采用滑道建造,但近年來,由于小車裝船的靈活性,越來越多的組塊采用非滑道建造方式,提高了場地利用率[11]。SPMT裝船具備效率高、操作簡單、速度快、環境要求低等優點,經常用于完成在非滑道區建造的海洋工程結構物上[12]。小車裝船由于結構物不用在滑道上建造,無滑道使用要求,結構物運輸機動性更強,采用這種裝船方式,解決了結構物建造和裝船對于滑道的依賴,減少場地滑道使用數量,對于新建場地一定程度上可以節約滑道建設費用。

目前小車裝船越來越多地應用于結構物裝船中,國內小車裝船技術已成功應用于6 000 t級模塊裝船,應用前景十分廣泛。

2 裝船流程

進度控制是海洋工程項目四大控制的重要組成部分。在海洋工程施工過程中,存在著影響施工進度與建造質量的許多不確定因素[13-14]。作為海洋工程重要階段之一的結構物裝船固定和海上運輸工作,是平臺海上安裝前序關鍵作業之一,在海洋平臺陸地建造與海上安裝之間起著承上啟下的作用，其施工工期的長短直接影響海上安裝工作的開始時間。

不同的裝船模式的裝船步驟區別很大,直接決定了裝船工期的長短,下面是不同裝船模式下從駁船清駁開始到固定完成具備出航條件的一般裝船施工步驟,見圖1～4。

圖1 吊裝裝船一般步驟

圖2 滑移裝船一般步驟

圖3 滾裝裝船一般步驟

圖4 SPMT小車裝船一般步驟

3 裝船工期分析

結構物裝船工期取決于裝船計劃中關鍵路徑的長短,考慮到吊裝裝船和滾裝裝船適用范圍較小,下面以 3 000 t 級組塊裝船為例,采用關鍵路徑法,重點對滑移裝船和SPMT小車裝船工期進行分析研究。關鍵路徑法是一種基于數學計算的項目計劃管理方法[15],在不考慮任何資源限制的情況下,沿著項目進度網絡路徑進行順推與逆推分析,計算出全部活動理論上的最早開始與完成日期、最晚開始與完成日期,在給定的活動持續時間、邏輯關系、時間提前量、時間滯后量和其他制約因素下,可開展各項活動的時間段[16]。關鍵路徑是項目計劃中最長的路線,決定了項目的總實耗時間[17]。

3.1 滑移裝船工期

根據組塊滑移裝船一般步驟,相關工作分解結構及作業劃分、作業工期,見表1。

根據施工工序,建立網絡計劃并計算時間參數見圖5。在確定作業間的邏輯關系時,要按系統工作過程安排、專業活動之間搭接關系、自然規律、技術規范要求、辦事程序要求、施工計劃安排等合理進行[18]。應用網絡計劃技術,形象地把整個工程形象進度用網絡圖標注出來,形成完整的數學模型,有單代號法和雙代號法兩種[19-20]。

表1組塊滑移裝船作業劃分

工作內容代號緊前作業工期/h駁船艉靠碼頭并安裝系駁纜繩A-4駁船清駁BA36駁船滑道擺放焊接固定、定滑輪組連接CB24穿鋼絲繩DC12連接牽引系統及調試ED8組塊拖拉上船至指定位置FE6設備回收下船HF8組塊進行焊接固定并完成焊接檢驗GF36

圖5 滑移裝船網絡計劃

根據計算結果可知,滑移裝船計劃關鍵路徑為A→B→C→D→E→F→G,項目期望工期為126 h,按裝船 12 h/d 計算,期望工期約10.5 d。

3.2 小車裝船工期

根據SPMT小車裝船一般步驟,相關工作分解結構及作業劃分、作業工期，見表2。

根據施工工序,建立網絡計劃并計算時間參數見圖6。

根據計算結果可知,SPMT小車裝船計劃關鍵路徑為A→C→E→G→H→I→J,項目期望工期為85 h,按裝船12 h/d計算,期望工期約7 d。

3.3 裝船工期分析

從上述小車裝船和滑移裝船的工期計算結果可知,滑移裝船由于船上滑道擺放、牽引準備工作等用時較長,其裝船工期較小車裝船長,駁船使用天數較多,從工期角度上看小車裝船能有效節約駁船使用天數,對于自有SPMT小車或具備小車租賃條件的建造場地來說,小車裝船在工期上具有明顯優勢。

3.4 裝船工期影響因素

影響結構物裝船工期的因素很多,主要包括結構物裝船模式、結構物重量、駁船調載能力、天氣狀況、施工準備情況、駁船與陸地配合程度等,其中施工準備充分與否對裝船工期影響很大。

表2組塊SPMT小車裝船作業劃分

工作內容代號緊前作業工期/h駁船艉靠碼頭并安裝系駁纜繩A-4駁船清駁CA36駁船墊墩擺放及船上棧橋安裝EC4SPMT小車組裝、調試B-4組塊裝車DB4駁船與碼頭連接棧橋安裝GE2組塊運輸至碼頭前沿FD2組塊運輸至駁船指定位置HF、G1SPMT小車下船、棧橋拆除IH2切割運輸抬梁并運輸下駁船KI8組塊進行焊接固定并完成焊接檢驗JI36

圖6 SPMT小車裝船網絡計劃

由于結構物裝船實施環境和施工準備情況的差異,不同裝船模式的步驟用時不同,需要根據實際工作量建立網絡計劃明確關鍵路徑,如部分結構物裝船時駁船進港時已完成清駁作業,可以直接進行裝船準備工作,這種情況下網絡計劃中可以不考慮清駁計劃,對應的裝船關鍵路徑也將發生變化,以SPMT小車裝船計劃為例,若不考慮清駁作業,則關鍵路徑由原來的A→C→E→G→H→I→J變成A→E→G→H→I→J和B→D→F→H→I→J,裝船工期為49 h,約4 d。

4 工程案例分析

某已完工海洋工程項目組塊重約2 680 t,采用滑道建造方式進行建造工作,受制于駁船限制,推進艙布置在船尾,船體結構少,可用調載艙室能力差,導致船尾結構強度弱,調載能力差,決定采用側向裝船的方式進行組塊滑移裝船。設計制作了專用滑道和專屬拖拉點,用以解決駁船甲板強度不足和側向裝船牽引距離過短的問題,其中,專用滑道與船體結構相匹配,可以有效地將組塊重量分攤在最有力的船體主結構上;專用拖拉點是對原有拖拉點進行加強并探出船舷,與滑輪組連接僅需1個卡環銷軸,側面設計有牽引繩固定孔,最大限度節約牽引距離。

該項目前期根據工程經驗和實際工作量,制定組塊滑移裝船詳細計劃見表3。

表3組塊滑移裝船詳細計劃

工作內容計劃工期/h計劃開始時間計劃完成時間駁船艉靠碼頭并安裝系駁纜繩42015-03-20 8:002015-03-20 12:00駁船清駁362015-03-20 12:002015-03-23 12:00滑道擺放焊接固定滑輪組連接242015-03-23 12:002015-03-25 12:00穿鋼絲繩122015-03-25 12:002015-03-26 12:00連接牽引系統及調試82015-03-26 12:002015-03-26 20:00組塊拖拉上船至指定位置62015-03-27 8:002015-03-27 14:00焊接固定及檢驗362015-03-27 14:002015-03-30 14:00

實際執行情況:受前期碼頭不具備駁船進港條件影響,組塊駁船推遲進港,于2015年3月25日13:30進港側靠碼頭,4月4日10:20完成裝船固定,出港赴施工現場,整個裝船工期約10 d,與上述裝船工期計算方法基本吻合。某組塊橫向裝船示意圖見圖7。

結構物裝船作業重在裝船準備工作,無論采取何種裝船模式,只有將準備工作做細,對各種制約因素和風險點提前識別并采取有效措施,裝船工作才能按期實施。在裝船準備工作之前應根據裝船程序及施工經驗制定一系列的裝船檢查清單,根據清單逐項落實，嚴格執行裝船計劃。在該項目案例實際執行過程中,準備工作比較充分,裝船工作基本按照計劃執行,但仍出現一些影響裝船進度的問題,如由于駁船調載能力較弱,導致組塊拖拉上船用時較長,尚需進一步優化以提高裝船效率。后期通過焊接固定趕工,裝船進度基本與計劃持平。因此,在項目前期方案確定和計劃編制過程中應及時對裝船風險予以識別,并采取應對措施。

圖7 某組塊橫向裝船示意圖

5 結論

工程項目要想獲得成功,需要對其實施的各個階段做好管理控制工作,裝船固定涉及陸地與駁船的相互配合,受天氣、潮汐、駁船能力、場地準備情況等各種因素的影響,屬于重大風險作業,也是進度控制的重點。海洋平臺結構物裝船工期直接影響海上作業開始時間,不同的裝船模式其裝船工期差異較大。

本文通過對四種裝船模式的適用范圍和施工步驟進行詳細分析,針對最常用的兩種裝船模式,采用關鍵路徑法建立網絡圖,定量對比分析研究裝船工期,得到一種裝船工期的定量評估方法,并與具體工程案例相比較,表明該方法具有一定的實用性,為海洋平臺結構物裝船工期的準確評估提供了參考和依據。本文僅對不同裝船模式下裝船工期進行定量分析,在后續的研究中,應重點針對各種制約因素,包括風險點等,對裝船工期的影響進行系統研究,以便更準確地評估結構物裝船工期。