——中海油整体浮托技术之一观
本刊记者  方 方  吴应清         

 　　2013年，是中国海洋石油总公司（简称中海油）的“浮托年”。这一年，他们打破国外技术垄断，成功创建了海上油田超大型平台浮托技术体系。这一年，他们载誉而归，频繁在国际学术交流平台上亮相，并因“海上油田超大型平台浮托技术创建及应用”项目获得国家科技进步奖二等奖。
 　　“浮托”，以一种举重若轻的姿态，在中海油的跨越式发展之路上树成了一面旗帜。经此一役，中海油已经明确亮出了他们的态度：他们所追求的不仅仅是一套技术体系的创新，而是一条布满未知的海油强国之路。

机缘交错应时生

 
　　卞之琳在断章中说：“你站在桥上看风景，看风景的人在楼上看你。”
 　　换个角度，世界便不同。就像打开一幅世界地图，我们总是习惯性地去看遍布人烟的陆地。而当真正正视那一片片占据地球总面积70%的蓝色土地，才发现海洋已经在不知不觉中成为人类社会生存和发展的潜力股，海洋石油工程也已经峥嵘毕露，走上了世界技术创新的制高点。
 　　算起来，中国的第一次下海勘探比美国晚70余年，第一次产出工业油流比委内瑞拉晚40余年。中国的海洋石油工程之路该怎么走，实在攸关发展大计。
 　　“有三种路径。”中海油工程建设部总经理金晓剑介绍说。一是如美、英一般，既是海洋石油生产大国，又是海洋石油工程强国；二是像印尼、墨西哥及中东一些国家一样，依靠适应国际资本规则、运用国际资本和全球海洋石油工程的成就，成为单一的海洋石油生产大国；三是学习日本等国家，依托海洋和自身工业化条件，着力发展海洋工程，为海洋石油强国做产业分工和配套，从而走出一条海洋工程技术和装备制造大国之路。
 　　在这个三岔路口，我国最终还是选择了第一条路。中海油自然响应这一战略性选择，从最初就扬起了追求和超越的远帆，大力发展海上平台建设。
 　　“海上开发量越来越大，过去五年的总量也不如现在一年的。”金晓剑带我们回顾了一下中国海洋石油的发展史，发现在很长一段时间内，即使借助全球资源，最大产能建设也不足450万吨/年。在这样的条件下，要在“十一五”末建成海上大庆油田，3000万吨产能的建设任务是最大的挑战。再加上渤海湾发现了一大批大、中型稠油油田，这些稠油的开发和处理已经不能靠传统海上平台来满足。冷眼分析后，中海油人不得不承认，建造安装能力短缺已经成为制约中国海油快速发展的瓶颈，而大型平台的建设也呼之欲出。
 　　按照传统来说，我国的海上平台安装一般分为自安装、整体吊装和分块吊装三种方式。技术人员曾对这三种方式进行了详细分析。自安装是指平台不需要借用外部资源设备，在预定海域依靠自身设备能力安装到位。这种方法受水深和油田产能的限制较大，只适合用于浅水小型油田，不适合稠油油田。整体吊装需要超大吊装能力的万吨浮吊，将上部模块整体吊装起来安装到位。这种方法最大的问题是全世界仅有两艘万吨级起重船，“僧多粥少”尚且不论，一旦平台超过1.4万吨，全球起重船都会束手无策。这样看下来，似乎分块吊装最为“靠谱”，可金晓剑并不这样认为。“万吨左右的平台，用5000吨的起重船就要吊三次，作业时间就会加长。而由于事先分块，操作界面繁多，接口复杂，从组块设计、建造到后续的连接、调试，会增加很大难度，投资也会更多。更何况，国内只有1艘7500吨的起重船，一旦产能扩大两倍，也就没办法满足要求了。”
 　　整体浮托概念就是在这种情形下走入中海油视线的。作为一种新型的超大型平台海上安装技术，整体浮托成本低、安装时间短、起重量大，一次安装将达万吨甚至数万吨，被视为解决万吨级平台特别是渤海湾平台安装瓶颈的最佳方案。

“穿针引线”看浮托

 　　2012年10月10日，渤海明珠锦州传来喜讯，锦州25-1南油田日产量超过5000立方米，是原ODP设计最高日产量的近两倍，未来勘测前景更是十分可观。这无疑是对整体浮托最大的肯定。
 　　整体浮托到底有何实力方能成为这个“最佳方案”呢？技术人员通过安装视频，为笔者进行了淋漓尽致的展示。
 　　“海上平台的基本结构基本由导管架、组块组成。导管架在水下，起一个基础支撑作用；上面支撑起整个组块，采油、处理等都在这一层。采用浮托时，要先把水下的导管架装好，并完成平台组块的建造和调试工作。”
 　　前期铺垫打好后，项目组的技术人员才开始准备将其转移到驳船上。成千上万吨的重量，让组块看起来像一个超级金刚。为了将这个庞然大物顺利转移，技术人员对施工的精准度与安全性进行了严密的分析测算，通过一组滑轮装置托运组块上船。南堡35-2是中海油的第一个浮托项目，当时他们采用的是6个滑轨和小车的技术。而到锦州25-1南项目时，这组技术已经发展为一种非连续同步拖拉滑靴。“过去采用的一般是整体滑轨或者单支点滑靴。我们将滑靴与滑靴之间用链子连接起来，能够使受力均匀，增加承重能力，同时还可以重复使用，使其不再是某个组块专属的滑轨，而变成通用的鞋子。做成链式的好处还在于，长了可以截，短了可以接，使用起来非常方便。”
 　　当组块被主拖轮拉向驳船时，海浪、潮汐及庞大的组块会使驳船受力，产生三个维度上的晃动。为了平稳转移，操作人员就要严格监控驳船上横倾、纵倾幅度，及时调整压在舱里的压舱水，保持驳船平衡，使驳船调载工作和组块上船同步进行。而随着海上安装逐步展开，对于精准度的要求也越来越严格。导管架的槽宽必须和驳船宽度之间的间隙保持在一个范围内，间隙过大，驳船就会在潮汐和风浪的双重作用下，发生横向移动，导致驳船猛烈撞击导管架；间隙过小，则驳船难以驶入导管架槽。
 　　随着驳船与导管架的距离越来越近，为确保驳船正常的行进路线，技术人员会启动两艘辅助拖轮帮助其进行横向定位。同时在主拖轮的牵引下，慢慢到达进船位置。这时，潮汐的作用就很明显了。进船时是伴随着涨潮的，在涨潮和驳船排放压载水的作用下，组块会被慢慢抬升，顺利越过导管架，当潮位到达顶点时，驳船也必须到达既定位置。退潮时间一到，随着落潮和驳船注入压载水，组块会慢慢降低高度，直到组块的全部重量转移到导管架上。
 　　当然，技术人员不能一味依赖潮汐，他们要不间断地实时监控驳船横纵倾的运动幅度，以确保桩间的水平运动在桩腿对接单元的捕捉范围内。荷载转移全部完成后，技术人员还要开启桩腿对接单元上的沙阀，开始放沙作业，并继续压载，使组块与组块支撑框架慢慢分离。此时，整个浮托安装过程仅剩下退船，技术人员还要守好最后一班岗，保证组块的下沿不能与组块支撑架发生碰撞，以及船底不与导管架的水平层发生碰撞。只有在组块与组块支撑框架间取得足够安全间隙时，才能继续在主拖轮以及两艘辅助拖轮的帮助下安全退船。也只有到此时，这个大型组块整体的海上安装才能算是圆满完成。
 　　在技术人员们看来，整个的过程就像是由主拖轮牵引着驳船穿入导管架槽，仿若一场利用潮汐和水浮力演绎出的巨型的“穿针引线”。

与天争，润泽渤海明珠

 
　　从潮汐中而生的整体浮托，为超大型海上平台安装打开了新的局面。然而，它既然要依靠天时地利作业，就不得不面对一个局限。
 　　中海油锦州25-1南项目组总经理黄业华曾说，“组块的海上运输工作能否顺利完成，受制于一个重要的因素——天气。只有在合适的天气条件下，我们才能允许驳船出港作业。”
 　　对于渤海湾作业来说，这个合适的气候窗出现在每年的5月至9月。在这段时间内，技术人员要找到气候条件稳定的区间，利用此区间内的涨潮和退潮，来完成他们的海上安装。无论天气，还是潮汐，都由不得人掌控，对技术人员们来说，他们要做的就是事先做好准备工作，不能错过气候窗，同时更要保证万无一失。“下一个气候窗出现不知道会是什么时候，错过了就等不起。而且一旦出现失误，损失随时会上亿元，也亏不起。”在这些技术人员心底，早已经形成了根深蒂固的责任感，令他们一步一步，如临深渊，如履薄冰。
 　　即使如此，渤海也不准备让技术人员们到此为止。与我国其他海域不同，渤海辽东湾背后还藏着一个更大的隐患——海冰冰灾。
 　　从我国首个成功建成的“海1平台”开始，渤海记录着我国在海洋石油工程建设上的开端。可是，就是这片记录着海油人数十年奋斗情怀的海域，直到如今，提及上世纪的冰灾，他们依然心有余悸。
 　　1969年春天，渤海突然间冰封千里，从无数的冰丘和冰山蜿蜒在海面上。航道堵塞，船只被困。辽东湾漂来的流冰，随着狂风和海潮横冲直撞，“海2平台”在猛烈的撞击下轰然倒塌。1977年冬，同样的灾难又发生在海4井烽火台上。
 　　“第一代冰区平台建设时，人们还没有清晰的海冰荷载概念，只能参考淡水冰桥梁设计的部分做法。”这两座桩基式导管架平台的“殉职”，引起了中海油对冰区平台设计的高度重视。自此，中海油开始对海冰重新解读，针对冰荷载作用机理和分析方法，先后开展海冰工程学研究，制定冰区平台和设施设计标准，发展完善多种抗冰平台结构，设计完善海冰监测与管理体系，一代代新的冰区平台也出现在渤海湾的浪潮中。
 　　然而，辽东湾在国内别无二致的长冰期状况使其并无经验可以借鉴。尤其是随着渤海石油平台趋于大型化，采用浮拖法安装的平台数量逐渐增多，辽东湾的抗冰研究还是令海油人顿感棘手。
 　　“导管架结构一般是层叠、交叉式搭建起来的。海上采油时常常利用隔水套管来下采油管，这个隔水套管也是需要抗冰的。一般来说，只要每个水平层都对隔水套管加个固定，抗冰就能有保证。但是浮托安装法要保证从下面的水平层到上面的组块之间有足够的高度以供驳船进出，那么中间的水平层就不能存在，而抗冰性也就受到了影响。”据说，在锦州25-1南项目开始之初，项目组曾经讨论过几个方案，但是如果将水平层贴到甲板上，等浮托完成后再放下来，无论从费用、工时和风险性上来说，都不是良选。一个月后，他们的关注点又放在了隔水套管上。因为站在工程管理角度，双层隔水套管抗冰的安全性要高许多，而后他们也就此申请了专利，并获得授权。
 　　“隔水套管加双层，最大的问题就是费用高，但是这种工程首选应该是安全，其次才是费用。”不过没多久，费用问题也迎刃而解，在一位专家偶然的“局部抗冰”论后，锦州25-1南中心平台采用了分体冰锥技术。导管架在陆地建造时，只预制安装抗冰锥体靠腿柱外侧的部分，而靠腿柱内侧的抗冰锥体于组块安装完成后再实施海上安装，成功解决了渤海冰区工程设计中抗冰锥的安装顺序问题，同时也为渤海冰区油田群区域开发提供了宝贵的实践经验，成为中海油浮托安装体系中的一个特殊亮点。

与梦想同行，
拼一个“中国”牌事业

 
　　德国著名的电机专家斯坦门茨有一个很著名的故事，“用粉笔画一条线，值1美元，知道在哪里画线值9999美元”。
 　　一个简单巧妙的方法，往往能解决大问题，整体浮托也是一样。透过安装作业过程，不难发现它的原理其实很简单，但“知道在哪里画线”的背后却蕴藏着众多的创新。
 　　“我们有一套具有自主知识产权的浮托设计软件系统。”金晓剑介绍说，在过去，并不存在专门的软件系统，运作起来很不方便。项目组设计团队做了整合了多种商业软件的功能，实现了浮托总体设计功能，填补了浮托技术设计软件开发的空白。借助该软件，可以实现浮托安装的拖航稳性分析、浮体水动力分析、临时系泊分析、驳船/导管腿碰撞分析、组块与导管架对接分析、设计值预报和安全评估，可以准确快速地进行大量数据处理。
 　　如果说这是一双无形的手，那其他的成果则是看得见摸得着的。
 　　滑靴装置在安装过程中的风采，笔者此前已经领略到。严格来说，这是一种非连续同步拖拉滑靴，既可以保证建造过程的支撑强度、装船过程的同步性，也能确保在浮托法装船工况下大型组块的建造、装船及拖航的安全及稳定。
 　　在组块支撑框架上，技术人员针对中国海域的特征，巧妙采用组块支撑装置（DSU）替代常规浮托时所采用的组块支撑框架（DSF)，使得万吨级组块节约支撑结构钢材近1000吨。当然，他们精心独创的结果不只是为此，经过这一创新，称重精度从通常的1%提高到0.75%以内。同时，组块称重时的加强结构与支撑单元合二为一，支撑单元既起到支撑组块自动脱离装置的作用，又起到了组块称重时的结构加强作用。
 　　为了实现精确对接及载荷转移，技术人员自主研发了桩腿对接装置（LMU）和组块支撑装置（DSU），借以进行缓冲，在限制运动的前提下尽量减少垂向和水平方向的碰撞力，防止施工驳船与组块、组块与导管架之间的“钢对钢碰撞”，实现组块的荷载转移和对接合拢。
 　　“2003年，我们开始尝试浮托设计。2005年在南堡35-2油田实现了第一次浮托，两年后完成渤中34-1的第二次浮托。中间有间隔，但一直在坚持。”正如金晓剑所说，到锦州25-1南项目完成，他们走过了整整7年。期间，他们遭遇过质疑，也难免面对研究上的瓶颈，却依然摸着石头过河，一步步坚持下来，并将在工程实践中遇到的问题反馈回研究中，使整体浮托技术日趋完善，逐渐成为一套成熟完整的技术体系。
 　　“浮托法在国际上早有应用，但都被当做解决某个特定问题的特定方法。我们则是努力将其变为普适性、通用化的工具，可以更便捷，也更广泛地去应用。”海油人想到的显然更多。通过长期的滚动性实践研究，他们推出了多体耦合数值分析技术、多自由度弹性约束综合分析技术、超大组块重量控制及称重技术、顺应自然力防碰撞技术，以及超大型多功能运输驳船设计技术五大关键技术，解决了“一个总体设计计算分析为基础、三次载荷转移为重点、一个气候窗实施准确安装”的关键技术难题，打造了我国海上油田超大型平台浮托的整体设计、整体建造、整体运输、整体安装和海上零调试的“四整一零”技术优势。
 　　“我们只是在不断解决问题，到后来自己也没想到做了这么多事。”金晓剑的一句话，道尽了海油人质朴的想法。盘点下来，该项目在工程应用和项目实践中，搭建了产学研一体化研发平台，形成了整体建造、拖拉装船、特种运输装备以及海上整体浮托安装工装机具研制的产业链。其成果已成功应用于国内外8次超大型平台的安装中，仅国内6次安装就创造经济效益110亿元以上。经海洋工程、船舶和力学界等多位专家鉴定，他们的成果被认为总体达到国际先进水平，同时也得到了国内外同行专家的认可，并通过缅甸SHWE,EPPT等国外应用赢得了良好的口碑。
 　　就在2013年5月，荔湾3-1气田中心平台上部组块在南海浮托安装完成。这是由我国自主研发、亚洲最大的深海油田气处理平台，组块浮托重量超过3万吨。到此时，海油人可以自豪地说，他们实现了中国海洋工程从浅水到深海的跨越，从千吨级吊装到万吨级浮托的跨越，打破了国外技术垄断，跻身于世界前列！
 　　“让中国的海上平台建得更大，走得更远”，这是整个技术团队共同的梦想，也是他们共同的事业。唯有如此，才能令一个庞大的团队聚集在项目的麾下。对他们来说，荣耀只是一个良好的开始，当整体浮托技术走向中国各个海域，走向世界海洋舞台，他们还要以加倍的信念和努力去应对未来的机遇和挑战。