鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備在海洋廢棄平臺拆除中的應(yīng)用

張曉 馬春杰 張喆

(中海石油(中國)有限公司天津分公司工程建設(shè)部，天津 300452)

0 引言

一般海洋石油平臺到了作業(yè)壽命的后期，如果沒有其他用途，就必須進行廢棄拆除。國外廢棄海洋平臺拆除作業(yè)從1973年墨西哥灣外大陸架第一座廢棄平臺拆除開始，至今已有近40年的歷史，積累了豐富的施工和現(xiàn)場經(jīng)驗，其中墨西哥灣也是拆除海洋平臺數(shù)量最多的海域，特別在2006年以后，每年平均拆除的平臺結(jié)構(gòu)數(shù)量在100座以上[1]。我國從20世紀(jì)90年代初開始對渤海2號、渤海8號等淺水簡易平臺進行了拆除作業(yè)，而到2008年年底在渤海海域達到廢棄階段的樁基式平臺有40多座，南海海域有8座樁基式平臺進入廢棄階段，隨著平臺結(jié)構(gòu)使用壽命的臨近，尤其到2020年，2002年以前建設(shè)的所有平臺結(jié)構(gòu)幾乎都將進入廢棄階段，廢棄平臺拆除將在我國海洋領(lǐng)域形成一個新的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展拆除技術(shù)和裝備也迫在眉睫[2，3]。

海上油田廢棄平臺拆除工作是一項受多種因素制約且涉及諸多技術(shù)領(lǐng)域的綜合性系統(tǒng)工程[4，5]。在拆除平臺樁基時，鋼樁切割可以采用內(nèi)切割或外切割方式。如果采用外切割方式，則首先需要在鋼樁外部吹泥造坑，由于海水的流動性，淤泥容易回淤，因此，為了施工人員及設(shè)備的安全，所造的坑需要有一定的坡度，如果在泥面以下4 m位置切割，則需要造直徑約為20 m，深5 m以上的大坑，操作難度較大，危險性較高，施工工期較長。如果采用內(nèi)切割的方式，則需將鋼樁內(nèi)部的淤泥排出，導(dǎo)管架樁內(nèi)排泥作業(yè)是切割樁腿之前最重要的工序，也是最費時、費力的工序，傳統(tǒng)排泥方法受排泥深度、樁的傾斜度、泥質(zhì)以及鋼樁內(nèi)空間狹小的影響很大，但比較需要外部造坑的外切割方式而言，內(nèi)排泥工作量相對比較小，且風(fēng)險較低。在曹妃甸1-6油田廢棄平臺拆除項目中，通過自主創(chuàng)新，研制了一套具有國際先進水平的鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備，這套設(shè)備的應(yīng)用，大大縮短了海上拆除施工工期，降低了拆除棄置費用。

本文對鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備原理及工程應(yīng)用情況進行了介紹，工程實踐表明，該技術(shù)成熟可靠，極大的提高了施工效率，節(jié)約了施工時間及成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備技術(shù)原理

該設(shè)備的原理是利用水泵注入的水通過管線出口端口徑變小來增加水流的噴出速度，利用高速水流對鋼樁內(nèi)泥質(zhì)進行沖擊，將淤泥擊散，同時利用氣舉和泵吸的方式將泥水混合的泥漿從鋼樁內(nèi)排出。

設(shè)備的主要部位為排泥混合艙，主要由噴嘴、注水管線、氣管以及排泥管線組成。注水管線連接注水泵，水泵注入的水流通過注水管線經(jīng)噴嘴的變徑變成高速水流，噴射到鋼樁內(nèi)淤泥上，將淤泥打散。氣管連接氣源，利用氣舉原理將泥漿從排泥管線排出。如果利用泵吸的方式排泥，排泥管線也可連接到泥漿泵上，泥漿泵可以通過排泥管線將泥漿抽出。排泥混合艙示意圖如圖1所示。

圖1 排泥混合艙示意圖

該裝置與傳統(tǒng)的排泥裝置不同，該裝置采用外露噴射裝置，整個內(nèi)排泥裝置的水下部分均為機械結(jié)構(gòu)裝置，電器設(shè)備均安裝在平臺上，不需要專門的防水處理;在測量排泥深度方面，只需在吊裝設(shè)備的鋼絲繩上做好標(biāo)記，通過測量鋼絲繩上標(biāo)記點沿受力方向平移的距離即能推算出排泥的深度，無需專門的數(shù)據(jù)感應(yīng)設(shè)備，因此系統(tǒng)安全可靠、便捷、環(huán)保。該裝置既可以用泥漿泵吸泥，又可以用氣舉法排泥，可以適用不同的工況要求，適用范圍廣。通過試驗，排泥效果良好。

2 工程應(yīng)用實例

曹妃甸1-6油田位于天津港大沽錨地外，距天津塘沽約16海里，于1995年5月投產(chǎn)。由于油井出水嚴(yán)重，當(dāng)年10月關(guān)井停產(chǎn)，廢棄設(shè)施已閑置17年之久。由于該油田廢棄設(shè)施位于錨地附近，對過往船舶航行安全造成一定威脅，同時為恢復(fù)海洋環(huán)境主導(dǎo)功能，保護海洋環(huán)境，決定對該油田的設(shè)施進行全部拆除，主要包括一座四腿導(dǎo)管架、一根1 500 m的雙層海底管道及兩口油井永久封堵棄置及井口設(shè)施拆除工作。同時該廢棄平臺拆除也是鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備首次應(yīng)用于我國海上油氣田拆除廢棄設(shè)施作業(yè)。

在海上實際施工當(dāng)中，主要利用氣舉法進行內(nèi)排泥作業(yè)，鋼樁內(nèi)排泥示意圖如圖2所示，施工步驟如下:

1)將內(nèi)排泥設(shè)備和絞車吊至工作平臺上，并對絞車進行固定;2)在搭建的工作甲板上連接鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備的所有管線;3)將鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備連接在絞車上;4)絞車將鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備下放到鋼樁內(nèi)部，直至內(nèi)排泥設(shè)備到達樁內(nèi)泥面為止;5)絞車鋼絲繩拉直，在鋼絲繩上做好標(biāo)記;6)打開高壓水泵;7)1 min后打開吸泥泵將鋼樁內(nèi)部的泥漿抽出;8)隨著排泥作業(yè)的進行，逐漸放松鋼絲繩，時刻保證排泥設(shè)備貼近樁內(nèi)泥面;9)觀察鋼絲繩標(biāo)記的位置，根據(jù)標(biāo)記位置的變化推算出排泥深度，待下降到要求深度時停止排泥;10)使用絞車將鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備提出。

圖2 排泥示意圖

為保證設(shè)備的工作效率，在實際使用中應(yīng)注意:

1)選擇合適的噴嘴口徑;2)排泥設(shè)備外壁安裝導(dǎo)向滑輪，克服鋼樁斜率以及鋼樁內(nèi)壁障礙物對設(shè)備下放的影響;3)減少混合艙底部支撐的長度，使得噴嘴盡量貼近泥面，目的是增加水流對淤泥的沖擊力;4)盡量延長并適當(dāng)加粗排泥管線，使其盡量貼近泥面，以增加排泥效果;5)排泥混合艙重量適宜，既能保證設(shè)備的搬運、下放，又能防止設(shè)備運轉(zhuǎn)時噴出水流形成較高的反沖力，將設(shè)備頂起而降低排泥效率;6)相應(yīng)提高注水壓力及氣源供氣量，有助于提高排泥效率。

在海上施工過程中，由于鋼樁內(nèi)泥質(zhì)較粘、較硬，設(shè)備排泥效率不高，面對困難，技術(shù)人員集思廣益，根據(jù)現(xiàn)場實際情況對排泥設(shè)備進行了幾次改造，通過改造，排泥效率得到了極大提高:

1)把每個噴嘴上的四個小孔換成了一個稍大的孔，而此噴嘴口徑小于四個小口徑之和，這樣噴出的水流會更加的集中而且力度較大，會提高噴嘴水流對泥層的沖擊力;2)切除內(nèi)排泥設(shè)備原有的四根支撐腿，使噴嘴與排泥管線吸水口盡可能接近泥面，目的是依靠噴嘴將泥土從下而上被水翻起，而吸水口依靠強大吸力將泥漿全部吸走;3)向下延長排泥管線，使排泥管線吸水口盡可能貼近泥面;4)增加內(nèi)排泥設(shè)備配重，防止噴出水流形成較高的反沖力，將設(shè)備頂起而降低排泥效率;5)在設(shè)備底端焊接四根能輕松扎入泥層之中的扎釬，通過設(shè)備運行時自然發(fā)出的震動，松動樁底泥層;6)將排泥管線加粗至8寸并繼續(xù)向下延伸超出噴嘴30 cm的距離，提高排泥管線排泥量。

通過上述改進排泥效率得到了極大的提高，內(nèi)徑1.14 m的樁腿從最初排一根樁用時33.5 h到最后排一根樁用時3.5 h，從效率上計算即從開始0.157 m/h到最后1.240 m/h近8倍速度的提升，尤其是最后一次改進后，整個排泥管線吸泥口完全扎入到泥層之中，依靠氣舉形成的強大吸力排出海面的污水中含有很多的泥沙和泥塊，真正實現(xiàn)了排泥效率的最大化。施工使用的鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備如圖3所示。

3 結(jié)論與展望

在對曹妃甸1-6油田廢棄導(dǎo)管架拆除作業(yè)中，高效完成了鋼樁內(nèi)排泥作業(yè)。在積累了鋼樁內(nèi)排泥成功經(jīng)驗的同時，也帶來了經(jīng)濟性及安全環(huán)保效益，主要包括:1)經(jīng)濟性:鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備的應(yīng)用，為項目節(jié)約1 500人工時，節(jié)約人工費用約8萬元，節(jié)約設(shè)備和耗材費用約40萬元，節(jié)約船舶費用約100萬元，總計節(jié)省近150萬元。2)零風(fēng)險:鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備，不需水下人員對其進行配合操作，只需利用卷揚機將其下放到鋼樁內(nèi)泥面位置即可，作業(yè)時是在海底泥面以下4 m處，工作時形成的高壓水完全不會對平臺上的施工人員造成傷害。同時裝置與傳統(tǒng)的排泥裝置不同，該裝置采用外露噴射裝置，整個內(nèi)排泥裝置的水下部分均為機械結(jié)構(gòu)裝置，電器設(shè)備均安裝在平臺上，不需要專門的防水處理，因此系統(tǒng)安全可靠。3)污染物零排放:該設(shè)備主要介質(zhì)為水和氣，安全環(huán)保，無污染，不會產(chǎn)生對海洋環(huán)境污染的物質(zhì)排放，不會影響海洋生態(tài)平衡。4)無噪聲污染:作業(yè)時除高壓水泵設(shè)備運轉(zhuǎn)外，沒有其他明顯噪聲產(chǎn)生，不會對魚類等生物及漁業(yè)的發(fā)展造成影響。

圖3 施工使用的鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備

鋼樁內(nèi)排泥設(shè)備在渤海灣曹妃甸1-6油田設(shè)施廢棄拆除項目中的首次成功應(yīng)用表明，該技術(shù)是成熟可靠的，具有廣泛的應(yīng)用前景，也為今后我國海上油氣田廢棄拆除工作積累了寶貴的施工經(jīng)驗和技術(shù)基礎(chǔ)。

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