吸力筒型基礎(chǔ)海上拆除技術(shù)

高本金，郝軍

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

吸力筒型基礎(chǔ)海上拆除技術(shù)

高本金，郝軍

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

中國(guó)近海油氣資源開(kāi)發(fā)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，早期建設(shè)的海上石油平臺(tái)大多已接近設(shè)計(jì)壽命，未來(lái)將陸續(xù)退役并予以拆除。鋼制導(dǎo)管架型基礎(chǔ)海洋平臺(tái)建成數(shù)量多，安裝及拆除方案非常成熟。吸力筒型基礎(chǔ)自20世紀(jì)90年代才開(kāi)始在國(guó)內(nèi)使用，拆除案例比較鮮見(jiàn)。結(jié)合現(xiàn)有海洋平臺(tái)拆除技術(shù)，以某海上測(cè)風(fēng)塔拆除項(xiàng)目為例，文中提出了3種吸力筒型基礎(chǔ)海上拆除技術(shù)，從技術(shù)可行性、操作安全性角度對(duì)3種技術(shù)方案的優(yōu)劣進(jìn)行了比較分析。3種技術(shù)方案總體均可行，但在可操作性上存在差異，仍需進(jìn)行深入研究。文章所述關(guān)鍵技術(shù)對(duì)類(lèi)似吸力筒型結(jié)構(gòu)及常規(guī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)都具有典型的工程實(shí)際參考價(jià)值。

吸力筒型基礎(chǔ)；導(dǎo)管架基礎(chǔ)；海上拆除；水下切割；氣囊

0 引言

為滿足我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源供應(yīng)、海陸交通等多方面需求，近幾十年來(lái)，我國(guó)已在中國(guó)近海投資建設(shè)了大量的海洋工程項(xiàng)目，海洋工程結(jié)構(gòu)物服役年限達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后需進(jìn)行拆除，以減少對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響[1-2]。近年來(lái)，中國(guó)海油已開(kāi)始在渤海油田實(shí)施拆除了數(shù)座廢棄的海洋石油平臺(tái)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)海洋平臺(tái)是中國(guó)淺海油氣鉆采平臺(tái)最普遍采用的基礎(chǔ)形式，使用歷史最久，拆除項(xiàng)目已實(shí)施較多，拆除方案也較為成熟[3]，但吸力筒型基礎(chǔ)形式海洋平臺(tái)因其應(yīng)用歷史較短，拆除案例較罕見(jiàn)。

香港中華電力有限公司投資建設(shè)了1座海上測(cè)風(fēng)塔平臺(tái)，該平臺(tái)采用吸力筒型基礎(chǔ)，由海洋石油工程股份有限公司于2012年4月建成并交付，設(shè)計(jì)壽命5 a，按服役壽命要求，該測(cè)風(fēng)塔應(yīng)在建成后5 a內(nèi)拆除。海洋石油工程股份有限公司研究并提出了3種拆除方案，方案所采用的某些創(chuàng)新技術(shù)，可為常規(guī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式平臺(tái)的拆除提供重要的參考。

該測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約850 t，其中3個(gè)尺寸為φ7 000×50×13 100的吸力筒總質(zhì)量約350 t。其電儀設(shè)備都安裝在上部結(jié)構(gòu)中，通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸至陸地。測(cè)風(fēng)塔主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 測(cè)風(fēng)塔三維模型Fig.1 3D model of the met mast

1 裝船及海上安裝過(guò)程

測(cè)風(fēng)塔下部結(jié)構(gòu)采用滑移裝船工藝，其總拖拉滑移重量約1 000 t，使用2臺(tái)45 t拉力的卷?yè)P(yáng)機(jī)將其拖拉至載重量15 000 t的大型駁船上。

在執(zhí)行海上運(yùn)輸工作之前對(duì)駁船穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算，對(duì)測(cè)風(fēng)塔下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)輸狀態(tài)計(jì)算，并對(duì)海上固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部受力分析，根據(jù)海上固定圖紙完成對(duì)測(cè)風(fēng)塔下部結(jié)構(gòu)運(yùn)輸前的焊接固定工作。海上運(yùn)輸前保證未來(lái)48 h天氣良好，以滿足海上運(yùn)輸和吊裝至指定位置所需作業(yè)時(shí)間。

測(cè)風(fēng)塔運(yùn)輸至香港海域指定安裝地點(diǎn)后，采用4 000 t海上全回轉(zhuǎn)式浮吊進(jìn)行安裝作業(yè)，整個(gè)安裝過(guò)程主要包括以下步驟。

1）安裝3臺(tái)吸力泵，然后將測(cè)風(fēng)塔下部結(jié)構(gòu)起吊離開(kāi)駁船，下放到海上指定位置；

2）檢查電氣設(shè)備正常后，關(guān)閉泄流閥，打開(kāi)吸力泵。在吸力筒緩慢下降過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3個(gè)筒的水平度，以保證各筒體底部受力均勻；

3）測(cè)風(fēng)塔在吸力泵作用下下降至指定深度后，移除吸力泵，關(guān)閉閥門(mén)；

4）施工人員登上測(cè)風(fēng)塔平臺(tái)B，將浮吊索具與主吊點(diǎn)分離；

5）吊裝測(cè)風(fēng)塔上部設(shè)備；

6）移除臨時(shí)結(jié)構(gòu)，油漆修補(bǔ)，完成電氣儀表設(shè)備調(diào)試工作。

2 拆除方案

2.1 方案一：常規(guī)整體拆除

通常的拆除方案，是使用與安裝方案同樣的施工船舶和相關(guān)資源，按照安裝方案的逆序進(jìn)行。

該項(xiàng)目在進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)考慮了常規(guī)整體拆除時(shí)的施工工藝要求，例如如何保留安裝時(shí)的吊點(diǎn)等，為今后低成本實(shí)施整體拆除的方案預(yù)留了技術(shù)后門(mén)。因此從安全穩(wěn)妥的角度考慮，方案一是最可靠的選擇。

技術(shù)要點(diǎn)一：水下安裝3臺(tái)吸力泵的技術(shù)。與安裝時(shí)不同，安裝時(shí)是在水面以上完成吸力泵設(shè)備的安裝，使用完畢后在水下進(jìn)行拆除，而拆除時(shí)需要在水下安裝吸力泵設(shè)備。水下就位安裝比水下拆除的工藝難度大。在水下安裝吸力泵撬，需要準(zhǔn)確地將其定位在吸力筒頂部的入水口之上。雖然在測(cè)風(fēng)塔建造時(shí)已經(jīng)預(yù)留了限位導(dǎo)向裝置，但由于限位導(dǎo)向裝置在海底靜置了數(shù)年，表面已長(zhǎng)滿海生物，有可能對(duì)定位工作造成較大的影響。即使只是工期的拖延，對(duì)項(xiàng)目的成敗也非常關(guān)鍵。

技術(shù)要點(diǎn)二：整體提升技術(shù)。由于結(jié)構(gòu)已經(jīng)在海底靜置數(shù)年，吸力筒本體與周?chē)寥酪呀?jīng)形成穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的吸附力相當(dāng)大。雖然在3臺(tái)吸力泵的選型時(shí)已經(jīng)充分考慮了拆除時(shí)克服水下壓力和吸附力的需求，但實(shí)際情況通常比理論計(jì)算更加復(fù)雜。

技術(shù)要點(diǎn)三：整體出水后的裝船技術(shù)。整體出水后結(jié)構(gòu)裝船時(shí)的裝船固定設(shè)計(jì)以及對(duì)突發(fā)惡劣海況的應(yīng)對(duì)措施也是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)整體出水時(shí)重量大尺寸大，吊高要求也很高，浮吊作業(yè)難度相當(dāng)大，因此對(duì)裝船固定設(shè)計(jì)的要求及對(duì)海況分析的要求都很高。

2.2 方案二：水下分體拆除

水下分體拆除的方法為：使用水下切割設(shè)備將整個(gè)結(jié)構(gòu)分解為若干部分[4-5]，然后使用較小的起重船將其逐個(gè)拆解出水裝船。具體拆除工序參見(jiàn)圖2所示。

采用水下分體拆除方案，對(duì)海上施工技術(shù)來(lái)說(shuō)，是個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，具體體現(xiàn)如下：

技術(shù)要點(diǎn)一：水下切割工藝及設(shè)備的選擇。香港特區(qū)政府環(huán)境保護(hù)法對(duì)水下施工的噪聲控制和施工消耗品的排放要求非常嚴(yán)格，因此用于該項(xiàng)目的水下切割工藝及設(shè)備必須滿足低噪聲、無(wú)毒無(wú)害的要求。

圖2 分體拆除工序示意圖Fig.2 Sketch of the separate demolition process

技術(shù)要點(diǎn)二：水下切割順序及潛水作業(yè)時(shí)間的優(yōu)化。以該項(xiàng)目為例，在拆除中央立柱時(shí)，水下有6道口需要切割。這6道口的切割順序，不僅和被切割部分的重量重心有關(guān)，還和船舶就位方位、水流方向、潮汐時(shí)間等環(huán)境因素相關(guān)。同時(shí)，為了加快工程進(jìn)度，有必要對(duì)潛水作業(yè)人員、作業(yè)時(shí)間及切割順序進(jìn)行統(tǒng)籌分析與優(yōu)化。

技術(shù)要點(diǎn)三：水下作業(yè)安全保護(hù)設(shè)計(jì)。水下切割拆除作業(yè)對(duì)潛水員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)高危作業(yè)。如果安全保護(hù)設(shè)計(jì)考慮不周全，會(huì)導(dǎo)致難以估量的嚴(yán)重后果。

2.3 方案三：使用氣囊輔助整體拆除

使用氣囊輔助技術(shù)進(jìn)行整體拆除的方法為：使用小型浮吊，在水下安裝3組共18個(gè)氣囊（每個(gè)氣囊提供凈浮力58 t，共計(jì)可提供1 044 t凈浮力，浮力儲(chǔ)備超過(guò)25%），同時(shí)借助3臺(tái)吸力泵和浮吊的起重能力，將吸力筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體從海底拔出，然后濕拖至近岸淺水區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步拆解[6]。參見(jiàn)圖3。

圖3 氣囊輔助拆除方案示意圖Fig.3 Sketch of the demolition proposal with assistance of air bags

采用這一方案，需要解決一系列的技術(shù)難題。

技術(shù)難點(diǎn)一：氣囊水下安裝及固定技術(shù)。氣囊在水下進(jìn)行安裝時(shí)的狀態(tài)與最終充滿氣的狀態(tài)不一致，對(duì)氣囊之間的連接以及氣囊與水下結(jié)構(gòu)之間的連接設(shè)計(jì)形成挑戰(zhàn)。由于在吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造之初并未考慮到使用氣囊輔助拆除的手段，因此氣囊與吸力筒結(jié)構(gòu)之間的連接設(shè)計(jì)是方案成敗的關(guān)鍵。

技術(shù)難點(diǎn)二：氣囊安全性及可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)。氣囊在海底充滿氣后上浮，至海面時(shí)內(nèi)外壓力差增大，氣囊存在爆裂的可能。因此在氣囊的設(shè)計(jì)上需要予以充分考慮，并進(jìn)行必要的樣品試驗(yàn)，確保安全性和可靠性。

技術(shù)難點(diǎn)三：氣囊組的集中控制技術(shù)。要保證吸力筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平穩(wěn)上拔和上浮，對(duì)18個(gè)氣囊進(jìn)行集中分組控制是必要的。因此需要研究一套集中控制各個(gè)氣囊充氣量和壓力的中央控制系統(tǒng)，用于現(xiàn)場(chǎng)操作。由于大量零部件將隨氣囊下水，因此其使用的可靠性也是十分重要的。

技術(shù)難點(diǎn)四：結(jié)構(gòu)整體濕拖時(shí)的穩(wěn)性分析。為了防止結(jié)構(gòu)在濕拖過(guò)程中發(fā)生傾覆，濕拖穩(wěn)性分析是必要的。同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)屬于異形結(jié)構(gòu)物，各氣囊是松散型連接的離散浮體，因此其穩(wěn)性分析方法又不同于常規(guī)的拖航穩(wěn)性分析。

3 拆除技術(shù)的可行性比較

下面僅就技術(shù)可行性和可操作性方面對(duì)3種拆除技術(shù)進(jìn)行比較。該比較研究不涉及經(jīng)濟(jì)性方面的考量。

方案一是從吸力筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建造之初就已經(jīng)考慮并在具體設(shè)計(jì)中也有具體體現(xiàn)的方案，同時(shí)，這也是業(yè)界普遍采用的成熟方案之一，因此其技術(shù)可行，操作可靠。

方案二也是業(yè)界普遍采用的成熟方案之一，但由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造之初并未予以考慮，同時(shí)水下需要切割的口數(shù)較多，耗時(shí)較長(zhǎng)，因此該方案的實(shí)施效果將嚴(yán)重依賴(lài)于天氣海況和潛水作業(yè)的效率。該方案技術(shù)可行，但操作難度較大、風(fēng)險(xiǎn)較高。

方案三是一個(gè)全新的技術(shù)方案，無(wú)論是從設(shè)計(jì)層面還是從施工層面，都需要深入研究和論證。目前該方案還處于概念設(shè)計(jì)階段，有些施工風(fēng)險(xiǎn)可能還未考慮到，因此還需要更深入的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

以上所論述的3種方案，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上均可行，但在操作風(fēng)險(xiǎn)上差異較大，若不考慮經(jīng)濟(jì)性差異，方案一目前是最優(yōu)的選擇。若綜合考慮技術(shù)可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，三種方案仍需做深入研究。

海洋工程結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形式不同，其拆除工藝也存在較大差異。我國(guó)自20世紀(jì)80年代以來(lái)建設(shè)的近海海洋工程結(jié)構(gòu)物已逐漸接近了設(shè)計(jì)壽命，海洋工程結(jié)構(gòu)物拆除項(xiàng)目將逐年增多，工程項(xiàng)目的實(shí)施也將推動(dòng)技術(shù)研究和技術(shù)進(jìn)步，綜合檢驗(yàn)技術(shù)成果。

[1]周愫承，張?zhí)?海上石油平臺(tái)拆除技術(shù)和工程的研究[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2002，17（2）：1-6. ZHOU Su-cheng,ZHANG Tai-ji.A study on the decommissioning and abandonment technology and engineering of offshore oil platform[J].China Offshore Platform,2002,17(2):1-6.

[2]郝靜輝，楊樹(shù)耕.海上石油平臺(tái)拆除技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2004（4）：51-54. HAO Jing-hui,YANG Shu-geng.Decommissioning and removal of offshore platforms a state of art[J].China Harbor Engineering,2004 (4):51-54.

[3]陳繼紅.淺海導(dǎo)管架采油平臺(tái)拆除方法初探[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2003，14（6）：29-31. CHEN Ji-hong.A primary study on the demolition of jacket type production platform for the shallow water sea[J].Petroleum Planning&Engineering,2003,14(6):29-31.

[4]鐘德理，潘東民，吳誼山，等.高壓水研磨料水下切割設(shè)備在番禺30-1 DPP導(dǎo)管架安裝浮筒拆除項(xiàng)目中的應(yīng)用 [J].中國(guó)造船，2006，47（S）：406-410. ZHONG De-li,PAN Dong-min,WU Yi-shan,et al.The usage of high pressure abrasive subsea cutting equipment in buoyancy removing projectfor Panyu30-1 DPP jacketinstallation[J]. Ship Building of China,2006,47(S):406-410.

[5]陶杰，毛麗娟，惠勝利，等.海上廢棄平臺(tái)鋼樁水下切割方法[J].石油和化工設(shè)備，2013（6）：42-43. TAO Jie,MAO Li-juan,HUI Sheng-li,et al.Offshore abandoned platform steel pile underwater cutting method[J].Petro&Chemical Equipment.2013(6):42-43.

[6]辛?xí)暂x，張孝衛(wèi)，劉玉璽，等.氣囊助浮大型導(dǎo)管架下水可行性研究[J].石油工程建設(shè)，2014，40（5）：26-30. XIN Xiao-hui,ZHANG Xiao-wei,LIU Yu-xi,et al.Feasibility study of large jacket launch aided with gasbags[J].Petroleum Engineering Construction,2014,40(5):26-30.

Offshore removal techniques of suction can foundation

GAO Ben-jin,HAO Jun
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.,Tianjin 300461,China）

China offshore oil and gas resources development went into a rapid developing period since 1980s,the offshore oil platforms early constructed are already close to the design life,they will be retired and removed in the future.Steel jacket foundation offshore platform was built in a great number;the installation and removed scheme is mature.Suction can foundation was used since 1990s with rare remove case.Based on an offshore meteorological mast remove project,we introduced 3 kinds of suction can foundation offshore removed schemes combining with the exiting offshore platform remove technologies,carried out the comparative analysis from the technical feasibility and operational safety.All three technical schemes are generally feasibility,but with different operability which needs to be deep studied.The key techniques mentioned in this paper have typical and practical value for other similar suction can structures and jacket foundation structures.

suction can foundation;jacket foundation;offshore removal;under-water cutting;air bag

U656.6

B

2095-7874（2017）01-0050-04

10.7640/zggwjs201701011

2016-08-25

2016-10-10

高本金（1984— ），男，山東聊城人，經(jīng)濟(jì)師，從事海洋工程項(xiàng)目管理工作。E-mail：gaobj@mail.cooec.com.cn