異型結(jié)構(gòu)物海上拆除吊裝分析

武斌斌

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

異型結(jié)構(gòu)物海上拆除吊裝分析

武斌斌

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

服役到期的海洋平臺或是受損的其他海洋工程設(shè)施，需要進行拆除回收。對于單點系泊系統(tǒng)中異型結(jié)構(gòu)物的海上拆除吊裝方法不同于常規(guī)平臺的吊裝。以曹妃甸11-1/11-2油田單點系泊系統(tǒng)YOKE拆除吊裝分析為例，介紹拆除吊裝計算中可能遇到的困難及解決方案，并對今后拆除設(shè)計工作提出一些建議。

異型結(jié)構(gòu)物；海上拆除吊裝；吊裝方法；單點系泊系統(tǒng)；吊裝計算

0 引言

海洋石油平臺經(jīng)過30多年的發(fā)展，樁基固定式平臺有近200座[1]。一般海洋石油平臺的設(shè)計壽命在20年左右，因此近幾年，海洋平臺設(shè)施拆除工作已經(jīng)成了海洋工程行業(yè)中的新興產(chǎn)業(yè)。從2014年拆除JZ21-1WHPA和JZ20-2SW兩座固定式導(dǎo)管架平臺[2]到2015年曹妃甸單點系泊系統(tǒng)的成功拆除，標志著我國已經(jīng)具備了海上設(shè)施拆除的能力。

拆除設(shè)計不同于安裝設(shè)計，不是安裝設(shè)計的逆過程，其中包含了很多的不確定性，會影響設(shè)計計算的準確性及拆除吊裝的安全性。目前，我國現(xiàn)行對海洋石油平臺棄置活動的相關(guān)規(guī)定為國家海洋局推出的《海洋石油平臺棄置管理暫行辦法》[3]，而拆除設(shè)計方面的標準規(guī)范卻鮮有提及。因此，拆除吊裝設(shè)計依然采用API-RP-2A規(guī)范[4]。

結(jié)合曹妃甸11-1/11-2油田單點系泊系統(tǒng)中YOKE裝置拆除吊裝的工程實踐，從設(shè)計角度介紹異型結(jié)構(gòu)物在拆除設(shè)計中遇到的困難及解決方法，并對后續(xù)海洋石油設(shè)施的拆除工作提出若干建議。

1 曹妃甸11-1/11-2油田單點系泊系統(tǒng)拆除項目簡介

曹妃甸11-1/11-2油田單點系泊系統(tǒng)(SPM)為水下軟鋼臂結(jié)構(gòu)，世界上僅有3例，此次單點基盤和YOKE的拆除回收在國內(nèi)尚屬首例，其結(jié)構(gòu)包括樁基式基礎(chǔ)、旋轉(zhuǎn)塔和系泊頭3部分。樁基基礎(chǔ)與內(nèi)套筒為一整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)套筒頂部通過螺栓與系泊頭中軸連接，外套筒下部通過4個突起結(jié)構(gòu)與固定于內(nèi)套筒上的水下轉(zhuǎn)盤連接，水下轉(zhuǎn)盤通過2個掛耳與YOKE上的掛鉤連接，系泊頭外框架結(jié)構(gòu)通過2個插尖與外套筒連接，系泊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 單點系泊結(jié)構(gòu)示意圖

該項目實施前，單點系泊的上部組塊和外套筒已經(jīng)全部拆除，僅剩內(nèi)塔筒及其基座和YOKE，海生物均已清理，系泊鏈和提升鏈已拆除，YOKE下放前壓載艙位置已經(jīng)穿好4根引繩，拆除時YOKE壓載艙已入泥2 m，2個鋼性臂中全部壓載海水，壓載艙的中間艙壓載海水，兩端艙內(nèi)除了壓載水泥，其余20%空間壓載海水。YOKE結(jié)構(gòu)示意圖和壓載示意圖如圖2和圖3所示。拆除時YOKE調(diào)離水面后，需通過人孔將YOKE臂和壓載艙中的海水排除后裝船。

圖2 YOKE結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 YOKE壓載示意圖

2 YOKE拆除吊裝分析

拆除設(shè)計基于合理的吊裝方案，而吊裝方案的制定又基于前期調(diào)查工作，包括水下探摸及水下檢測工作。根據(jù)檢測結(jié)果，YOKE上所有被檢測到的結(jié)構(gòu)焊縫狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋，因此YOKE掛鉤前端吊耳可以使用。壓載艙兩端壓載水泥，重量遠遠大于中間艙，強度也較大，為防止吊裝時中間艙斷裂，壓載艙兩端水泥艙各設(shè)置2個綁扎點，并采用沉船打撈技術(shù)中的通扣綁扎方式。YOKE吊裝一共設(shè)置6個吊點/綁扎點。此次吊裝分析采用了Bently公司開發(fā)的SACS程序進行模擬計算。

2.1 模型建立

YOKE結(jié)構(gòu)中管狀桿件由Tubular截面屬性模擬，YOKE LINK采用Box截面屬性模擬，通過等效密度控制重量，壓載艙的水泥重量也采用等效密度的方法實現(xiàn)。坐標原點如圖2所示，起重船為“華西5000”，主鉤和輔鉤同時吊裝，輔鉤通過鋼絲繩與YOKE LINK掛耳上方的兩個吊點相連，主鉤通過鋼絲繩與壓載艙上的4個綁扎點相連，主鉤和輔鉤間距為9 m，吊高為43.44 m，且兩鉤與吊點連線的延長線交點在重心上方，確保在所有工況中鋼絲繩與水平面的夾角大于60°[4]。

2.2 載荷加載

YOKE吊裝的載荷包括結(jié)構(gòu)自重、水泥重量、壓載水重量及吸附力。水泥重量采用桿件等效密度的形式計算在結(jié)構(gòu)自重中，可通過軟件自動加載。壓載水重量又分YOKE臂的壓載水、壓載艙中間艙的壓載水和兩端艙的壓載水，可采用線性載荷的形式加載，而吸附力則由式(1)計算[5]。

(1)

式中：A為結(jié)構(gòu)物與底質(zhì)的水平投影接觸面積，m2；S為底質(zhì)的抗剪強度，kPa；D為結(jié)構(gòu)物在底質(zhì)中的浸深，m；B為結(jié)構(gòu)物的寬度，m；L為結(jié)構(gòu)物的長度，m。

2.3 設(shè)計工況

YOKE拆除過程包括離底起吊過程、水中吊裝過程、出水未排水工況、出水后排水過程和排水后裝船工況。從過程分析：在離底起吊時有吸附力；出水未排水時有壓載水重量但無浮力；排水后裝船工況為了將YOKE擺放在駁船上，起重船扒桿需要變幅。這3種工況比較特殊需要校核計算，以確保吊裝過程的安全性。

通常情況下，吊鉤位置的確定基于結(jié)構(gòu)重心的位置，設(shè)置在重心豎直方向的正上方，并考慮吊裝過程起重船的吊裝曲線。一是因為計算時需要跟實際相符，吊鉤位置確定后不管工況多少，都不能改變位置(實際情況中吊鉤位置的變化是通過調(diào)整起重船上滾筒絞車的鋼絲繩長度來控制的)；二是與結(jié)構(gòu)吊點相連的鋼絲繩長度確定后也不能隨意改變。該項目實施過程中，重量重心是不斷變化的，吊鉤位置的確定變得較為復(fù)雜。該項目中的危險工況可能出現(xiàn)在離底起吊和小中吊裝兩種工況中，因此使用這兩種工況的吊鉤位置分別計算。計算工況見表1， 4個結(jié)果對比見表2，將UC值最大的工況2的吊鉤所在位置應(yīng)用到所有工況進行最終強度計算。

(1)5種多年生牧草品種產(chǎn)量都是在9月產(chǎn)量達到最大值，順序依次為:同德老芒麥(1 094.26 g/m2)>垂穗披堿草(901.73 g/m2)>星星草(834.67 g/m2)>青海中華羊茅(785.03 g/m2)>青海草地早熟禾(622.31 g/m2)。生長期內(nèi)，各牧草品種產(chǎn)量呈遞增趨勢(圖 1)。

表1 計算工況

表2 桿件組UC值結(jié)果對比

圖4 偏心范圍

2.4 偏心計算

在使用SACS進行異型結(jié)構(gòu)物吊裝計算時，由于只模擬了主要桿件，對不規(guī)則桿件進行了簡化，程序計算的重心位置與結(jié)構(gòu)物的實際重心位置會有差異。為了保證吊裝工作的安全性，一般都會增加偏心計算，將實際吊裝中有可能發(fā)生的偏心情況模擬出來，以校核結(jié)構(gòu)桿件、吊點及索具的強度是否滿足要求。

在實際重心位置不明的情況下，偏心計算的范圍需要進行假定，一般情況下，偏心距離取0.5 m。偏心范圍如圖4所示，其中O是模型的理論重心位置，ex和ey為偏移量，1～4是考慮重心產(chǎn)生偏移量時的4種極端重心偏移位置。因此，在分析中使重心沿著x軸偏移±0.5m和沿著y軸偏移±0.5m，計算時采用作用于模型的力偶來模擬重心偏移。

3 異型結(jié)構(gòu)物拆除設(shè)計

3.1 重心不確定

水下異型結(jié)構(gòu)物長期浸泡在水中，腐蝕情況及海生物生長情況不明，重量重心很難準確確定。此外，建模時桿件的簡化也使理論重心與實際重心有偏差。多數(shù)情況下由于結(jié)構(gòu)自身不對稱也會導(dǎo)致偏心問題。因此，吊裝方式及吊點位置的選擇就顯得尤為重要。為了確保在一定范圍內(nèi)偏心吊裝的安全性，計算時需增加偏心計算。

3.2 吊裝方式及吊點設(shè)計

海上平臺的拆除吊裝，在海平面以上可以設(shè)計吊點吊裝[6]。海平面以下的設(shè)施比較復(fù)雜，而且因結(jié)構(gòu)物長期處于海水的浸泡中，結(jié)構(gòu)腐蝕情況不明，需在檢測、檢驗后制定吊裝方案。對于異型結(jié)構(gòu)物，會借鑒沉船打撈技術(shù)，采用卡子或捆綁的方式，設(shè)置通扣進行吊裝。有些特殊結(jié)構(gòu)還可能要在水下進行簡單的拆解，分塊吊出。

異型結(jié)構(gòu)物的吊裝不同于常規(guī)對稱結(jié)構(gòu)的四點吊裝形式，通常會設(shè)置多個吊點或綁扎點，在偏心計算時，需要求解出每個掛點處的力，這屬于超靜定問題。超靜定問題無解，但可以通過合理的假設(shè)進行簡化求解。

在確定吊裝方式時還需要考慮吊裝船舶的吊裝能力、吊鉤數(shù)量及其他影響因素。在該項目中，YOKE與單點基盤相連接，在吊裝時需要先將壓載艙端提升至與掛耳等高，再將YOKE掛鉤從掛耳中吊出。這些都需要在預(yù)調(diào)查時充分了解結(jié)構(gòu)物情況和狀態(tài)后才能做出正確的判斷，確定正確的吊裝方式。

3.3 工況復(fù)雜

異型結(jié)構(gòu)物從水下拆除經(jīng)歷了“泥面-水中-空氣-駁船”的過程。在離開泥面時需要考慮吸附力，水中需要考慮浮力及桿件充水問題，出水后在空氣中需考慮桿件的排水問題，裝船時需考慮浮吊與駁船的距離。每種工況重量不同，需要加載不同的載荷，在充分考慮各種工況荷載的情況下，確定較危險的工況進行計算，得出危險工況的桿件強度結(jié)果，保證吊裝過程的安全、可靠。

3.4 吊鉤位置確定

通常情況下，吊鉤設(shè)置在結(jié)構(gòu)物重心的上方，保證鋼絲繩與平面交角大于60°。YOKE拆除過程從離底、全部出泥、逐漸出水、全部出水到空氣中，再到船上，整個過程受充水、浮力、排水、附連水質(zhì)量、鋼絲繩長度變化等影響，重量重心可能會不斷發(fā)生變化，吊鉤位置很難根據(jù)某一工況進行確定，這就需要在充分考慮所有工況及結(jié)構(gòu)變形的情況下，選擇桿件受力最大和變形最大工況下的吊鉤位置進行校核。

4 結(jié)論

異型結(jié)構(gòu)物的海上拆除設(shè)計不同于安裝設(shè)計，闡述了吊裝方式及吊點設(shè)計、多種工況、重心確定及吊鉤位置等對異型結(jié)構(gòu)物拆除吊裝的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 異型結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)不對稱性使其具有偏心的特性，采用合理的吊裝方式及吊點/綁扎方式可以有效降低吊裝過程中的風(fēng)險，而偏心計算可以增加可控范圍內(nèi)偏心吊裝的可靠性。

(2) 海上拆除過程中會經(jīng)歷多種工況，其重量重心也在不斷變化，合理布置吊點/綁扎點可以減小重心變化對吊裝的影響。

(3) 對于多種工況，需要具體分析每種工況載荷情況，計算出受力相對較大的少數(shù)幾種危險工況。如果施工時船舶調(diào)整位置導(dǎo)致吊裝模型受到影響，還需增加額外的吊裝工況進行計算分析。

[1] 王勇，戴兵，高軍偉.廢棄海洋石油平臺的拆除[J]. 機械工程師，2010，42 (1)：134-136.

[2] 袁玉杰，藍國陽，楊寧，等. 固定式海洋平臺拆除工程設(shè)計要點與探討[J]. 石油和化工設(shè)備，2015, 18(4): 35-37.

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[4] API-RP-2A.Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].2007.

[5] 金廣泉，金濤，陳曉紅，等.底質(zhì)對潛坐結(jié)構(gòu)吸附力的試驗研究[J]. 海軍工程學(xué)院學(xué)報，1998，22 (3)：49-53.

[6] 陳繼紅.淺海導(dǎo)管架采油平臺拆除方法初探[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計，2003，14(6)：29-31.

Analysis of Abnormal Structures Offshore Dismantlement Lifting

WU Binbin

(Offshore Oil Engineer Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

It needs to dismantle and recycle when the offshore platform is service expiration or other marine engineering facility is damaged. The dismantlement lifting method of abnormal structures of single point mooring system is different from that of the conventional lifting platform. Taken YOKE dismantlement lifting analysis of CFD11-1/11-2 oilfield single point mooring system as an example, the difficulties in lifting calculation and their solutions are introduced. Some suggestions are put forward for the future dismantlement design work.

abnormal structure; offshore dismantlement lifting; lifting method; single point mooring system; lifting calculation

2016-04-29

武斌斌(1981-)，女，工程師

1001-4500(2017)02-0029-05

P752

A