水下結(jié)構(gòu)物二次就位計算分析

楊盛， 崔寧， 孫錕， 柳宇， 石錦坤

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

水下生產(chǎn)設(shè)施興起于20世紀(jì)60年代，是利用水下完井技術(shù)結(jié)合固定式平臺、浮式生產(chǎn)平臺等組成不同的海上油田開發(fā)形式，可以避免建造昂貴的海上采油平臺，節(jié)省大量建設(shè)投資，受災(zāi)害影響較小。水下生產(chǎn)設(shè)施在深水油氣田及邊際油氣田開發(fā)時具備明顯的綜合優(yōu)勢，已成為當(dāng)今海洋石油工程領(lǐng)域最認可的深水開發(fā)方式，并在世界很多油氣田得到廣泛應(yīng)用。

典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)按照功能可以分為井口采油樹系統(tǒng)，管匯及連接系統(tǒng)以及水下控制及臍帶纜系統(tǒng)。水下生產(chǎn)設(shè)施通常由水下結(jié)構(gòu)作為承載平臺以提供其海床上的穩(wěn)定性，不同水下結(jié)構(gòu)物的尺寸、形狀及重量差別均較大。常見的水下結(jié)構(gòu)搭載水下生產(chǎn)設(shè)施形式有基盤、管匯、管道終端、吸力錨、采油樹等，有些水下結(jié)構(gòu)物重量可達400 t以上。而不同水下設(shè)施通常配套使用，則對水下結(jié)構(gòu)物的安裝方向及位置提出了要求。水下結(jié)構(gòu)物的安裝，是一項對海況及海床可見度非常敏感的工程，這些都為水下結(jié)構(gòu)物的安裝精度帶來了巨大挑戰(zhàn)[1]。尤其是在一些水下結(jié)構(gòu)物安裝精度受不良因素影響而不滿足設(shè)計要求時，則需要對水下結(jié)構(gòu)物進行二次就位。水下結(jié)構(gòu)物的二次就位，是水下結(jié)構(gòu)物安裝的附屬工程，是一項對環(huán)境及天氣極其敏感的工程，深水油氣田的開發(fā)給水下結(jié)構(gòu)物的安裝帶來了巨大的挑戰(zhàn)[2-5]。

1 水下結(jié)構(gòu)二次就位的困難與挑戰(zhàn)

我國海洋石油天然氣的開采技術(shù)已經(jīng)開始逐步趨于深水領(lǐng)域，意味著更多的水下生產(chǎn)設(shè)施系統(tǒng)將投入使用。水下生產(chǎn)設(shè)施大多依托于防沉板結(jié)構(gòu)，其安裝方法可以分為兩大類：一是傳統(tǒng)型，直接下放，如使用大型浮吊、帶有A吊的DSV等；二是非傳統(tǒng)型，如采用滑輪組、鉛筆浮標(biāo)、懸垂法、月池濕拖等[6-8]。對于深水結(jié)構(gòu)物的安裝，主要面臨以下三個方面的挑戰(zhàn)：1）吊裝和深水下放技術(shù)，包括鋼絲繩纜繩的重量、合成纖維繩的應(yīng)用問題、深水下放動力放大效應(yīng)、共振問題、升沉補償問題等；2）載荷控制和水下定位，包括海流引起的偏移問題、水下精確定位、通信問題、觸底問題及吊鉤控制等；3）天氣窗口，要求較長的作業(yè)天氣窗口，同時有效、快速安裝以及降低安裝時結(jié)構(gòu)對環(huán)境的敏感性。水下生產(chǎn)設(shè)施通常與其他水下配套設(shè)施組合使用，大多具有方向的要求，在安裝時對安裝精度的要求較高，在水下可見度差、海床海流較大的天氣窗口下可能發(fā)生安裝精度不滿足設(shè)計要求的情況，這時需要進行水下結(jié)構(gòu)物的重新就位。對于不能立即進行重新就位的情況下，則需要考慮到海床對結(jié)構(gòu)物會產(chǎn)生吸附力，應(yīng)在分析校核后再實施。

歸結(jié)到底，水下結(jié)構(gòu)物的二次就位難點在于其工況不與安裝工況完全一致，需要二次校核。水下結(jié)構(gòu)安裝位置的土壤地質(zhì)調(diào)查不能做到十分精準(zhǔn)，同時初次安裝后防沉板與土壤發(fā)生沉降作用后無法確定板土之間的相互作用情況，因此要確定所需克服的板土間作用力。由于結(jié)構(gòu)上提是不同于安裝下放的另一種工況，需要校核并確保在將其吊離海床時的結(jié)構(gòu)安全性。對于大部分單防沉板的水下結(jié)構(gòu)由于設(shè)計時采用了較大的安全系數(shù)，因此上提起吊時無需重新校核，然而對于一些具有獨特設(shè)計方案的水下結(jié)構(gòu)，如多防沉板水下結(jié)構(gòu)，則對水下結(jié)構(gòu)二次就位的工況設(shè)計提出了較高的要求。

2 計算方法及理論

結(jié)構(gòu)脫離海床最大的限制即土壤阻力，主要由海床吸附力及縱向摩擦力組成，由于結(jié)構(gòu)物與土壤相互作用情況的未知性，當(dāng)進行年代已久的水下結(jié)構(gòu)物回收時，需注意：1）經(jīng)年累月的海生物積累會大量增加水下結(jié)構(gòu)物的自重；2）考慮到結(jié)構(gòu)管材破損海水貫入所帶來的重量增加；3）報廢回收時無需考慮除吊耳外的結(jié)構(gòu)強度；4）吊耳需進行與陽極之間的電位測試，確保其結(jié)構(gòu)未發(fā)生腐蝕才可使用；5）為減輕海床吸附力，可用水槍沿防沉板邊緣及透水孔打水以消除負壓；6）索具的綁扎位置需要打磨以免海生物影響繩索的正常使用。

而對于水下結(jié)構(gòu)物的再就位，需要考慮二次就位時結(jié)構(gòu)安裝位置土壤基礎(chǔ)的良好性，即在回收時不能破壞土壤，此時無法使用水槍消除防沉板與土壤之間的負壓力?？紤]到土壤固結(jié)沉降的特性，二次就位措施應(yīng)盡量提早進行，以免海床對結(jié)構(gòu)的吸附力隨時間上升。對于海床不可破壞的二次就位工況，推薦的做法是索具偏心起吊。

水下結(jié)構(gòu)物在水下的重新就位分為起吊及再就位兩部分，再就位可依照最初的安裝方案執(zhí)行，而起吊部分由于涉及到土壤阻力則需要進行評估。起吊時結(jié)構(gòu)受到土壤阻力影響，原安裝所用的吊裝索具需進行評估。根據(jù)土壤阻力確定起吊時可能需要的最大上拔力，建立SACS模型計算在該上拔力下結(jié)構(gòu)的安全性[9-11]。

2.1 土壤阻力

水下結(jié)構(gòu)物在回收時受到土壤阻力影響，主要包括土壤對裙板兩側(cè)的摩擦力及防沉板與土壤之間的吸附力，該土壤阻力Qc表示為

式中：Qf為土壤對裙板的摩擦力，同時Qf=As·f（z），As為裙板面積，f（z）為單位面積的摩擦力，且f（z）=β×p0′（z）,β為土壤與鋼板之間的表面摩擦因數(shù)，參考API 2GEO[12]8.14表1選取為0.29，P0（z）是深度為z處的垂直等效應(yīng)力，且P0（z）=z·γ′,z為深度，γ′為土壤的浮容重;Qs為防沉板與土壤之間的吸附力，主要由結(jié)構(gòu)安裝時，板結(jié)構(gòu)擠壓土體并排水產(chǎn)生的負壓力造成，并且隨著結(jié)構(gòu)在海床上放置時間的增長，土體排水固結(jié)的時間也隨之增長，相應(yīng)地會增加板土之間的吸附力。DNV-RP-H103 6.4[13]中推薦吸附力等于該結(jié)構(gòu)的水中重量[14]。

2.2 結(jié)構(gòu)校核

使用SACS軟件計算結(jié)構(gòu)強度，該軟件進行結(jié)構(gòu)校核采用API規(guī)范[3]中的UC值算法，即結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力/結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力<1.0。這里結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力為結(jié)構(gòu)所受正應(yīng)力及兩個方向彎曲應(yīng)力的綜合值，可用下述公式表示：

式中：σa結(jié)構(gòu)所受正應(yīng)力；σz及σy為結(jié)構(gòu)對于其自身z、y軸的彎曲應(yīng)力。

3 工程實例

我國南海崖城13-1氣田海管二期維修項目中，需要在海底天然氣管道某位置進行開孔，采用先安裝三通保護罩，后安裝三通并進行開孔的方案，三通保護結(jié)構(gòu)因在安裝完成后進行測量時發(fā)現(xiàn)較原方案沿海管管線方向偏差了750 mm?？紤]到三通安裝時需要依托保護罩的位置，與原位置偏離可造成三通的安裝范圍不滿足要求，因此需要進行三通保護罩結(jié)構(gòu)的重新就位。

3.1 設(shè)計參數(shù)

結(jié)構(gòu)于水中自重為47 t，結(jié)構(gòu)材料為常見的Q235B及Q345B。結(jié)構(gòu)由三塊防沉板組成，其尺寸規(guī)格見表1所示。

表1 防沉板尺寸規(guī)格

表2 土壤數(shù)據(jù)

設(shè)計土壤參數(shù)見表2，防沉板裙板深度為0.75 m，因此土壤數(shù)據(jù)截取到第二層2.9 m深，并可知土壤以松散的細砂為主，計算時根據(jù)API 2GEO規(guī)范，采用無黏性土的計算理論。

土壤阻力計算時為保守采用土層2的數(shù)據(jù)，計算結(jié)果為Qc=47+25.6=72.6 t。

3.2 SACS模型

根據(jù)圖樣及材料屬性建立三通保護罩結(jié)構(gòu)的SACS模型，如圖1所示。

圖1 SACS模型

3.3 工況及約束

考慮到土壤對于防沉板的阻力隨著吸附力的消逝會逐漸減弱，因此剛性的約束也不可取，在防沉板底部采用50 kN/m彈簧約束。由于當(dāng)三塊板都進行約束時，結(jié)構(gòu)整體平均受力，經(jīng)過SACS初步校核結(jié)果結(jié)構(gòu)強度完全滿足要求。同時考慮到由于該結(jié)構(gòu)由三塊防沉板組成，三塊防沉板與土壤之間各自相互作用，也就是海床對三塊板所產(chǎn)生的吸附力不平均，因此在施加約束時，不能將結(jié)構(gòu)物底部進行全約束。除全約束外，兩種約束工況需進行校核如圖2及圖3，其中右側(cè)防沉板僅沿有裙板部分進行約束。

圖2 結(jié)構(gòu)底部約束類型1

圖3 結(jié)構(gòu)底部約束類型2

結(jié)構(gòu)所受提拉載荷為：結(jié)構(gòu)水中自重+板土間吸附力+裙板摩擦力=119.6 t。該荷載應(yīng)直接施加于鋼絲繩的交點位置，同時由于不同約束工況皆有可能發(fā)生，為滿足不同工況的結(jié)構(gòu)強度要求，需設(shè)計合理的偏心索具吊裝，如圖4所示。且由于結(jié)構(gòu)固定于海床，上提工況不考慮動態(tài)放大系數(shù)。但索具及吊耳的校核需要考慮1.25的偏心荷載系數(shù)以及1.05的重心偏移系數(shù)。

提拉時的結(jié)構(gòu)強度校核結(jié)果見表3。

由表3可知，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比全部滿足小于1.0的要求，故該上拔過程滿足三種可能發(fā)生的設(shè)計工況，確保結(jié)構(gòu)在向上提拉過程中的安全性。

圖4 索具偏心位置

表3 結(jié)構(gòu)強度校核結(jié)果

3.4 工程實例總結(jié)

該實例最大的難點在于設(shè)計一種索具布置要滿足所有可能發(fā)生的其他工況下的結(jié)構(gòu)強度。施工上，水下結(jié)構(gòu)物重新就位最不可推斷的就是土壤阻力過大，尤其是海床吸附力過大時進行提拉產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。海床吸附力因結(jié)構(gòu)沉降對土壤產(chǎn)生的固結(jié)無法進行精確估算，同時土壤參數(shù)與設(shè)計數(shù)值也存在差異性，使得計算水下結(jié)構(gòu)的抗拔力時不能精確計算。通常的海床吸附力都由工程試驗中得出數(shù)據(jù)，為之后的工程應(yīng)用提供參考。

在工程設(shè)計時計算得出結(jié)構(gòu)最多受到119.6 t的上拔力，施工方案設(shè)計為吊機荷載從結(jié)構(gòu)自重開始緩慢增加，每增加5 t保持1 min。最終結(jié)構(gòu)脫離海床時的吊機最大荷載為60 t，說明除去自重外的土壤阻力為13 t，小于設(shè)計數(shù)據(jù)，即設(shè)計方案的重新就位工況計算滿足施工要求。

4 結(jié) 論

海床對于水下結(jié)構(gòu)物上提土壤阻力的實際荷載與理論計算數(shù)值很難一致，緣由即為計算所用的土壤參數(shù)都為理論值，而吸附力亦為DNV給予的推薦用法，而天然土層的各項參數(shù)都為十分復(fù)雜的非線性數(shù)值。在相同類型的水下結(jié)構(gòu)物二次就位時，應(yīng)注意盡量早做決定來減小土壤固結(jié)，采用偏心索具來減小土壤對結(jié)構(gòu)物的吸附力，同時注意考慮到海床土壤阻力的工況多樣性以確保結(jié)構(gòu)安全。

本方法在確保了結(jié)構(gòu)物在回收時的結(jié)構(gòu)安全，同時給定結(jié)構(gòu)可承受的最大荷載，對施工時的吊機可提供的最大荷載提供了數(shù)值依據(jù)，也為相似施工提供了指導(dǎo)意義。

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