一種高效拆除邊際油田組塊的隱藏式吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

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(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

0 引 言

中國(guó)海域遼闊，島嶼眾多，有漫長(zhǎng)的海岸線，在140 m等深線內(nèi)的大陸架總面積有130×104km2，經(jīng)過(guò)幾十年的海洋地質(zhì)勘探普查，初步估計(jì)中國(guó)沿海大陸架的石油資源儲(chǔ)量為(150～400)×108t，天然氣資源儲(chǔ)量約為10×1012m3[1]。20世紀(jì)60年代以來(lái)，中國(guó)海上石油迎來(lái)開(kāi)發(fā)高潮，在海上建起了千百座導(dǎo)管架平臺(tái)和其他海上結(jié)構(gòu)物[2]。但多數(shù)海上油田屬于中、小型油田或邊際油田，年產(chǎn)量不高，若采用常規(guī)的方法和裝備開(kāi)采這些海上油田，生產(chǎn)成本較高，在目前世界石油價(jià)格偏低的情況下，沒(méi)有多大的價(jià)值。顯然，這些油田不能利用常規(guī)方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)[3]。此外，中國(guó)海上油氣田壽命一般為10～20年，邊際油田約為5～10年，2016年估計(jì)將有60%左右已投產(chǎn)的海上油氣生產(chǎn)設(shè)施陸續(xù)退役并棄置。

根據(jù)國(guó)際公約、國(guó)際慣例和國(guó)內(nèi)有關(guān)法律、法規(guī)要求，為保護(hù)海洋環(huán)境和不妨礙對(duì)其他海洋資源的開(kāi)發(fā)，海上構(gòu)筑物退役后，如無(wú)其他用途，通常應(yīng)拆除或部分拆除[4]。在這種情勢(shì)下產(chǎn)生的海洋平臺(tái)拆除也成了一個(gè)新的工程技術(shù)領(lǐng)域。海洋石油平臺(tái)拆除工程量大，運(yùn)用設(shè)備、船只多，施工期較長(zhǎng)，所使用的技術(shù)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，涉及的領(lǐng)域多，這些因素都將導(dǎo)致拆除工程的費(fèi)用高。

國(guó)外資料指出，在北海海區(qū)，拆除的總成本經(jīng)多方面估計(jì)，占設(shè)備初投資費(fèi)用的3.3%～6.7%[2]，拆除費(fèi)用相當(dāng)可觀。因此，在符合環(huán)保要求的前提下，需要優(yōu)化拆除方案實(shí)現(xiàn)降本增效。對(duì)組塊來(lái)說(shuō)，除了工藝管線等處理外，整體拆除是較為經(jīng)濟(jì)合理的拆除方式。

為確保安全，對(duì)于每一項(xiàng)海洋石油平臺(tái)的拆除事先必須做好安全防護(hù)措施和可靠性分析工作。施工者應(yīng)充分考慮起重吊點(diǎn)、傳力路徑和構(gòu)件應(yīng)力分析，仔細(xì)設(shè)計(jì)[2]。

吊點(diǎn)關(guān)乎海上吊裝作業(yè)安全,在工程實(shí)施中非常重要[5]，是平臺(tái)安裝及拆除時(shí)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。邊際油田組塊一般重量較輕，本文以1 200 t吊重的組塊吊點(diǎn)為例，介紹一種適用于新平臺(tái)安裝，安裝后不必拆除，在超過(guò)使用年限后，可以直接用于組塊拆除吊裝的新型吊點(diǎn)設(shè)計(jì)。

圖1 傳統(tǒng)主板形式吊點(diǎn)

1 傳統(tǒng)吊點(diǎn)與新型吊點(diǎn)的不同

圖2 切除平臺(tái)部分原主結(jié)構(gòu)(立柱) 圖3 重新安裝的吊點(diǎn)

1.1 傳統(tǒng)吊點(diǎn)

傳統(tǒng)吊點(diǎn)一般分為主板和耳軸等2種形式。邊際油田組塊較輕，一般采用主板形式吊點(diǎn)。吊點(diǎn)往往設(shè)置在組塊頂甲板的立柱環(huán)板頂部，在平臺(tái)安裝就位后進(jìn)行切割、補(bǔ)板、補(bǔ)滑道梁等各種海上施工工作[6]。吊點(diǎn)如圖1所示。

在平臺(tái)拆除時(shí)，若采用吊裝方式，需要進(jìn)行吊點(diǎn)的重新安裝，一般采用切除平臺(tái)部分原主結(jié)構(gòu)(立柱)的方式，如圖2、圖3所示。

如圖3所示，將新的吊點(diǎn)和立柱焊接成整體，到海上在平臺(tái)上切割部分立柱，與吊點(diǎn)整體焊接，再實(shí)施吊裝。

圖4 可重復(fù)利用的新型吊點(diǎn)

在此類吊點(diǎn)形式的應(yīng)用中，應(yīng)注意拆除吊點(diǎn)較平臺(tái)安裝吊點(diǎn)而言，卡環(huán)加高、彎矩增大?？傮w來(lái)說(shuō)，形式較為傳統(tǒng)，設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但新平臺(tái)安裝及平臺(tái)拆除過(guò)程中需要進(jìn)行較多海上施工，在降本增效方面效果不佳[6]。

1.2 一種新型的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

針對(duì)邊際油田吊裝重量較輕的組塊，可以重新利用新型吊點(diǎn)，進(jìn)行平臺(tái)拆除工作。吊點(diǎn)形式如圖4所示。

2 新型吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1 吊點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

吊點(diǎn)位于平臺(tái)甲板內(nèi)側(cè)，而不是常規(guī)的上甲板上面。上層甲板立柱的頂部設(shè)置鉆機(jī)模塊滑道梁，吊點(diǎn)在側(cè)下方，即吊點(diǎn)在立柱環(huán)板的下方[6]，如圖5、圖6所示。

圖5 使用新型吊點(diǎn)設(shè)計(jì)的平臺(tái)平面圖(最上層)

圖6 使用新型吊點(diǎn)設(shè)計(jì)的平臺(tái)立面圖

2.2 新型吊點(diǎn)的基本設(shè)計(jì)思路

(1) 將吊點(diǎn)設(shè)置在平臺(tái)上甲板的立柱側(cè)下方，與主軸呈一定夾角。

(2) 在吊點(diǎn)上方設(shè)置可移動(dòng)蓋板，安裝完畢后可以方便蓋上，保持甲板完整。

(3) 吊點(diǎn)應(yīng)伸出立柱環(huán)板，以保證組塊吊裝時(shí)，卡環(huán)吊繩不與結(jié)構(gòu)碰撞。

(4) 吊點(diǎn)為padeye主板形式，主板方向與吊繩保持一致。

(5) 因吊點(diǎn)設(shè)置在側(cè)面，需考慮卡環(huán)安裝時(shí)的合理空間。

2.3 新型吊點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)

(1) 避免海洋平臺(tái)吊裝后進(jìn)行吊點(diǎn)切割、打磨、補(bǔ)甲板等海上施工作業(yè)。

(2) 吊點(diǎn)一般在鉆機(jī)模塊滑道梁上，新型吊點(diǎn)在側(cè)下方，因此不必進(jìn)行滑道梁的補(bǔ)焊、調(diào)平等工作，節(jié)約了海上施工耗時(shí)，降低了難度。

(3) 超過(guò)設(shè)計(jì)年限后的平臺(tái)拆除時(shí)，不需重新切割主結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊點(diǎn)焊接的工作。

3 新型吊點(diǎn)設(shè)計(jì)需注意的問(wèn)題

3.1 新型吊點(diǎn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1) 卡環(huán)安裝空間的局限。尤其在偏心較大的情況下，主板偏向一側(cè)腹板，銷軸安裝拆卸空間極為有限。

(2) 吊點(diǎn)板受平面外吊繩拉力時(shí)因銷軸作用點(diǎn)距離主板根部較遠(yuǎn)，彎矩過(guò)大，極易破壞。

圖7、圖8分別給出了采用ANSYS軟件建成的新型吊點(diǎn)3D模型和有限元模型。模型模擬了4個(gè)大梁、大梁相交的節(jié)點(diǎn)和新型吊點(diǎn)?？紤]到SOLID單元在厚度方向的模擬較為靈活，可以生成多層網(wǎng)絡(luò)，為獲取精確結(jié)果，以及考慮結(jié)構(gòu)厚度方向應(yīng)力變化的結(jié)構(gòu)，選取SOLID單元較為合適。所以本計(jì)算以VOLUME建模作為計(jì)算模型，使用SOLID 185單元將網(wǎng)格劃分為236 337個(gè)單元。新型吊點(diǎn)材料的彈性模量E=200 000 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3,模型的約束條件為全約束，如圖9所示。

圖7 新型吊點(diǎn)的3D模型 圖8 新型吊點(diǎn)的有限元模型

圖9 新型吊點(diǎn)有限元計(jì)算的約束條件

新型吊點(diǎn)兩側(cè)的大梁信息見(jiàn)表1。

表1 新型吊點(diǎn)兩側(cè)大梁信息

新型吊點(diǎn)的材料信息見(jiàn)表2。

表2 新型吊點(diǎn)材料信息

圖10 新型吊點(diǎn)的有限元計(jì)算結(jié)果(有5°面外角)

有限元計(jì)算結(jié)果如圖10所示，其中屈服強(qiáng)度范圍取值為292.5 MPa。從圖10中可以看出：吊點(diǎn)板受平面外吊繩拉力時(shí)因銷軸作用點(diǎn)距離主板根部較遠(yuǎn)，彎矩過(guò)大，極易破壞。

3.2 空間問(wèn)題的考慮

(1) 吊點(diǎn)設(shè)置在上甲板內(nèi)側(cè)，安裝空間比較狹小，附近一般有其他管線等設(shè)施，所以需核對(duì)安裝空間，避免卡環(huán)無(wú)法安裝、吊繩拉起時(shí)碰撞的問(wèn)題發(fā)生。安裝空間主要包含：

① 銷軸的安裝空間(包含橫向空間和縱向空間)。

② 卡環(huán)的安裝空間。

③ 吊繩的安裝空間。

圖11 主吊點(diǎn)位置上環(huán)板的形式(平面圖)

(2) 由于銷軸和卡環(huán)的安裝空間有限，應(yīng)注意：一是主吊點(diǎn)的主板不能太靠近兩側(cè)的梁，即吊點(diǎn)主板與主梁夾角不能過(guò)小，保證卡環(huán)銷軸可以安裝；二是吊點(diǎn)圓孔中心距立柱間距應(yīng)加大，避免卡環(huán)安裝及使用過(guò)程中的碰撞。

(3) 由于主結(jié)構(gòu)一般早于主吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)，因此主吊點(diǎn)位置的上環(huán)板一般設(shè)置為圓弧形以適應(yīng)最終主吊點(diǎn)角度變化，如圖11所示。

(4) 為了避免吊繩與上環(huán)板碰撞，一般需要把上環(huán)板縮短，如圖12所示。

圖12 主吊點(diǎn)位置上環(huán)板的形式(立面圖)

圖13 主吊點(diǎn)吊點(diǎn)孔 內(nèi)側(cè)焊接示例

3.3 受力考慮

(1) 因吊點(diǎn)從立柱側(cè)面伸出，為避免卡環(huán)吊繩與結(jié)構(gòu)(主要是環(huán)板)相碰，吊點(diǎn)的主板需要外伸一定距離，對(duì)主板受彎極為不利，需要加強(qiáng)此部分校核。

(2) 為使吊點(diǎn)受力盡可能避免與吊繩力產(chǎn)生較大面外角，在建造工期允許的情況下可以考慮先稱重，再焊主吊點(diǎn)；如果組塊重心不確定，工期也不允許，可以考慮使用吊裝框架。

3.4 防腐考慮

因吊點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)整個(gè)平臺(tái)使用壽命的考驗(yàn)，所以防腐問(wèn)題尤為重要。

除了吊點(diǎn)位于平臺(tái)上甲板內(nèi)側(cè)以外，可考慮在主吊點(diǎn)吊點(diǎn)孔內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接，如圖13所示，其作用是避免吊點(diǎn)孔內(nèi)側(cè)進(jìn)水腐蝕吊點(diǎn)。

4 結(jié) 論

近年來(lái),中國(guó)的遼河油田、大港油田、勝利油田的極淺海油田開(kāi)發(fā)進(jìn)程加快,其屬性也都?xì)w屬于邊際油田,要求設(shè)計(jì)研究出能適合于邊際油田和極淺海油田的實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)的簡(jiǎn)易平臺(tái)。許多工程師和科學(xué)家致力于簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝或研制新型平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式來(lái)滿足邊際油田的低成本、高效率的開(kāi)發(fā)。

傳統(tǒng)吊點(diǎn)形式簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)。但新平臺(tái)吊裝后需要一系列海上施工：切割，切割處打磨，再鋪甲板焊接或者補(bǔ)齊吊點(diǎn)處的滑道梁，尤其是補(bǔ)滑道梁，需要調(diào)節(jié)平整度，熔透焊，焊縫檢驗(yàn)等工作，耗時(shí)費(fèi)力。待平臺(tái)服役結(jié)束，需要進(jìn)行新吊點(diǎn)及立柱部分的鋼材采辦，重新制造吊點(diǎn)，運(yùn)輸至海上切割部分立柱后進(jìn)行熔透焊接，48 h后檢驗(yàn)等。

本文介紹了一種適用于組塊安裝和拆除的吊點(diǎn)形式，一物多用，不僅可供新組塊安裝時(shí)使用，而且可以在平臺(tái)服役期滿后再次利用，節(jié)省了海上施工人力投入和船舶資源的大量費(fèi)用，也節(jié)省了重裝吊點(diǎn)的鋼材材料，提高平臺(tái)拆除的效率，為實(shí)現(xiàn)降低成本提供了好方法。此外，在該種新型吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮空間問(wèn)題、受力問(wèn)題和防腐問(wèn)題，以期得到最佳的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，保證工程的施工安全。

在現(xiàn)在油價(jià)低迷且持續(xù)時(shí)長(zhǎng)不定的情勢(shì)下，如何降低工程成本、降低海上施工的難度和工作量都是需要在設(shè)計(jì)中提前考慮的。邊際油田一般設(shè)施簡(jiǎn)單、重量較輕，本文介紹的吊點(diǎn)形式可以很好地適用于此類平臺(tái)。吊點(diǎn)形式可以推廣應(yīng)用，較小重量的模塊、結(jié)構(gòu)物都可以根據(jù)吊點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)形式予以小幅改動(dòng)加以使用。