背拉法拆除導管架過程中駁船的運動分析

胡振國，陶 杰，劉雪宜，徐龍達，唐友剛，白 杰

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.天津大學，天津 300350

我國海上老齡導管架平臺已有近百座，有的導管架平臺所在區(qū)塊油井已經(jīng)干枯，因此需拆除這些沒有存在價值的導管架平臺。預計全球未來五年內(nèi)將有600多個海上油氣設(shè)施拆除項目，將迎來油氣設(shè)施新的報廢高峰期[1-2]。

目前導管架平臺的拆除作業(yè)方法通常采用浮吊，即將截斷的導管架平臺吊裝至駁船甲板，此方法需要專用起重船，或者在駁船上加裝起重機[2-3]，施工裝備投資高，經(jīng)濟性較差。本文提出一種新型的導管架拆除方法即駁船背拉法拆除導管架，該方法的特點是不需要起重設(shè)備和起重船，通過布置在駁船上的滑輪及纜索系統(tǒng)，將導管架平臺拖拉裝船，該方法尚無國內(nèi)外施工應(yīng)用先例。本文基于駁船背拉法拆除導管架平臺的方案，重點分析駁船尾部連接導管架時，駁船系統(tǒng)的水動力響應(yīng)，計算不同海洋環(huán)境下駁船的運動和系泊系統(tǒng)張力，確定該拆除方案的可行性。

1 背拉法拆除導管架的作業(yè)設(shè)施

為了使駁船適應(yīng)拆除平臺作業(yè)，需要在駁船上安裝滑輪和絞車，形成背拉導管架作業(yè)設(shè)施，主要由以下三個系統(tǒng)構(gòu)成：提升系統(tǒng)（系統(tǒng)A）、制退系統(tǒng)（系統(tǒng)B）、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)（系統(tǒng)C），每個系統(tǒng)的組成及功能如下：

（1） 系統(tǒng)A功能。系統(tǒng)A主要包括動滑輪2個、定滑輪4個、鋼纜2根、絞車2部，兩舷對稱安裝，見圖1。其功能為向上提升導管架。

圖1 系統(tǒng)A示意

（2） 系統(tǒng)B功能。系統(tǒng)B主要包括動滑輪2個、定滑輪2個、鋼纜2根、絞車2部，兩舷對稱安裝，見圖2。其主要功能為控制導管架的重心位置，防止導管架突然傾倒撞擊到駁船甲板；在導管架與甲板的傾斜角度很小時，通過拉緊B系統(tǒng)，也能在一定程度上減小導管架下落速度，防止撞擊甲板。

圖2 系統(tǒng)B示意

（3） 系統(tǒng)C功能。系統(tǒng)C主要包括定滑輪2個、鋼纜2根、絞車2部，兩舷對稱安裝，見圖3。其功能為提供使導管架旋轉(zhuǎn)的力，拉動導管架傾斜上船；在導管架傾斜度較小時，控制導管架下落到甲板的速度。

圖3 系統(tǒng)C示意

2 背拉導管架作業(yè)設(shè)施的工程設(shè)計

2.1 導管架和駁船的基本參數(shù)

導管架所在海域水深20 m。在駁船尾部，通過系統(tǒng)A的吊點及系統(tǒng)C的吊點將導管架與駁船尾部連接，連接方式如圖1和圖3所示。在泥面以下4 m處切斷樁腿，借助駁船的剩余浮力將導管架拔出。拔出后導管架高度為29.7 m（不包括上部結(jié)構(gòu)），海面到頂部7.5 m，導管架質(zhì)量506 t。駁船的基本參數(shù)見表1，滿載吃水4.5 m，排水量為10 823.79 t。

表1 駁船的基本參數(shù)

選取的系泊纜直徑48mm，破斷張力為1210kN，船首和船尾各設(shè)2個系泊點，每個系泊點有兩根系泊纜，系泊纜之間的夾角為5°，拋纜角分別為45°和50°。

選取的海洋環(huán)境第一工況為：流速1.0 m，風速10.0 m/s，有義波高1.0 m；第二工況為：流速1.0 m，風速10.0 m/s，有義波高1.5 m。

2.2 背拉導管架作業(yè)設(shè)施的改裝

系統(tǒng)A：甲板上絞車距離船尾42000mm。

系統(tǒng)B：絞車距離船尾40 000 mm。

系統(tǒng)C：甲板上滑輪距離船尾36000mm，絞車距離定滑輪2 m。

在海面以上導管架樁腿上安裝定滑輪4個，導管架下部提拉位置安裝吊耳2個，導管架兩側(cè)對稱安裝；系統(tǒng)C和系統(tǒng)B與導管架連接的定滑輪安裝在導管架樁腿上；在駁船上布置背拉導管架設(shè)施，在甲板上安裝滑輪和絞車，見圖4。

圖4 絞車布置示意

3 導管架背拉過程水動力計算及運動模擬

導管架上船過程中，從提升開始離開泥面，逐步傾斜，直至最終落到甲板上，將此過程分解為如下步驟：導管架傾斜角度依次為 0°、15°、30°、45°、60°、75°，最后導管架落到甲板上。

在提拉裝船過程中，導管架和駁船連接在一起，在裝船過程中導管架傾斜角度不同，處理為載荷位置的變化。計算分析導管架每個傾斜狀態(tài)的船舶運動、系泊張力以及背拉纜索載荷。

3.1 水動力計算模型

處于駁船連接導管架狀態(tài)，駁船質(zhì)量9 300 t（包括壓載水），導管架質(zhì)量506 t，導管架受到的浮力忽略不計，作為安全儲備，駁船尾部連接導管架后的質(zhì)量合計9 806 t，駁船吃水4.09 m，系泊線的布置見圖5。按照上述數(shù)據(jù)基于MOSES軟件計算背拉導管架過程駁船的水動力和運動。

圖5 駁船系泊線及水動力模型

3.2 計算結(jié)果

計算結(jié)果如表2～5所示。

表2 1.0 m波高時不同浪向下系泊纜最大拉力

由表2～5可知，隨浪向角增大，系泊纜張力和橫蕩運動不斷增大，橫蕩運動是背拉法拆除過程的主要風險。有義波高1.0 m時0° ～45°浪向角可以滿足作業(yè)要求，系泊張力287 kN，橫蕩運動1.477 m。有義波高1.5 m時0° ～30°浪向角，系泊張力444 kN，橫蕩運動3.0 m，橫蕩運動較大，施工有風險，有義波高1.5 m時不允許施工作業(yè)[4-5]。

表3 1.0 m波高時不同浪向下運動幅值

表4 1.5 m波高時不同浪向下系泊纜最大拉力

表5 1.5 m波高不同浪向下運動幅值

4 結(jié)論

本文提出了駁船背拉法拆除導管架的新技術(shù)，并以拆除小型導管架為例，進行了導管架背拉過程駁船運動模擬，主要結(jié)論如下：

（1）背拉法拆除導管架作業(yè)中上船過程是該方法的關(guān)鍵施工步驟，此過程中駁船的運動對于施工過程安全具有重要影響。

（2）背拉法拆除導管架作業(yè)中駁船運動風險主要來自橫蕩和縱蕩，而橫蕩主要與浪向角密切相關(guān)，當浪向角大于45° 時，駁船的橫蕩運動達到3 m，不宜進行拆除作業(yè)。

（3）控制駁船的運動采用8纜系泊是可行的，駁船的運動可以得到有效控制，為背拉施工提供穩(wěn)定的作業(yè)平臺。

（4）系泊纜張力主要受浪向角的影響，隨浪向角增大，系泊張力不斷加大。