FPSO中水浮筒重力基盤(pán)拆除打撈分析

楊洪所，高 巍，付東明，趙 強(qiáng)，李曉明

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029)

0 引 言

目標(biāo)油田位于泰國(guó)灣，該油田開(kāi)發(fā)年限已到，作為油田的重要設(shè)施，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)、水下軟管、錨鏈、中水浮筒、中水浮筒下部連接的重力基盤(pán)都需要進(jìn)行拆除。

長(zhǎng)期以來(lái)，工程界對(duì)水下設(shè)施的安裝進(jìn)行相當(dāng)多的研究，而對(duì)于水下設(shè)施的拆除，尤其是重力式水下基盤(pán)的拆除鮮有研究。從本質(zhì)上講，拆除是安裝的逆過(guò)程，但拆除過(guò)程分析往往需要比安裝考慮更多的影響因素。水下重力基盤(pán)的拆除與打撈工作涉及的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)包括：(1)重力基盤(pán)上端連接中水浮筒，中水浮筒的拆除是基盤(pán)拆除的前序工作，浮筒的拆除對(duì)基盤(pán)的拆除作業(yè)有一定的影響；(2)重力基盤(pán)服役超過(guò)30 a，其與土壤的相互作用須進(jìn)行充分評(píng)估；(3)重力基盤(pán)的打撈須在充分評(píng)估工作船的基座式起重機(jī)(簡(jiǎn)稱“起重機(jī)”)能力后方可進(jìn)行；(4)重力基盤(pán)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，須進(jìn)行整體強(qiáng)度評(píng)估，防止上拔及起吊作業(yè)對(duì)吊點(diǎn)及結(jié)構(gòu)造成破壞。

對(duì)目標(biāo)油田FPSO中水浮筒重力基盤(pán)的拆除打撈進(jìn)行分析，分析內(nèi)容包括：起重機(jī)能力校核、基盤(pán)強(qiáng)度校核及基盤(pán)與土壤的相互作用，為項(xiàng)目執(zhí)行及今后類似的拆除工程提供參考與借鑒。

1 基本信息

1.1 整體情況

目標(biāo)油田開(kāi)發(fā)設(shè)施由1艘外轉(zhuǎn)塔FPSO、水下生產(chǎn)軟管、水下臍帶纜、系泊纜、2座中水浮筒和4個(gè)重力基盤(pán)組成。軟管和臍帶纜由中水浮筒支撐，每個(gè)中水浮筒連接2座重力基盤(pán)，如圖1所示。

圖1 水下設(shè)施示例

重力基盤(pán)底部為八邊形框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在考慮10%不確定系數(shù)情況下其干重為38.05 t，其中框架干重為34.40 t，裙板干重為3.65 t。重力基礎(chǔ)底部長(zhǎng)、寬均為6.6 m，整體高為3.1 m。框架結(jié)構(gòu)上部焊接豎向支撐以放置混凝土壓載塊。重力基盤(pán)底部有高約1.0 m的裙板結(jié)構(gòu)以改善入泥后重力基礎(chǔ)的抗拔能力，頂部有1個(gè)吊點(diǎn)通過(guò)纜繩與中水浮筒連接，在拆除作業(yè)中可用于起吊作業(yè)。

圖2 帶裙板結(jié)構(gòu)的重力基盤(pán)

重力基盤(pán)材料為DH36鋼，屈服強(qiáng)度為350 MPa，許用應(yīng)力為245 MPa，在局部應(yīng)力集中處許用應(yīng)力為315 MPa。

1.2 工作船信息

執(zhí)行拆除工作的工作船主尺度信息如表1所示。該船配備DP 2動(dòng)力定位系統(tǒng)。

表1 工作船主尺度信息

工作船裝備1臺(tái)靜態(tài)吊裝能力為100 t、動(dòng)態(tài)吊裝能力為130 t的舷側(cè)折臂起重機(jī)，起重機(jī)位于船體右側(cè)船中后部。圖3為起重機(jī)的具體位置。

圖3 起重機(jī)位置示例

1.3 環(huán)境條件

根據(jù)重力基礎(chǔ)拆除作業(yè)目標(biāo)月份的有義波高-譜峰周期散布規(guī)律，該月份環(huán)境條件較為溫和，有義波高1.8 m對(duì)應(yīng)累計(jì)概率為96.524%，有義波高1.5 m對(duì)應(yīng)累計(jì)概率為92.447%。初步確定作業(yè)最高限制海況為有義波高1.5 m。

在該月份環(huán)境中，海域波浪譜峰周期集中在2.5～7.5 s。有義波高為1.5 m，對(duì)應(yīng)譜峰周期范圍為4.5～7.5 s?？紤]到起重機(jī)位于船體右側(cè)，在實(shí)際工況中考慮工作船左舷迎浪。在動(dòng)態(tài)吊裝分析中采用規(guī)則波分析方法。具體海況環(huán)境條件如表2所示。

表2 動(dòng)態(tài)吊裝海況分析

出于保守考慮，在動(dòng)態(tài)吊裝分析中采用一年一遇風(fēng)速和一年一遇流速與波浪環(huán)境疊加進(jìn)行分析。一年一遇風(fēng)速為14 m/s，一年一遇流速為0.5 m/s。風(fēng)、浪、流均為同方向。

2 分析內(nèi)容及分析軟件

2.1 分析內(nèi)容

整個(gè)重力基盤(pán)的拆除分析工作包括：(1)對(duì)重力基盤(pán)的靜態(tài)吊裝進(jìn)行校核，要求起重機(jī)利用系數(shù)小于80%；(2)對(duì)重力基盤(pán)的動(dòng)態(tài)吊裝進(jìn)行校核，要求起重機(jī)利用系數(shù)小于90%，并給出動(dòng)力放大系數(shù)；(3)分析重力基礎(chǔ)與土壤的相互作用，分析重力基礎(chǔ)上拔力；(4)根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)吊點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

2.2 動(dòng)態(tài)起吊分析

動(dòng)態(tài)起吊分析采用OrcaFlex軟件進(jìn)行模擬[1]，分析方法采用規(guī)則波法。對(duì)重力基盤(pán)進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，將其底部包括裙板結(jié)構(gòu)在內(nèi)的框架模擬成直徑為6.6 m的圓盤(pán)，將上部支撐結(jié)構(gòu)模擬成直徑為3.0 m的圓盤(pán)。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用6D buoy進(jìn)行建模，考慮拖曳力、附加質(zhì)量和抨擊載荷，相關(guān)水動(dòng)力系數(shù)的選取見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

行走在黃驊的鄉(xiāng)間田野，處處青翠蔥郁，鳥(niǎo)語(yǔ)花香，處處展現(xiàn)出一幅“人在畫(huà)中走，心浸生態(tài)游”的現(xiàn)代農(nóng)家景致。在東聚館村，“賞美景、摘冬棗”，越來(lái)越多的游人沉醉于快樂(lè)之中；在小堤柳莊村，獨(dú)具匠心、獨(dú)具特色的鄉(xiāng)村游讓人在感嘆這個(gè)小村莊美麗的同時(shí)悄然想起童年。據(jù)悉，在黃驊，還有農(nóng)家休閑游、風(fēng)情游、文化游……依托各精品項(xiàng)目，黃驊的這些美麗鄉(xiāng)村，讓人享受靜好的鄉(xiāng)間時(shí)光。我們盡量把腳步放慢，因?yàn)槲易哌^(guò)的每一處風(fēng)景，都自然地詮釋著黃驊農(nóng)村的幸福、秀美和變遷。

動(dòng)態(tài)分析模型如圖4所示。重力基盤(pán)的水動(dòng)力參數(shù)如表3所示。

圖4 重力基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)分析計(jì)算模型

表3 重力基盤(pán)水動(dòng)力參數(shù)設(shè)置

動(dòng)態(tài)起吊分析分為如下3個(gè)基本步驟：(1)接近飛濺區(qū)，重力基盤(pán)從海底提升至靜水面下12 m處；(2)穿越飛濺區(qū)，重力基盤(pán)從水下12 m處提升至水面以上1 m處；(3)遠(yuǎn)離飛濺區(qū)，重力基盤(pán)提升至水面以上2 m處。

整個(gè)分析分為6個(gè)子分析階段、7個(gè)波浪方向(0°～180°)、1個(gè)波高(H為2.8 m)、4個(gè)波浪周期(T分別為5 s、6 s、7 s和8 s)，共168個(gè)分析工況。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

重力基盤(pán)為框架結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Structural Analysis Computer System,SACS)軟件對(duì)其進(jìn)行整體強(qiáng)度分析。重力基盤(pán)的吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不宜采用常規(guī)的吊點(diǎn)規(guī)范校核進(jìn)行分析，需要通過(guò)ANSYS Workbench建立吊點(diǎn)模型對(duì)其進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核。

重力基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)分析模型如圖5所示。吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析模型如圖6所示。

圖5 重力基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)分析模型

圖6 重力基礎(chǔ)吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析模型

2.4 上拔力分析

該重力基盤(pán)服役超過(guò)30 a，須充分評(píng)估土壤與裙板的相互作用。重力基盤(pán)的側(cè)摩阻力計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。重力基盤(pán)底部與泥面接觸情況通過(guò)遙控?zé)o人潛水器(Remote-Operated Vehicle，ROV)目視檢查。ROV目視檢查發(fā)現(xiàn)，重力基盤(pán)的裙板結(jié)構(gòu)并未完全入泥，其底部與泥面保持一定距離(約300 mm)，如圖7所示。基于此可忽略重力基礎(chǔ)與土壤之間的吸附力作用。

圖7 ROV目視檢查裙板入泥情況

3 分析結(jié)果

3.1 靜態(tài)起吊利用系數(shù)

重力基礎(chǔ)干重為38.05 t(已考慮10%的不確定系數(shù))，吊裝纜索干重為2.00 t，出于保守不考慮重力基礎(chǔ)與纜繩受到的浮力。整體結(jié)構(gòu)最大靜態(tài)計(jì)算起吊重量為40.05 t，工作船起重機(jī)最大靜態(tài)起吊能力為100.00 t，執(zhí)行本項(xiàng)工作的起重機(jī)能力利用系數(shù)為40%，裕量充足。

3.2 動(dòng)態(tài)起吊分析

重力基盤(pán)動(dòng)態(tài)吊裝分析主要結(jié)果如表4所示。在動(dòng)態(tài)起吊作業(yè)中，當(dāng)重力基盤(pán)穿越飛濺區(qū)時(shí)，動(dòng)態(tài)載荷呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，待重力基盤(pán)完全穿越飛濺區(qū)后，載荷逐漸下降。

表4 重力基盤(pán)動(dòng)態(tài)吊裝分析

續(xù)表4 重力基盤(pán)動(dòng)態(tài)吊裝分析

重力基盤(pán)最大動(dòng)態(tài)吊裝載荷為62.7 t，發(fā)生在重力基盤(pán)位于靜水面位置時(shí)，起重機(jī)利用系數(shù)為48%，對(duì)應(yīng)動(dòng)力放大系數(shù)為1.60。

工作船起重機(jī)具有足夠的裕量完成重力基盤(pán)的起吊作業(yè)。

3.3 上拔力估算

重力基盤(pán)的上拔力由側(cè)摩阻力和吸附力組成，水下調(diào)查顯示基盤(pán)裙板結(jié)構(gòu)并未完全入泥，在上拔力分析中可以忽略吸附力的作用。側(cè)摩阻力計(jì)算式為

Rs=2αSu,aLaHs

(1)

式中：α為黏著系數(shù)；Su,a為平均土壤不排水剪切強(qiáng)度；La為裙板高度；Hs為裙板入泥深度。

限于篇幅，不給出具體計(jì)算過(guò)程。上拔力估算結(jié)果如表5所示。

表5 重力基盤(pán)上拔力估算 kN

目標(biāo)海域海底土質(zhì)較硬，在忽略吸附力的情況下考慮裙板雙側(cè)土壤作用，則最大上拔力達(dá)1 641 kN(約167.0 t)，超出起重機(jī)最大吊裝能力(靜態(tài)100.0 t，動(dòng)態(tài)130.0 t)。若考慮單側(cè)土壤作用，則最大上拔力達(dá)820 kN(約83.5 t)，此時(shí)工作船的起重機(jī)能力滿足要求。

建議采取水下作業(yè)，對(duì)裙板外側(cè)土壤進(jìn)行松動(dòng)處理，以滿足作業(yè)要求。

3.4 重力基盤(pán)整體強(qiáng)度分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)吊裝分析結(jié)果，重力基盤(pán)的吊裝力動(dòng)力放大系數(shù)、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果及上拔力估算結(jié)果將用于重力基盤(pán)整體強(qiáng)度分析，包括2個(gè)工況：(1)重力基盤(pán)受到土壤作用，在分析模型中對(duì)土壤特性進(jìn)行模擬，對(duì)重力基盤(pán)頂部吊點(diǎn)施加170 t的上拔力；(2)重力基盤(pán)處于拔出起吊狀態(tài)，此時(shí)考慮重力基礎(chǔ)的干重，對(duì)重力基盤(pán)頂部吊點(diǎn)施加76 t的拉力(出于保守考慮，動(dòng)力放大系數(shù)取2.00)并考慮重力基盤(pán)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

分析結(jié)果如圖8和圖9所示，2個(gè)工況下的重力基盤(pán)整體強(qiáng)度均滿足要求。

圖8 SACS軟件計(jì)算的重力基盤(pán)整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果(工況1)

圖9 SACS軟件計(jì)算的重力基盤(pán)整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果(工況2)

3.5 重力基盤(pán)吊點(diǎn)有限元強(qiáng)度校核

重力基盤(pán)頂部吊點(diǎn)為吊耳與插銷的組合形式。分析工況包括：(1)對(duì)2個(gè)吊耳各施加85 t的豎向載荷，其中5%為面外力；(2)對(duì)吊點(diǎn)整體施加170 t的豎向載荷。

工況1計(jì)算結(jié)果顯示吊耳最大應(yīng)力為171 MPa，小于許用應(yīng)力(245 MPa)，如圖10所示。

圖10 吊點(diǎn)校核(工況1)

工況2計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng)載荷為150 t((大于工作船實(shí)際能夠提供的最大動(dòng)態(tài)吊力(130 t))時(shí)，最大應(yīng)力約320 MPa，重力基盤(pán)的上部吊點(diǎn)總體是安全的，如圖11所示。

圖11 吊點(diǎn)校核(工況2)

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)位于泰國(guó)灣的某FPSO中水浮筒重力基盤(pán)拆除進(jìn)行工程分析，內(nèi)容包括：起重機(jī)能力校核、基盤(pán)強(qiáng)度校核及基盤(pán)與土壤的相互作用等，結(jié)論如下：

(1) 吊裝重力基盤(pán)的靜態(tài)利用率為40%，最大動(dòng)態(tài)起重機(jī)利用率為48%，在吊裝過(guò)程中起重機(jī)能力充足，重力基盤(pán)動(dòng)力放大系數(shù)為1.60。

(2) 考慮土壤與重力基盤(pán)裙板的相互作用，當(dāng)忽略吸附力時(shí)，重力基盤(pán)裙板與土壤的最大雙側(cè)上拔力為167.0 t、最大單側(cè)上拔力為83.5 t.。

(3) 結(jié)構(gòu)分析顯示吊點(diǎn)能承受150 t上拔力。

考慮到工作船起重機(jī)最大吊力為130 t，為保證工程安全，需對(duì)重力基盤(pán)外側(cè)與土壤固結(jié)區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理以降低重力基盤(pán)上拔力。

在實(shí)際工程操作中還需充分考慮當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)要求、預(yù)處理方法的可行性和工作船拔出重力基盤(pán)的詳細(xì)操作流程，以保證工程作業(yè)順利安全地進(jìn)行。相關(guān)分析流程和方法對(duì)于未來(lái)類似工程項(xiàng)目具有一定的參考和借鑒意義。