海上棄置平臺樁管熱熔拆除裝置研制

崔希君

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院， 山東 東營 257000)

隨著海上石油勘探、開發(fā)的不斷深入，越來越多的固定采油平臺將達到或超過設(shè)計使用壽命，大量的導(dǎo)管架平臺、火炬、棧橋等支撐樁管被棄置，給海上航運及施工安全帶來了巨大的隱患[1-2]。海上棄置樁管拆除成為海上油氣田開發(fā)中亟待解決的問題。通過前期調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，油田海上棄置樁管直徑為800～1 300 mm，壁厚18～30 mm，傾斜度為1∶10～1∶8，水深5～17 m，入泥深度一般在20 m左右，入泥4 m位置多為黏土層或粉砂層，海水滲透率較低[3]。本文提出一種基于自動控制技術(shù)的海上樁管內(nèi)部熱熔切割技術(shù)，并設(shè)計研發(fā)了新型拆除裝置，實現(xiàn)棄置樁管海底泥面4 m以下的切割拆除作業(yè)能力。提高了拆除海上棄置平臺樁管作業(yè)的自動化程度及效率，降低作業(yè)人員的作業(yè)風(fēng)險和施工成本[4-5]。

拆除裝置本體作為關(guān)鍵部件，主要包含裝置徑向定位模塊、下放導(dǎo)向模塊、旋轉(zhuǎn)切割模塊、送風(fēng)模塊、排水模塊[6]。通過對裝置徑向定位模塊、下放導(dǎo)向模塊及旋轉(zhuǎn)切割模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，保證下放過程中具有一定的避障能力和定位過程中裝置的對中性；送風(fēng)換熱裝置及排水裝置研究，包含送風(fēng)量與散熱量間的匹配，排水裝置排水能力的估算等因素對拆除裝置進行設(shè)計[7-8]。通過數(shù)值模擬分析初步設(shè)計模塊的結(jié)構(gòu)強度，同時，按照設(shè)計方案，生產(chǎn)1∶1拆除裝置樣機，經(jīng)海上模擬試驗驗證了裝置的功能適用性及作業(yè)可靠性。

1 拆除裝置本體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

拆除裝置本體結(jié)構(gòu)是海上棄置平臺樁管熱熔拆除裝置功能實現(xiàn)的載體，其關(guān)系到裝置運行的可靠性、作業(yè)范圍的適應(yīng)性等，主要包括下放導(dǎo)向及徑向定位模塊、割炬外伸及旋轉(zhuǎn)切割模塊、送風(fēng)模塊、排除滲水模塊。采用模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中，上部為導(dǎo)向及徑向定位模塊，下部承接旋轉(zhuǎn)切割模塊，兩端設(shè)錐形防撞結(jié)構(gòu)，最下端為排水泵，采用法蘭與上部結(jié)構(gòu)連接，旋轉(zhuǎn)切割模塊下端均布送風(fēng)接口。具體技術(shù)指標見表1。

表1 拆除裝置主體設(shè)計指標

2 拆除裝置本體各部件設(shè)計

2.1 下放導(dǎo)向及徑向定位模塊設(shè)計

裝置在入管下放過程中，由于管斜及裝置自身重量分布不均的原因，極易出現(xiàn)姿態(tài)偏置的情況，如圖1所示[9]。其難點在于有限樁管空間內(nèi)，難以實現(xiàn)可靠定位及對中，滿足裝置旋轉(zhuǎn)切割的工藝要求。

圖1 拆除裝置在樁管中姿態(tài)偏置示意圖

導(dǎo)向支撐臂采用滑塊搖桿機構(gòu)型式，雙層串聯(lián)，每層3個支撐臂，其運動同步性是保證拆除裝置具有良好對中性的基礎(chǔ)，設(shè)計采用同軸螺旋傳動方式進行驅(qū)動，同層支撐臂連桿通過并聯(lián)式滑動絲杠螺母座與絲杠形成螺紋副，提高6個導(dǎo)向支撐臂的運動同步性。具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 裝置下放導(dǎo)向模塊模型

裝置所配置的6個導(dǎo)向支撐臂滾輪能夠均勻接觸待拆除樁管內(nèi)壁是保證拆除裝置具有良好對中性的重要措施。在樁管內(nèi)作業(yè)時，導(dǎo)向支撐臂運動參數(shù)處于無法跟蹤的狀態(tài)，特別是導(dǎo)向支撐臂是否已接觸樁管壁無法判斷，根據(jù)驅(qū)動電機的角位移對導(dǎo)向支撐臂的水平運動位移進行反算，為優(yōu)化導(dǎo)向支撐臂構(gòu)件尺寸提供依據(jù)，如圖3所示。

1為絲杠主軸；2為導(dǎo)向桿主軸；3為絲杠滑動螺母座；4為越障滾輪；5為支撐管；6為支撐臂邊桿；7為支撐營固定較支點；8為滑動軟接點初始位；A為絲杠主軸與導(dǎo)向桿主軸距離；B為支撐臂兩端支撐中心距離；C為滾輪中心至支撐臂連桿鉸接軸距離；D為支撐臂連桿鉸接點距離；E為支撐臂固定鉸支點與連桿滑動鉸支點最大距離(固定值)；F為連桿滑動鉸支點(絲杠滑動螺母座)行程；M為支撐臂滾輪中心與導(dǎo)向桿主軸水平位移；α為支撐臂與導(dǎo)向桿主軸夾角圖3 下放導(dǎo)向支撐臂運動模型

連桿滑動鉸支點(絲杠滑動螺母座)行程：

F=ntpu

(1)

式中：n為驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)速度，r/s；t為時間，s；p為絲杠導(dǎo)程，mm；u為驅(qū)動電機至絲杠間的傳動比。

根據(jù)余弦定理，支撐臂與導(dǎo)向桿主軸夾角余弦及正弦值為

cosα=[(B-C)2+(E-F)2-D2]/
[2(B-C)(E-F)]

(2)

(3)

則，支撐臂滾輪中心與導(dǎo)向桿主軸水平位移

M=Bsinα

(4)

支撐臂外緣距離絲杠主軸(拆除裝置中軸)距離

S=A+M+R

(5)

式中，R為越障滾輪半徑，mm。

以R1型支撐臂為例對其運動參數(shù)進行校核，通過對比優(yōu)化，確定構(gòu)件尺寸B=350 mm，C=150 mm，D=220 mm，u=0.01，p=6 mm，在驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速n=50 r/s時，支撐臂從起始位置運動至最大展開位置，歷時約51 s；支撐臂運動水平加速度最大約0.28 mm/s2。

通過對絲杠與絲杠螺母座螺旋副摩擦負載計算，對導(dǎo)向支撐臂驅(qū)動設(shè)計及選型。拆除裝置重量約G=350 kg，保證裝置在傾斜30°時具有正常支撐能力。

Fa=G×9.8×cos 30°=2 970 N

(6)

Ft=G×9.8×cos 30°=1 714 N

(7)

式中:Fa為絲杠螺紋副承受的軸向載荷，N；Ft為絲杠螺紋副承受的徑向載荷，N。

絲杠與絲杠螺母座螺旋副摩擦矩為

Tf=(Ta+Tt)/(η1η2η3u)

(8)

式中：Ta為軸向載荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；Tt為徑向載荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m。η1為支撐臂及連桿鉸接位置傳動效率(考慮結(jié)構(gòu)慣性矩)，取0.7；η2為絲杠兩端支點傳動效率(考慮其自身及聯(lián)軸器慣性矩)，取0.8；η3為驅(qū)動器效率，取0.9；u為傳動比，為0.01。

計算得：Ta=3.74 N·m，Tt=17.14 N·m，故Tf=0.41 N·m。

2.2 旋轉(zhuǎn)切割模塊設(shè)計

旋轉(zhuǎn)切割模塊是切割割炬的安裝載體，主要由驅(qū)動電機、傳動齒輪副、滑塊搖桿機構(gòu)、割炬支撐臂、越障自適應(yīng)機構(gòu)組成，如圖4所示。初始狀態(tài)，其攜帶割炬收入拆除裝置本體內(nèi)部；作業(yè)時，其首先攜帶割炬展開并抵達樁管臂，其次通過滑塊搖桿機構(gòu)的間歇配合，在電機驅(qū)動下，實現(xiàn)割炬臂伸縮、旋轉(zhuǎn)的分時運動，最終實現(xiàn)樁管切割。

圖4 旋轉(zhuǎn)切割模塊模型

裝置對稱配置2個切割支撐臂，在樁管內(nèi)作業(yè)時，切割支撐臂運動參數(shù)處于無法跟蹤的狀態(tài)，特別是支撐臂是否已接觸樁管壁無法判斷，根據(jù)驅(qū)動電機的角位移對切割支撐臂的水平運動位移進行反算，為優(yōu)化切割支撐臂構(gòu)件尺寸提供依據(jù)，如圖5所示。則，主動旋轉(zhuǎn)桿的角位移為

1為旋轉(zhuǎn)主軸；2為主動旋轉(zhuǎn)桿；3為定桿；4為切割支撐臂；5為滑動塊；6為越障滾輪；A′為定桿長度；B′為主動旋轉(zhuǎn)桿長度；C′為滑動塊在切割支撐臂上的移動距離；D′為切割支撐臂長度；L為滾輪的水平位移量，即越障滾輪主軸與旋轉(zhuǎn)主軸的距離；β為切割支撐臂與定桿的夾角圖5 切割支撐臂運動模型

(9)

式中：α′為主動旋轉(zhuǎn)桿的角位移；n為驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)速度，r/s；t為時間，s；u′為伸縮驅(qū)動電機輸出總傳動比，u′=0.005。

根據(jù)余弦定理，滑動塊在切割支撐臂上的移動距離、越障滾輪主軸與旋轉(zhuǎn)主軸的距離分別為

(10)

cosβ=(A′2+C′2-B′2)/(2A′B′)

(11)

(12)

則，切割支撐臂末端水平位移S為

S=L+R

(13)

以R1型切割支撐臂為例對其運動參數(shù)進行校核，通過對比優(yōu)化，確定構(gòu)件尺寸A′=230 mm，B′=220 mm，D′=450 mm，在驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速n=8 r/s旋轉(zhuǎn)時，切割支撐臂從最大展開位置運動至起始位置(即切割支撐臂回收過程)，歷時約13 s；切割支撐臂運動水平加速度最大約7.2 mm/s2。

在割炬支撐臂正常旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，其驅(qū)動負荷主要來源于轉(zhuǎn)動構(gòu)件之間的摩擦，經(jīng)計算，雙臂摩擦力矩為57 N·m。在越障滾輪遇到障礙時，驅(qū)動負荷急劇增加，為滿足越障能力，單臂越障推動力為131 N。雙臂所需推動力矩為131 N×0.9×2 m=236 N·m。

2.3 送風(fēng)模塊設(shè)計

拆除裝置采用汽油切割方式作業(yè)，作業(yè)過程中，割炬及鐵燃燒將釋放大量熱和煙氣，并積聚在拆除裝置周圍不易散除，影響電子設(shè)備、傳感器等元件的效能，故必須將切割過程中的熱量和煙氣進行排除。采用Airpak有限元仿真對切割過程中樁管內(nèi)溫度場進行分析[10]，模擬空間直徑1.2 m，長度30 m，參考汽油切切割參數(shù)設(shè)切割位置熱源溫度2 400 ℃，環(huán)境初始溫度20 ℃，樁管內(nèi)風(fēng)速1.5 m/min。溫度測試點分別放置在距離火源0.5、1、2、3 m 4個位置進行監(jiān)測。如圖6所示，截取了樁管切割過程從開始切割到5 min溫度分布。通過分析表明，在初始狀態(tài)，切割熱源周圍溫度提升較快，隨時樁管空間氣體流動和擴散，熱量開始逐步往上擴散，直至傳導(dǎo)至樁管頂部。從溫度分布圖上還可以看出，樁管內(nèi)部的最高溫度只有29°～38°，熱場趨于穩(wěn)定。

圖6 切割過程樁管內(nèi)溫度場分析

在熱源溫度不變的情況下，改變送風(fēng)速度，分別進行相關(guān)的有限元分析，統(tǒng)計出樁管內(nèi)部溫度的變化情況，見表2。

表2 不同通風(fēng)速度條件下熱場溫度

在數(shù)值分析計算完成后，為了驗證模擬的正確性，在直徑為1.2 m的樁管內(nèi)進行汽油切割實驗，并且在樁管內(nèi)部多個位置放置了溫度傳感器，從實際測得的結(jié)果來看，樁管內(nèi)部的溫度場分布與Airpak模擬的結(jié)果相近，具有一定的參考價值，為不同的汽油切割數(shù)值模擬提供了理論參考。通過上述分析，樁管內(nèi)風(fēng)速為2 m/min時，熱場溫度控制在40 ℃以下，能夠保證切割作業(yè)時樁管內(nèi)安全及電器運轉(zhuǎn)可靠性。

2.4 樁底滲水排除裝置設(shè)計

由于需要確定割縫滲水速度，避免裝置在切割過程中從割縫及樁底滲入樁底的積水淹沒割炬，因此需要對拆除裝置設(shè)置滲水排除裝置設(shè)計[11]。滲水速度主要受割縫寬度、割縫長度、泥砂滲水速率影響，其中確定該條件下的泥砂滲水速率是確定割縫滲水速度的關(guān)鍵[12]。通過模擬海上25 m水深條件及海底4 m范圍內(nèi)的泥砂情況，設(shè)計加工了滲水速率測試實驗裝置(圖7)，其中25 m水柱采用0.26 MPa氣壓模擬，泥砂采用水飽和淤泥及沙土混合，經(jīng)試驗表明，在此條件下，泥砂滲水速率約為31 mm/min[13]。

圖7 滲水率測試實驗裝置

為滿足拆除裝置總體要求，排水泵需滿足最大直徑1.8 m樁管排水要求，經(jīng)前期測試表明，割縫寬度一般在5～10 mm，設(shè)計寬度取10 mm。切割過程中，樁管內(nèi)底滲水面總面積為樁底滲水面積和割縫滲水面積之和。

2.5 結(jié)構(gòu)模塊強度校核

在對前述各功能模塊的分析和設(shè)計基礎(chǔ)上，采用有限元軟件ANSYS建立拆除裝置整體有限元模型，對其在作業(yè)條件下強度進行校核分析，保證裝置結(jié)構(gòu)可靠性。該切除裝置傾斜角度為30°，導(dǎo)向支撐臂展開狀態(tài)為半展開和全展開，載荷按照裝置整裝質(zhì)量施加，應(yīng)力結(jié)果如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)強度校核分析結(jié)果

導(dǎo)向支撐棒材選用6061-T6防腐合金鋁，屈服強度166 MPa，許用安全系數(shù)取2時，許用屈服應(yīng)力為83 MPa。經(jīng)計算，導(dǎo)向支撐臂展開直徑為800 mm時，最大應(yīng)力為47.8 MPa；導(dǎo)向支撐臂展開直徑為1 200 mm時，最大應(yīng)力為44.8 MPa，均小于結(jié)構(gòu)許用屈服應(yīng)力，強度滿足設(shè)計要求。

3 拆除裝置樣機應(yīng)用試驗

研發(fā)的拆除裝置樣機如圖9所示，應(yīng)用于渤海某平臺廢棄樁切割，樁管直徑0.91 m，壁厚26 mm，切割深度泥下5.2 m，切割速度約260 mm/min；滲水量極小，割縫位置未發(fā)現(xiàn)明顯滲水；切割場溫度控制在30 ℃以內(nèi)，油氣混合氣濃度控制在41%LEL以內(nèi)，應(yīng)用試驗安全監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖9 拆除裝置樣機

圖10 應(yīng)用試驗安全監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過試驗表明，熱熔拆除裝置能夠?qū)崿F(xiàn)海上棄置樁管的泥下內(nèi)切割作業(yè)，裝置方案及施工工藝可行，各功能模塊工作正常，各項指標達到設(shè)計要求，切割場溫度及可燃氣體濃度在安全可控范圍內(nèi)。

經(jīng)室內(nèi)調(diào)試、碼頭試驗、海上應(yīng)用試驗驗證了裝置的功能適用性及作業(yè)可靠性。熱熔拆除裝置將熱熔切割的高效率優(yōu)點與自動化技術(shù)相結(jié)合，在棄置樁管內(nèi)部對其進行自動化切割，避免了拆除裝置在水中作業(yè)及由此帶來的水下作業(yè)風(fēng)險，顯著節(jié)省樁管拆除成本，同時可向陸地鋼管拆除推廣。

4 結(jié)論

1)該套設(shè)備依據(jù)理論計算、數(shù)值模擬驗證方法自主完成海上棄置平臺拆除裝置的設(shè)計，且生產(chǎn)的試驗樣機符合工程可靠性要求，對拆除裝置的自主研發(fā)設(shè)計具有參考指導(dǎo)意義。

2)通過對海上樁腿拆除裝置整體及其關(guān)鍵部件的設(shè)計，根據(jù)棄置樁管的泥下內(nèi)切割作業(yè)使用工況特點對拆除裝置整體結(jié)構(gòu)模塊靜強度進行了校核，通過實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較，驗證了數(shù)值模擬計算的可靠性。

3)通過在拆除裝置設(shè)計過程中考慮技術(shù)指標及技術(shù)參數(shù)確定等，提高裝置結(jié)構(gòu)力學(xué)性能以保證其可靠性。