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(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

0 引 言

中國海域遼闊，島嶼眾多，有漫長的海岸線，在140 m等深線內(nèi)的大陸架總面積有130×104km2，經(jīng)過幾十年的海洋地質(zhì)勘探普查，初步估計中國沿海大陸架的石油資源儲量為(150～400)×108t，天然氣資源儲量約為10×1012m3[1]。20世紀(jì)60年代以來，中國海上石油迎來開發(fā)高潮，在海上建起了千百座導(dǎo)管架平臺和其他海上結(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)的方法和裝備開采這些海上油田，生產(chǎn)成本較高，在目前世界石油價格偏低的情況下，沒有多大的價值。顯然，這些油田不能利用常規(guī)方式進(jìn)行開發(fā)[3]。此外，中國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)國際公約、國際慣例和國內(nèi)有關(guān)法律、法規(guī)要求，為保護(hù)海洋環(huán)境和不妨礙對其他海洋資源的開發(fā)，海上構(gòu)筑物退役后，如無其他用途，通常應(yīng)拆除或部分拆除[4]。在這種情勢下產(chǎn)生的海洋平臺拆除也成了一個新的工程技術(shù)領(lǐng)域。海洋石油平臺拆除工程量大，運(yùn)用設(shè)備、船只多，施工期較長，所使用的技術(shù)難度高、風(fēng)險大，涉及的領(lǐng)域多，這些因素都將導(dǎo)致拆除工程的費用高。

國外資料指出，在北海海區(qū)，拆除的總成本經(jīng)多方面估計，占設(shè)備初投資費用的3.3%～6.7%[2]，拆除費用相當(dāng)可觀。因此，在符合環(huán)保要求的前提下，需要優(yōu)化拆除方案實現(xiàn)降本增效。對組塊來說，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，對于每一項海洋石油平臺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、傳力路徑和構(gòu)件應(yīng)力分析，仔細(xì)設(shè)計[2]。

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

圖1 傳統(tǒng)主板形式吊點

1 傳統(tǒng)吊點與新型吊點的不同

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

1.1 傳統(tǒng)吊點

傳統(tǒng)吊點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。吊點往往設(shè)置在組塊頂甲板的立柱環(huán)板頂部，在平臺安裝就位后進(jìn)行切割、補(bǔ)板、補(bǔ)滑道梁等各種海上施工工作[6]。吊點如圖1所示。

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

如圖3所示，將新的吊點和立柱焊接成整體，到海上在平臺上切割部分立柱，與吊點整體焊接，再實施吊裝。

圖4 可重復(fù)利用的新型吊點

在此類吊點形式的應(yīng)用中，應(yīng)注意拆除吊點較平臺安裝吊點而言，卡環(huán)加高、彎矩增大?？傮w來說，形式較為傳統(tǒng)，設(shè)計較為簡單，但新平臺安裝及平臺拆除過程中需要進(jìn)行較多海上施工，在降本增效方面效果不佳[6]。

1.2 一種新型的吊點設(shè)計

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

2 新型吊點的設(shè)計

2.1 吊點設(shè)計簡介

吊點位于平臺甲板內(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，吊點在側(cè)下方，即吊點在立柱環(huán)板的下方[6]，如圖5、圖6所示。

圖5 使用新型吊點設(shè)計的平臺平面圖(最上層)

圖6 使用新型吊點設(shè)計的平臺立面圖

2.2 新型吊點的基本設(shè)計思路

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

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

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

(4) 吊點為padeye主板形式，主板方向與吊繩保持一致。

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

2.3 新型吊點的優(yōu)勢

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

(2) 吊點一般在鉆機(jī)模塊滑道梁上，新型吊點在側(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，降低了難度。

(3) 超過設(shè)計年限后的平臺拆除時，不需重新切割主結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊點焊接的工作。

3 新型吊點設(shè)計需注意的問題

3.1 新型吊點設(shè)計特點

(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) 吊點板受平面外吊繩拉力時因銷軸作用點距離主板根部較遠(yuǎn)，彎矩過大，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3D模型和有限元模型。模型模擬了4個大梁、大梁相交的節(jié)點和新型吊點?？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。所以本計算以VOLUME建模作為計算模型，使用SOLID 185單元將網(wǎng)格劃分為236 337個單元。新型吊點材料的彈性模量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 新型吊點的3D模型 圖8 新型吊點的有限元模型

圖9 新型吊點有限元計算的約束條件

新型吊點兩側(cè)的大梁信息見表1。

表1 新型吊點兩側(cè)大梁信息

新型吊點的材料信息見表2。

表2 新型吊點材料信息

圖10 新型吊點的有限元計算結(jié)果(有5°面外角)

有限元計算結(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：吊點板受平面外吊繩拉力時因銷軸作用點距離主板根部較遠(yuǎn)，彎矩過大，極易破壞。

3.2 空間問題的考慮

(1) 吊點設(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，所以需核對安裝空間，避免卡環(huán)無法安裝、吊繩拉起時碰撞的問題發(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：一是主吊點的主板不能太靠近兩側(cè)的梁，即吊點主板與主梁夾角不能過小，保證卡環(huán)銷軸可以安裝；二是吊點圓孔中心距立柱間距應(yīng)加大，避免卡環(huán)安裝及使用過程中的碰撞。

(3) 由于主結(jié)構(gòu)一般早于主吊點的設(shè)計，因此主吊點位置的上環(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 主吊點位置上環(huán)板的形式(立面圖)

圖13 主吊點吊點孔 內(nèi)側(cè)焊接示例

3.3 受力考慮

(1) 因吊點從立柱側(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，吊點的主板需要外伸一定距離，對主板受彎極為不利，需要加強(qiáng)此部分校核。

(2) 為使吊點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；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

因吊點需要經(jīng)過整個平臺使用壽命的考驗，所以防腐問題尤為重要。

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

4 結(jié) 論

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

傳統(tǒng)吊點形式簡單，設(shè)計容易實現(xiàn)。但新平臺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，焊縫檢驗等工作，耗時費力。待平臺服役結(jié)束，需要進(jìn)行新吊點及立柱部分的鋼材采辦，重新制造吊點，運(yùn)輸至海上切割部分立柱后進(jìn)行熔透焊接，48 h后檢驗等。

本文介紹了一種適用于組塊安裝和拆除的吊點形式，一物多用，不僅可供新組塊安裝時使用，而且可以在平臺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用，也節(jié)省了重裝吊點的鋼材材料，提高平臺拆除的效率，為實現(xiàn)降低成本提供了好方法。此外，在該種新型吊點的設(shè)計過程中，需要綜合考慮空間問題、受力問題和防腐問題，以期得到最佳的吊點設(shè)計方案，保證工程的施工安全。

在現(xiàn)在油價低迷且持續(xù)時長不定的情勢下，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)計中提前考慮的。邊際油田一般設(shè)施簡單、重量較輕，本文介紹的吊點形式可以很好地適用于此類平臺。吊點形式可以推廣應(yīng)用，較小重量的模塊、結(jié)構(gòu)物都可以根據(jù)吊點連接結(jié)構(gòu)形式予以小幅改動加以使用。