劉建峰 王彥多 杜 穎 武斌斌 韓敬艷 姜宇飛

(海洋石油工程股份有限公司 天津 300461)

2011—2017年，中國海洋石油集團(tuán)有限公司先后完成了曹妃甸1-6導(dǎo)管架(2011年)[1-2]、錦州21-1 WHPA平臺(tái)/錦州20-2 SW平臺(tái)(2014年)[3]、曹妃甸舊單點(diǎn)(2015年)[2,4]、埕北油田儲(chǔ)罐及導(dǎo)管架帽(2016年)[2,5]和渤中25-1油田明珠號(hào)單點(diǎn)(2017年)[2,6]等多個(gè)海洋結(jié)構(gòu)物的拆除項(xiàng)目。但以上拆除項(xiàng)目集中在渤海海域，其作業(yè)水深都在30 m以淺，對(duì)于水深較深、海況條件較差的南海海域，尤其是對(duì)非常規(guī)的兩腿三樁平臺(tái)如何拆除，還沒有相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)。本文針對(duì)南海海況和簡(jiǎn)易平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[7-9]，開展了南海首個(gè)平臺(tái)拆除項(xiàng)目即潿洲11-4 C平臺(tái)拆除項(xiàng)目方案的研究與設(shè)計(jì)，并成功指導(dǎo)了工程施工，為今后類似平臺(tái)拆除提供參考。

1 平臺(tái)概況

潿洲11-4油田位于中國南海北部灣海域，所在海域平均水深42.8 m。其中，潿洲11-4 C平臺(tái)是一座簡(jiǎn)易的井口平臺(tái)，結(jié)構(gòu)形式為兩腿三樁(圖1)。該平臺(tái)上部組塊設(shè)置了一層主甲板和一層直升機(jī)甲板，主甲板長(zhǎng)30.96 m、寬16.96 m、標(biāo)高EL.(+)17 500 mm，直升機(jī)甲板長(zhǎng)13.46 m、寬13.46 m、標(biāo)高EL.(+)21 500 mm，上部組塊兩腿間距16 m，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約228 t。導(dǎo)管架共有3個(gè)水平層，各層的標(biāo)高分別為EL.(-)4 000 mm、EL.(-)22 000 mm、EL.(-)41 200 mm，其鋼樁直徑為1 219 mm，結(jié)構(gòu)(含水泥漿體和鋼樁)總質(zhì)量約508 t。該平臺(tái)于1999年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)壽命為10年，截至2018年已超設(shè)計(jì)年限9年。鑒于該平臺(tái)已停產(chǎn)，隔水導(dǎo)管和采油樹等部分結(jié)構(gòu)和設(shè)備已拆除，擬對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行廢棄拆除。根據(jù)該拆除項(xiàng)目實(shí)施期間相關(guān)方的船舶資源情況，最終可供本項(xiàng)目使用的施工船舶資源為“藍(lán)鯨”號(hào)起重船(在附近海域施工，且有檔期)和駁船“海洋石油226”。

圖1 潿洲11-4 C平臺(tái)及其結(jié)構(gòu)示意圖

2 平臺(tái)拆除方案

由于潿洲11-4 C平臺(tái)為簡(jiǎn)易平臺(tái)，整體重量相對(duì)較輕，因此在對(duì)其進(jìn)行拆除方案選擇時(shí)，首先研究了組塊和導(dǎo)管架整體拆除方案的可行性。使用SACS和MOSES等設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，分別對(duì)該平臺(tái)整體吊裝強(qiáng)度、吊耳強(qiáng)度、運(yùn)輸強(qiáng)度和駁船穩(wěn)性等關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析[10-12]，吊裝分析結(jié)果如圖2所示?？梢?，若采用6根鋼絲繩的吊裝方案，有大量桿件(圖2中紅色桿件)的UC值大于1，且不具備對(duì)這些桿件進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的可能性，不滿足API規(guī)范要求，該方案不可行；若采用8根鋼絲繩的吊裝方案，只有組塊上的3根次要桿件的UC值大于1，通過對(duì)它們進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，可滿足API規(guī)范要求，該吊裝方案可行。但采用整體拆除方案時(shí)，由于該平臺(tái)總外形高度和重心高度都相對(duì)較高，雖然采用8根鋼絲繩的吊裝方案，結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度可滿足規(guī)范要求，但由于該平臺(tái)所在南海海域的海況(百年一遇的重現(xiàn)極值：浪高為15.5 m，波浪周期為13.1 s，表層流速為1.83 m/s，1分鐘平均風(fēng)速為59 m/s)相對(duì)惡劣，在平臺(tái)整體運(yùn)輸過程中，其總質(zhì)量約1 033.8 t(含海生物等)，相對(duì)于駁船甲板而言，其外形總高度約68.2 m(含墊墩高度)、重心高度約32.8 m。采用SACS軟件計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)整體運(yùn)輸過程中有超過一半數(shù)量的結(jié)構(gòu)桿件的UC值大于1，不滿足規(guī)范要求。因此，無法采用整體運(yùn)輸方案對(duì)拆除后的平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)輸。

圖2 潿洲11-4 C平臺(tái)整體吊裝SACS計(jì)算結(jié)果

綜上分析認(rèn)為，采用整體拆除方案對(duì)潿洲11-4 C平臺(tái)進(jìn)行拆除不具備可行性，須采用先拆除組塊后拆除導(dǎo)管架的分體拆除方案[13-14]。在平臺(tái)拆除方案設(shè)計(jì)中，考慮到組塊腿柱原有插尖標(biāo)高、斜撐標(biāo)高、導(dǎo)管架工作點(diǎn)標(biāo)高等，將組塊與導(dǎo)管架之間的切割線選擇在平臺(tái)標(biāo)高EL.(+)9 450 mm處。

3 兩腿組塊拆除方案

根據(jù)潿洲11-4 C平臺(tái)調(diào)研檢測(cè)完工報(bào)告，該平臺(tái)上部組塊整體外觀檢測(cè)輕度腐蝕，有部分油漆開裂脫落，所有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋等異常情況，但在直升機(jī)甲板下方的立柱與主梁連接位置存在兩處鋼材腐蝕壁厚減薄的情況。在對(duì)該兩腿組塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，根據(jù)其實(shí)際壁厚對(duì)腐蝕桿件進(jìn)行了建模，通過對(duì)其進(jìn)行吊裝和運(yùn)輸分析后發(fā)現(xiàn)其所有桿件強(qiáng)度都滿足規(guī)范要求，因此該兩腿組塊可以采用整體拆除，不需要再進(jìn)行分塊拆除。

3.1 組塊吊裝方案

潿洲11-4 C平臺(tái)從嚴(yán)格意義上講為單層甲板平臺(tái)，在組塊的拆除吊裝過程中，若設(shè)置的鋼絲繩和吊耳數(shù)量較少，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)大變形和桿件強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求的情況。因此，在對(duì)組塊進(jìn)行拆除設(shè)計(jì)時(shí)，通過多次試算分析，最終選擇設(shè)置6根鋼絲繩的吊裝設(shè)計(jì)方案(圖3)。

圖3 潿洲11-4 C平臺(tái)兩腿組塊吊裝模型

基于節(jié)省項(xiàng)目成本及縮短項(xiàng)目工期的考慮，拆除項(xiàng)目所使用的吊索具多是直接利用公司現(xiàn)有庫存資源(簡(jiǎn)稱利庫)，本項(xiàng)目組塊吊裝時(shí)可利庫的6根鋼絲繩和6個(gè)卡環(huán)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 潿洲11-4 C組塊拆除可利庫吊裝索具技術(shù)參數(shù)

針對(duì)組塊吊裝配扣困難的問題，對(duì)組塊進(jìn)行吊耳設(shè)計(jì)時(shí)，須兼顧考慮吊索具實(shí)際可利庫情況和配扣計(jì)算。若按常規(guī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)6個(gè)等高吊耳，則表1中有2根鋼絲繩的長(zhǎng)度不滿足規(guī)范要求，需另外采購，從而影響項(xiàng)目的成本和工期。因此，設(shè)計(jì)了不等高吊耳的吊裝方案，將吊耳1、2、5和6的高度設(shè)計(jì)為500 mm，吊耳3、4的高度設(shè)計(jì)為820、730 mm(圖4)，從而解決了吊索具的利庫和配扣難題，降低了成本并縮短了陸地準(zhǔn)備時(shí)間。

圖4 潿洲11-4 C平臺(tái)兩腿組塊吊裝示意圖

3.2 組塊裝船固定方案

潿洲11-4 C平臺(tái)的上部組塊的重心較高、偏心較大，且只有兩腿支撐，同時(shí)受駁船運(yùn)動(dòng)和風(fēng)載荷的影響，該兩腿組塊無法在駁船甲板上平穩(wěn)站立，極易發(fā)生傾覆。若采用“墊墩+筋板+斜撐” 的常規(guī)組塊裝船固定設(shè)計(jì)方案[2,15](圖5)，則為了完成組塊裝船固定的焊接工作，需要浮吊長(zhǎng)時(shí)間對(duì)組塊進(jìn)行吊裝，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。即使墊墩與駁船甲板間的筋板2已提前完成焊接固定，海上僅焊接組塊兩腿與墊墩間的筋板1和斜撐也需要20多個(gè)小時(shí)才能完成。再加上該組塊切割和吊裝的時(shí)間，至其裝船固定全部完成，需要至少連續(xù)48 h適合吊裝的氣候窗(藍(lán)鯨號(hào)吊裝限制條件：風(fēng)速≤16 m/s，浪高≤1.5 m，波浪周期≤5 s)，從而大幅增加了海上施工的船天和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 常規(guī)組塊裝船固定方案示意圖

針對(duì)兩腿組塊在裝船固定時(shí)的技術(shù)難題，提出了矩陣式雙排布置“墊板+立柱+斜撐”的裝船固定設(shè)計(jì)方案(圖6)。相對(duì)于“墊墩+筋板+斜撐”的常規(guī)組塊裝船固定設(shè)計(jì)方案，該方案存在以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①可節(jié)省2個(gè)墊墩，并將組塊運(yùn)輸時(shí)的重心降低了1.5 m，減小了組塊在運(yùn)輸過程中的受力，可節(jié)省裝船固定材料；②將裝船固定結(jié)構(gòu)的焊接工作前置，當(dāng)駁船在碼頭動(dòng)員時(shí)，即可將裝船固定結(jié)構(gòu)與駁船甲板提前焊接固定，在海上只需完成立柱與組塊主梁間6條焊縫的焊接工作，可節(jié)省1 d的海上裝船固定時(shí)間，節(jié)省船舶費(fèi)用；③當(dāng)組塊運(yùn)輸至碼頭后，該矩陣式雙排布置“墊板+立柱+斜撐”的裝船固定結(jié)構(gòu)可連同組塊一起被吊裝上岸，在碼頭拆解時(shí)避免了對(duì)兩腿組塊重新焊接固定，降低了其在碼頭發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 潿洲11-4 C平臺(tái)兩腿組塊裝船固定示意圖

4 兩腿三樁導(dǎo)管架拆除方案

4.1 導(dǎo)管架檢測(cè)

在對(duì)潿洲11-4 C平臺(tái)導(dǎo)管架拆除之前先對(duì)其開展了調(diào)研檢測(cè)，結(jié)果見表2。根據(jù)表2的檢測(cè)結(jié)果，通過SACS軟件對(duì)該導(dǎo)管架進(jìn)行建模分析，其所有桿件的吊裝強(qiáng)度和運(yùn)輸強(qiáng)度都滿足規(guī)范要求，因此該導(dǎo)管架可以采用整體拆除，不需要再進(jìn)行分塊拆除。

表2 潿洲11-4 C平臺(tái)導(dǎo)管架檢測(cè)結(jié)果匯總表

本項(xiàng)目?jī)赏热龢秾?dǎo)管架采用鋼樁內(nèi)排泥和鋼樁內(nèi)切割的拆除方法，其鋼樁的切割位置在泥面標(biāo)高EL.(-)41 200 mm以下4 m處。

4.2 導(dǎo)管架吊裝和運(yùn)輸方案

針對(duì)導(dǎo)管架采用立式還是臥式進(jìn)行吊裝和運(yùn)輸(圖7)，可將拆除及吊裝方案分為3種,即方案1：立式吊裝和立式運(yùn)輸；方案2：立式吊裝和臥式運(yùn)輸；方案3：臥式吊裝和臥式運(yùn)輸。對(duì)上述3種方案進(jìn)行了技術(shù)比選，分析結(jié)果見表3。

圖7 潿洲11-4 C導(dǎo)管架立式和臥式示意圖

方案2雖然存在臥式運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但需要對(duì)導(dǎo)管架在水中或空中完成翻身，這項(xiàng)技術(shù)在以往拆除項(xiàng)目中未曾實(shí)施過，存在配扣設(shè)計(jì)復(fù)雜和掛扣困難等技術(shù)問題(表3)。與方案2存在的技術(shù)問題類似，方案3雖然也存在臥式運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但需要對(duì)導(dǎo)管架在水中拖拉放倒，這項(xiàng)技術(shù)還不成熟，在以往拆除項(xiàng)目甚至是安裝項(xiàng)目中都未曾實(shí)施過，且存在配扣設(shè)計(jì)困難和需新增吊耳等技術(shù)問題。相對(duì)而言，方案1的施工技術(shù)更成熟，雖然存在導(dǎo)管架立式運(yùn)輸?shù)亩囗?xiàng)技術(shù)問題，但是通過優(yōu)化立式導(dǎo)管架的裝船固定設(shè)計(jì)，相關(guān)技術(shù)問題可以得到解決，從而使導(dǎo)管架拆除和運(yùn)輸過程風(fēng)險(xiǎn)可控。因此最終選擇方案1，即對(duì)潿洲11-4 C兩腿三樁導(dǎo)管架采用立式吊裝和立式運(yùn)輸?shù)姆桨浮?/p>

表3 潿洲11-4 C平臺(tái)導(dǎo)管架拆除方案技術(shù)對(duì)比

4.3 導(dǎo)管架裝船固定方案

根據(jù)以往拆除項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)[1-6]，剛拆除后的導(dǎo)管架樁腿存在表面潮濕，還會(huì)被海泥或海生物覆蓋，且存在斜撐焊接位置高，須搭設(shè)較高腳手架等影響因素，所以在對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行裝船固定設(shè)計(jì)時(shí)一般不使用斜撐，通常只采用“墊墩+筋板”的設(shè)計(jì)方案。

兩腿三樁導(dǎo)管架在進(jìn)行立式運(yùn)輸時(shí)，無論將導(dǎo)管架在駁船甲板上如何擺放，都會(huì)存在駁船中線某一側(cè)只有1根鋼樁的情況，造成單根鋼樁受力相對(duì)較大，使得兩腿三樁導(dǎo)管架的裝船固定面臨很大困難。經(jīng)試算分析，若采用“墊墩+筋板”的裝船固定設(shè)計(jì)方案，墊墩本身強(qiáng)度和駁船甲板局部強(qiáng)度均不滿足規(guī)范要求，因此須將墊墩(長(zhǎng)4.0 m、寬2.5 m、高1.5 m)更換為滑靴(長(zhǎng)10.0 m、寬2.5 m、高1.5 m)，即對(duì)該兩腿三樁導(dǎo)管架采用“滑靴+筋板”的裝船固定設(shè)計(jì)方案。

兩腿三樁導(dǎo)管架在立式運(yùn)輸時(shí)，受駁船橫搖和風(fēng)載荷的影響，B1、B2腿應(yīng)分別布置在駁船中線的兩側(cè)，它們所用滑靴的縱向應(yīng)垂直于駁船中線，且滑靴還應(yīng)布置在駁船橫艙壁的正上方；同時(shí)，受駁船縱搖和風(fēng)載荷的影響，A3腿所用滑靴的縱向應(yīng)平行于駁船中線，且滑靴應(yīng)布置在駁船縱艙壁的正上方(圖8)。

圖8 潿洲11-4 C平臺(tái)兩根三樁導(dǎo)管架裝船固定示意圖

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

按照上述兩腿三樁平臺(tái)分體拆除設(shè)計(jì)方案，于2018年10月對(duì)潿洲11-4 C平臺(tái)實(shí)施了海上拆除作業(yè)(圖9)。拆除方案整體實(shí)施過程相對(duì)順利，只是在對(duì)兩腿組塊進(jìn)行裝船固定時(shí)，由于事先未在兩腿根部設(shè)計(jì)限位結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致將其往駁船甲板的設(shè)計(jì)位置擺放時(shí)出現(xiàn)就位困難?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員臨時(shí)用十字筋板制作了2個(gè)約半米高的倒插尖并焊在駁船甲板的設(shè)計(jì)位置處，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)該兩腿組塊裝船固定的精確就位。在不考慮拆除前對(duì)平臺(tái)水上、水下結(jié)構(gòu)的檢測(cè)作業(yè)時(shí)間和施工準(zhǔn)備時(shí)間的前提下，該拆除項(xiàng)目?jī)H用了7 d就完成了兩腿組塊和三樁導(dǎo)管架在海上的吊裝作業(yè)和裝船固定作業(yè)，比原計(jì)劃提前了1 d。

圖9 潿洲11-4 C平臺(tái)拆除現(xiàn)場(chǎng)

6 結(jié)論及建議

1)由于南海海域海況相對(duì)惡劣，雖然潿洲11-4 C兩腿三樁導(dǎo)管架平臺(tái)總質(zhì)量?jī)H約1 033.8 t(含海生物等)，但由于其整體運(yùn)輸過程中外形總高度和重心高度均較大，其整體運(yùn)輸強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，因此對(duì)該平臺(tái)采用了組塊與導(dǎo)管架分體拆除方案。

2)針對(duì)兩腿組塊的拆除，通過設(shè)計(jì)不等高吊耳，解決了組塊在拆除吊裝時(shí)利庫吊索具的配扣難題，節(jié)省了吊索具采購費(fèi)用，縮短了陸地準(zhǔn)備工期；并針對(duì)兩腿組塊在裝船固定和運(yùn)輸過程中極易傾覆的特點(diǎn)，通過矩陣式雙排布置“墊板+立柱+斜撐”的裝船固定設(shè)計(jì)，有效縮短了裝船固定工期，降低了兩腿組塊在裝船固定和運(yùn)輸過程中發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。

3)針對(duì)兩腿三樁導(dǎo)管架的拆除，通過對(duì)該導(dǎo)管架吊裝和運(yùn)輸過程中3種組合方案的對(duì)比分析，最終選擇了施工技術(shù)更成熟的立式吊裝和立式運(yùn)輸?shù)牟鸪桨?；并摒棄了常?guī)的“墊墩+筋板”的裝船固定設(shè)計(jì)方案，而采用“滑靴+筋板”的方案，解決了兩腿三樁導(dǎo)管架在立式運(yùn)輸過程中單根樁腿受力過大的技術(shù)難題。

4)通過對(duì)40多米水深的兩腿三樁導(dǎo)管架拆除方案研究可知，對(duì)于更深水深的大型導(dǎo)管架采用立式運(yùn)輸方案的可行性不大，相對(duì)而言導(dǎo)管架拆除后采用臥式運(yùn)輸方案則更具有技術(shù)可行性，因此建議今后重點(diǎn)研究導(dǎo)管架在水中放倒技術(shù)、導(dǎo)管架在水中或空中翻身技術(shù)、導(dǎo)管架臥式裝船固定技術(shù)等，為更深水導(dǎo)管架的拆除做好技術(shù)儲(chǔ)備。