陳曦 趙佳寧 王越釗 張興 董志亮

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300452）

中國海洋石油工業(yè)始于二十世紀(jì)五六十年代，隨著六十年的發(fā)展海上石油工業(yè)開發(fā)工程逐步的走向規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化，更多服役期滿的平臺將被拆除。近些年隨著曹妃甸、埕北等平臺拆除項(xiàng)目的成功完成，國內(nèi)平臺拆除工程的作業(yè)能力逐漸走向成熟，同時(shí)也積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。而在海上平臺拆除作業(yè)過程中，吊裝作業(yè)是其中最為重要的作業(yè)之一，相應(yīng)的吊裝分析也是最為重要的計(jì)算分析。

1 導(dǎo)管架拆除吊裝分析概述

1.1 分析方法簡述

導(dǎo)管架拆除吊裝分析主要是對導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)及連同一起拆除的附屬構(gòu)件在吊裝過程中的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，檢驗(yàn)其是否滿足規(guī)范要求。

棄置導(dǎo)管架吊裝分析大概可包括：結(jié)構(gòu)模擬、載荷模擬、邊界條件、桿件強(qiáng)度校核、節(jié)點(diǎn)沖剪校核。相較于導(dǎo)管架安裝吊裝作業(yè)，拆除作業(yè)還要考慮導(dǎo)管架服役期的桿件腐蝕和損壞、海生物附著厚度、服役期間的改造情況、拆除作業(yè)前期切割和拆除情況、裙裝套筒YOKE板和防沉板的吸附力、樁和泥漿的重量及相應(yīng)引起的重心變化，泥土對樁的抗拔阻力等。

1.2 模型模擬

1.2.1導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)的模擬

導(dǎo)管架拆除吊裝分析的模型來源可分為兩類：

●對于早期的導(dǎo)管架平臺，可根據(jù)能夠搜集到的資料進(jìn)行模型搭建，搭建過程中去除吊裝作業(yè)之前已拆除部分的結(jié)構(gòu)。

●對于已具備詳細(xì)設(shè)計(jì)或改造設(shè)計(jì)模型的，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行校對和修改。

1.2.2 導(dǎo)管架防沉板的模擬

導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)模擬正確后，也要對附屬構(gòu)件進(jìn)行模擬。對于拆除吊裝作業(yè)，防沉板的模擬要引起注意。拆除作業(yè)時(shí)防沉板受到的泥土吸附力往往是不可忽略的。底盤較大的平臺為適應(yīng)各角水深的不同減少導(dǎo)管架調(diào)平的工作量，往往將防沉板設(shè)計(jì)為外懸階梯式，因此防沉板模擬的準(zhǔn)確性對吊裝重心的確定尤為重要。

1.2.3 導(dǎo)管架吊索具的模擬

導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)和附屬構(gòu)件模擬完畢，也要對鎖具和吊鉤位置進(jìn)行模擬。索具一般以桿件形勢模擬吊繩，吊繩的慣性矩要根據(jù)實(shí)際使用的鋼絲繩進(jìn)行剛度修正。同時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的卡環(huán)和吊點(diǎn)尺寸對桿件吊點(diǎn)一端進(jìn)行位置修正（對桿件端點(diǎn)進(jìn)行偏移）。

1.2.4 主作業(yè)船吊鉤的模擬

吊鉤位置的模擬因主作業(yè)船的不同而異，對于單鉤吊裝且鉤齒距離較小的通常僅模擬為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。為保證導(dǎo)管架吊裝過程的穩(wěn)定性，節(jié)點(diǎn)水平位置通常在導(dǎo)管架的重心位置，垂直位置通常要保證最小吊繩角度大等于60度。

對于主鉤為鉤箱結(jié)構(gòu)，或吊裝需使用吊裝框架的，通常將吊鉤位置模擬為4個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間距需根據(jù)主作業(yè)船鉤齒距離確定。4個(gè)吊點(diǎn)幾何中心的水平位置應(yīng)在導(dǎo)管架的重心位置，垂直位置要保證最小吊繩角度大等于60度。

1.3 環(huán)境條件和施加載荷

1.3.1 拆除吊裝分析的環(huán)境條件

按照API RP 2A 中的要求，吊裝作業(yè)通常需要考慮吊裝環(huán)境下的波流荷載和風(fēng)荷載，對于環(huán)境條件的選取可參照規(guī)格書中座底分析時(shí)的風(fēng)波流數(shù)據(jù)。對于波流力引起的慣性力，有條件的可以進(jìn)行動(dòng)力分析，如不具備條件或波流荷載較小可在波流力基礎(chǔ)上施加適當(dāng)?shù)膭?dòng)力放大系數(shù)進(jìn)行模擬。對于水位的選取，可選擇平均海平面或與波流數(shù)據(jù)一致。

1.3.2 拆除吊裝分析涉及的荷載

拆除吊裝分析涉及的載荷包括以下幾類：

●已模擬結(jié)構(gòu)的重力和浮力；

●未模擬附屬構(gòu)件的重量和浮力；

●施工作業(yè)中增加的臨時(shí)結(jié)構(gòu)重量，如吊裝吊點(diǎn)、搭設(shè)的腳手架、吊索具等；

●泥面對防沉板和裙裝套筒YOKE板的吸附力；

●附著在已模擬結(jié)構(gòu)上的海生物的重力和浮力。

1.4 邊界條件

吊鉤位置節(jié)點(diǎn)通常模擬為全約束的形勢。導(dǎo)管腿底部可選擇2或3個(gè)節(jié)點(diǎn)，添加非線性彈簧。

對于選擇2個(gè)節(jié)點(diǎn)的，通常選擇對稱位置增加非線性彈簧，彈簧底端約束形式通常為（110000），對于選擇3個(gè)節(jié)點(diǎn)的，彈簧底端約束形式為（100000）、（110000）、（010000）。

2 吊裝分析結(jié)果判斷

吊裝分析的結(jié)果通常需要關(guān)注三方面，分別是：

●桿件UC用以判斷結(jié)構(gòu)桿件的強(qiáng)度是否滿足要求；

●節(jié)點(diǎn)UC用以判斷節(jié)點(diǎn)沖剪強(qiáng)度是否滿足要求；

●彈簧力用以判斷結(jié)構(gòu)物吊裝穩(wěn)性是否滿足要求。

吊裝分析通常不考慮應(yīng)力放大。

2.1 桿件結(jié)果

按照API RP 2A中的要求，對于與吊點(diǎn)直接相連的桿件要考慮2.0倍的吊裝動(dòng)載荷系數(shù)；對于其余桿件要考慮1.35倍的吊裝動(dòng)載荷系數(shù)。

2.2 節(jié)點(diǎn)結(jié)果

Joint UC又分為Load UC和Strength UC，通常所有節(jié)點(diǎn)均要求Load UC小于1，Stren UC允許部分附屬構(gòu)件超值（具體需參照項(xiàng)目規(guī)格書的要求）；

2.3 彈簧力結(jié)果

彈簧力的結(jié)果用以判斷吊裝穩(wěn)性是否滿足要求，通常彈簧力大小不宜超過1KN。如彈簧力較大，應(yīng)首先對吊鉤位置與結(jié)構(gòu)整體重心位置進(jìn)行比對。對于鉤箱或吊裝框架不宜對比位置的，可對幾何中心在一定范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)。

3 導(dǎo)管架拆除吊裝分析特點(diǎn)

3.1 動(dòng)載荷系數(shù)選取

按照API RP 2A中的要求，對于與吊點(diǎn)直接相連的桿件要考慮2.0倍的吊裝動(dòng)載荷系數(shù)；對于其余桿件要考慮1.35倍的吊裝動(dòng)載荷系數(shù)[2]。

3.2 吸附力的計(jì)算

對于泥面對導(dǎo)管架和防沉板的吸附力計(jì)算，目前吸附力理論計(jì)算模型和計(jì)算公式較為常用的有以下3個(gè)[1]。

3.2.1 太沙基吸附力公式

式中：S1為結(jié)構(gòu)物浸沒在淤泥中的接觸面積，S2為結(jié)構(gòu)物浸在淤泥中的投影面積，A為結(jié)構(gòu)物與底質(zhì)的水平投影接觸面積，S為底質(zhì)的抗剪強(qiáng)度，D為結(jié)構(gòu)物在底質(zhì)中的浸深，B為結(jié)構(gòu)物的寬度，L為結(jié)構(gòu)物的長度；

3.2.2 斯肯普頓公式

Ft=5AS(1.0+0.2 D/B)×(1.0+0.2 B/L)1

式中：A為結(jié)構(gòu)物與底質(zhì)的水平投影接觸面積；S為底質(zhì)的抗剪強(qiáng)度；D為結(jié)構(gòu)物在底質(zhì)中的浸沒深度；B為結(jié)構(gòu)物的寬度；L為結(jié)構(gòu)物的長度；

3.2.3 長畸作治公式

薄層軟粘土對結(jié)構(gòu)物單位面積上的吸附力，可參考長畸作治公式

Ft=(5.7+D/H)S

式中：D為結(jié)構(gòu)物直徑，H為結(jié)構(gòu)物底面下軟粘土厚度，S為軟粘土的抗剪強(qiáng)度。

3.2.4 公式的適用性

對于深層土，斯肯普頓公式和太沙基公式可分別計(jì)算，取較大值進(jìn)行應(yīng)用。而對于淺層土，長畸作治公式更為合適。

鑒于實(shí)際工況中土壤參數(shù)的不確定性，建議拆除吊裝時(shí)采用逐級增加載荷的方式進(jìn)行吊裝，如具備條件也可對防沉板附近泥土進(jìn)行吹泥，以減少吸附力的影響。

3.3 樁基抗拔阻力計(jì)算

拆除的導(dǎo)管架如果仍有部分樁基礎(chǔ)埋在泥沙中時(shí)，還需考慮樁基礎(chǔ)的抗拔阻力。

3.3.1 樁的抗拔阻力

通常情況下抗拔阻力可以分為兩種情況，即土塞工況和非土塞工況：

土塞工況其抗拔阻力可按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

抗拔阻力=外側(cè)摩+樁重+內(nèi)部土塞重量

非土塞工況其抗拔阻力可按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

抗拔阻力=內(nèi)外側(cè)摩+樁重

根據(jù)API 2GEO節(jié)中的內(nèi)容，樁的側(cè)磨阻力的計(jì)算方法如下[3]：

Qf=f(z)×As

式中，Qf為樁側(cè)摩阻力；f(z)為樁單位面積的側(cè)摩阻力；As為樁側(cè)表面積。

樁的極限軸向抗拔力可小等于樁的總側(cè)摩阻力Qf。

3.3.2 粘土的側(cè)磨阻力

對于粘土，側(cè)摩阻力f(z)可用下式計(jì)算：

f(z)=α×Su

式中，α為量綱為1的系數(shù)；Su為相應(yīng)深度土壤的不排水抗剪強(qiáng)度。

系數(shù)α可用下式計(jì)算：

α=0.5×ψ-0.5（ψ≤1.0）

α=0.5×ψ-0.25（ψ＞1.0）

約束值，α≤1.0

式中，ψ=Su/(Po' (z))，其中z為深度。

3.3.3 沙土的側(cè)磨阻力

對于沙土，側(cè)摩阻力f(z)可用下式計(jì)算：

f=β×p0' (z)

式中，β為量綱為1的系數(shù)（可以參考API 2GEO 8.1.4）；p0' (z)為相應(yīng)深度土壤的有效垂向應(yīng)力。

4 結(jié)論和建議

●區(qū)別于導(dǎo)管架安裝吊裝分析，導(dǎo)管架拆除吊裝分析應(yīng)充分考慮施工條件下的環(huán)境荷載；

●導(dǎo)管架拆除吊裝分析應(yīng)充分考慮泥面對防沉板和裙裝套筒YOKE板的吸附力；

●吸附力計(jì)算應(yīng)充分考慮表層土壤類型，同時(shí)兼顧防沉板和YOKE板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行計(jì)算；

●對于部分樁基礎(chǔ)仍在泥中的導(dǎo)管架拆除吊裝分析，應(yīng)充分考慮樁基礎(chǔ)的抗拔阻力；

●抗拔阻力應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況考慮土塞和非土塞工況，同時(shí)應(yīng)結(jié)合表層土壤類型進(jìn)行樁的側(cè)磨阻力計(jì)算。