劉建峰，杜穎，王彥多，韓敬艷，趙強(qiáng)，周建

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

泰國平臺拆除項目(以下簡稱泰國項目)是海洋石油工程股份有限公司承攬的首項海外平臺拆除項目，主要工作是完成4座固定式海洋平臺(YAWA、JKWB、FUWL和FUWM)上部組塊的海上拆除。這4座平臺所在油田位于泰國灣，平均水深70 m，屬于典型的固定式海洋平臺上部組塊。其中，YAWA組塊是3腿2層組塊，設(shè)計重量約為226 t；JKWB、FUWL和FUWM組塊都是4腿的兩層組塊，設(shè)計重量分別約為585、433、435 t。雖然海洋石油工程股份有限公司在國內(nèi)已先后完成了導(dǎo)管架[1-3]、組塊、舊單點[4]、儲罐，以及導(dǎo)管架帽[5]等多個海洋結(jié)構(gòu)物拆除項目，積累了較為豐富的拆除經(jīng)驗，但是相對于國內(nèi)的拆除項目而言，泰國項目存在以下幾方面的技術(shù)困難：①與業(yè)主雪佛龍公司和第三方LOC(倫敦海事咨詢有限公司)都是首次技術(shù)合作，雙方在規(guī)范使用、設(shè)計理念、計算方法和習(xí)慣做法等方面，存在較多差異；②首次在泰國灣拆除作業(yè)，對該海域海況特點了解較少，風(fēng)險識別難度大；③受項目工期和成本等因素的影響，協(xié)調(diào)國內(nèi)施工資源困難，且當(dāng)?shù)乜晒┻x擇的施工資源有限。為此，開展泰國灣固定式海洋平臺組塊拆除設(shè)計中吊裝、運(yùn)輸、裝船固定、穩(wěn)性和系泊等關(guān)鍵技術(shù)分析。

1 組塊吊裝分析新算法

目前，在國外項目中常見的組塊吊裝分析算法有：分配力法、分配力系數(shù)法和吊繩強(qiáng)制位移法等[6-7]。

針對組塊吊裝分析，與國外項目采用各種相對復(fù)雜的算法不同，國內(nèi)常規(guī)項目采用的傳統(tǒng)算法是依據(jù)API RP 2A規(guī)范要求：對于開敞暴露海域進(jìn)行吊裝，直接與吊點相連的桿件應(yīng)力校核時應(yīng)考慮不小于2.0倍的動力放大系數(shù)，其他所有桿件應(yīng)力校核時應(yīng)考慮不小于1.35倍的動力放大系數(shù)；對于遮蔽海域進(jìn)行吊裝，直接與吊點相連的桿件應(yīng)力校核時應(yīng)考慮不小于1.5倍的動力放大系數(shù)，其他所有桿件應(yīng)力校核時應(yīng)考慮不小于1.15倍的動力放大系數(shù)。

在國內(nèi)傳統(tǒng)算法中，針對組塊整體重心的模擬，考慮對實際重心位置估算的偏差，相對于組塊整體吊裝模型中的理論重心位置，其實際重心位置在水平面內(nèi)會出現(xiàn)一定量的偏移。在重心偏移問題上，國內(nèi)傳統(tǒng)算法基于如下假定：如圖1b)所示，相對于組塊整體吊裝的理論重心位置(COG)O點，沿X軸偏移量ex分別取±0.5 m和沿Y軸偏移量ey分別取±0.5 m，形成以點1～4為4個角點的正方形包絡(luò)線，組塊整體吊裝的實際重心位置不超過該正方形包絡(luò)線。在進(jìn)行組塊吊裝工況選擇時，除了選擇重心在理論重心位置的工況外，還分別選擇了重心偏移到4個角點上的4種危險工況[8]。

圖1 傳統(tǒng)算法中組塊吊裝示意

此外，在國內(nèi)傳統(tǒng)算法中，針對組塊整體吊裝時浮吊吊鉤位置和吊繩的模擬，如圖1a)所示，只模擬1個吊鉤位置和1組吊繩的情況，僅認(rèn)為吊鉤位置只存在于理論重心位置O點的正上方。

與國內(nèi)常規(guī)項目傳統(tǒng)算法不同，泰國項目在進(jìn)行組塊拆除設(shè)計時，雖然該項目4座組塊中最重的設(shè)計重量是585 t，但是業(yè)主和第三方都要求采用相對復(fù)雜的新算法進(jìn)行組塊吊裝分析。相比較國內(nèi)傳統(tǒng)算法而言，新算法主要存在以下區(qū)別：①如圖1b)所示，在考慮重心偏移時，將重心沿X軸偏移量ex分別取±1.0 m和沿Y軸偏移量ey分別取±1.0 m；②如圖2所示，針對組塊整體吊裝時浮吊吊鉤位置和吊繩的模擬，共模擬5個吊鉤位置和5組吊繩的情況，而這5個吊鉤位置分別設(shè)置在圖1b)中點0～4正上方的同一平面內(nèi)。

圖2 組塊吊裝分析新算法示意

相對于國內(nèi)傳統(tǒng)算法，該項目的新算法在考慮實際重心偏移時，將圖1b)中正方形包絡(luò)線的邊長由1 m擴(kuò)大到2 m，使得組塊各桿件應(yīng)力強(qiáng)度更不容易滿足規(guī)范要求。另外，新算法通過設(shè)置5個吊鉤位置和5組吊繩，可以有效模擬因吊繩制造誤差或配扣偏差而存在每根吊繩實際長度與其理論長度不一致的工況，還可以有效解決國內(nèi)傳統(tǒng)算法計算結(jié)果中位移偏大的問題。

2 運(yùn)輸分析中墊墩的模擬

國內(nèi)常規(guī)項目在詳細(xì)設(shè)計階段對組塊進(jìn)行運(yùn)輸分析時，由于抬梁、墊墩(或滑靴)等施工資源未最終確定，再考慮到墊墩的截面形式和外形尺寸對組塊自身運(yùn)輸分析計算結(jié)果影響較小，墊墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不是詳細(xì)設(shè)計階段考慮的重點，因此通常采用兩種模擬方式：①在組塊運(yùn)輸模型中不考慮墊墩進(jìn)行模擬，僅在組塊和駁船整體搖擺中心設(shè)定時考慮墊墩高度；②僅在組塊運(yùn)輸模型中模擬墊墩高度，而對其詳細(xì)的截面形式不做精細(xì)化模擬，多采用與其相連的組塊各主腿截面形式(圓管)來簡單替代。在安裝設(shè)計階段和拆除設(shè)計階段進(jìn)行組塊運(yùn)輸分析時，針對墊墩截面形式的模擬，也多采用上述第二種模擬方式，不進(jìn)行精細(xì)化模擬。

組塊運(yùn)輸分析計算結(jié)果中墊墩底端的最大支反力，不但影響著墊墩自身強(qiáng)度校核、駁船甲板強(qiáng)度校核，也影響著裝船固定筋板的強(qiáng)度校核，因此在組塊運(yùn)輸分析中對墊墩截面進(jìn)行精細(xì)化模擬很有必要。分析泰國項目組塊拆除設(shè)計方案發(fā)現(xiàn)，對墊墩橫截面采用不同的截面形式進(jìn)行模擬，墊墩底端支反力的計算結(jié)果存在一定差異。以本項目FUWL組塊為例，其運(yùn)輸分析SACS模型見圖3a)。該組塊實際拆除過程中的墊墩長2.8 m、寬2.0 m、高1.3 m、重9.1 t，見圖3b)；其典型截面(水平剖面)是由縱向3片和橫向6片25 mm厚的鋼板相互垂直拼接而成，見圖3c)。通過在SACS模型中修改墊墩桿件的截面形式和等效密度，分別把墊墩截面模擬成圓管(圖4a))、箱型(見圖4b))、三腹板(見圖4c))、長方形(見圖4d))，其中圓管的直徑和壁厚與A1腿柱相同，箱型、三腹板和長方形的長寬都與墊墩的長寬相同。通過對上述4種墊墩截面模擬形式進(jìn)行組成運(yùn)輸分析，得到該組塊A1腿處墊墩底端(模型中的固支節(jié)點)最大支反力計算結(jié)果，見表1。

圖3 FUWL組塊運(yùn)輸模型及墊墩示意

圖4 墊墩截面形式模擬示意(單位：mm)

由表1可見，對于同一墊墩，當(dāng)采用不同的截面形式進(jìn)行模擬時，其底端支反力的計算結(jié)果不同。整體來看，采用箱型、三腹板和長方形來模擬墊墩截面，在整體坐標(biāo)系下的6個自由度上的最大支反力都較為接近，最大相差不超過1%。與常規(guī)做法中采用圓管截面模擬墊墩的計算結(jié)果相比，采用箱型、三腹板和長方形截面模擬墊墩的計算結(jié)果，在FZ方向上受力較小，減小了約13%；但是，在其余5個自由度上受力都較大，其中，在FX方向上增大了約11%，在FY方向上增大了約14%，在MX方向上增大了約24%，在MY方向上增大了約83%，在MZ方向上增大了約4%。因此，在組塊運(yùn)輸分析中，結(jié)合墊墩本身的截面形式、外形尺寸和結(jié)構(gòu)特點，相對于以往采用圓管來模擬墊墩而言，采用箱型、三腹板或長方形截面來模擬墊墩更為合理。

表1 不同截面形式下FUWL組塊A1腿處墊墩底端最大支反力

3 裝船固定分析

3.1 筋板校核的新算法

由于泰國項目組塊在碼頭采用SPMT小車滾裝卸船的施工方案，對組塊在駁船甲板上進(jìn)行裝船固定時需要使用抬梁和墊墩，而在組塊腿柱與抬梁之間、抬梁與墊墩之間、以及墊墩與駁船甲板之間都需要采用筋板固定，見圖5。因此需要設(shè)計校核的筋板不但數(shù)量多而且種類多，給裝船固定設(shè)計帶來不小的技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，與國內(nèi)常規(guī)項目相比，本項目的業(yè)主和第三方在筋板校核的計算方法和設(shè)計理念上有很大的不同，見表2。

圖5 組塊裝船固定示意

表2 國內(nèi)常規(guī)項目與泰國項目裝船固定筋板校核算法對比

由表2可知，在組塊裝船固定設(shè)計中針對筋板校核時，國內(nèi)常規(guī)項目的算法一般包括豎直壓應(yīng)力、豎直拉應(yīng)力、豎直剪應(yīng)力、水平剪應(yīng)力和整體彎應(yīng)力的校核，不考慮局部彎應(yīng)力和屈曲應(yīng)力的校核；而泰國項目則不考慮豎直壓應(yīng)力、豎直拉應(yīng)力和豎直剪應(yīng)力的校核，重點考慮水平剪應(yīng)力、整體彎應(yīng)力、局部彎應(yīng)力和屈曲應(yīng)力的校核。

除了表2中能直觀看出泰國項目與國內(nèi)常規(guī)項目在計算項上的差別外，兩者在一些具體項上的計算方法也有比較大的差異。例如，某墊墩在駁船甲板上由筋板固定的俯視示意見圖6，假設(shè)墊墩上表面(長方形)的4個角分別為A、B、C、D，在AD側(cè)面和BC側(cè)面上各有3塊筋板，在AB側(cè)面和CD側(cè)面上各有4塊筋板，F(xiàn)X為沿0°方向作用在墊墩底端幾何中心的水平剪力，國內(nèi)算法處理為該水平剪力FX應(yīng)由上述AD側(cè)面和BC側(cè)面上的6塊筋板共同承擔(dān)，而泰國項目處理為該水平剪力FX只由BC側(cè)面上的3塊筋板承擔(dān)。此外，在計算整體彎應(yīng)力時，國內(nèi)常規(guī)項目算法需要同時考慮筋板受壓應(yīng)力和彎應(yīng)力的組合，而泰國項目算法則只考慮筋板受到的彎應(yīng)力。

圖6 墊墩由各方向筋板固定示意(俯視)

3.2 筋板的加強(qiáng)板

泰國項目的業(yè)主和第三方對于裝船固定筋板設(shè)計還有一個特殊規(guī)定：在每1塊筋板背部焊接加強(qiáng)板，見圖7。

圖7 筋板及其加強(qiáng)板的示意

由于本項目在裝船固定中使用的筋板數(shù)量較多，如果嚴(yán)格按照這項要求實施，不僅給裝船固定設(shè)計增加不少鋼材，更會增加很多焊接工作量。根據(jù)以往國內(nèi)常規(guī)項目裝船固定的設(shè)計經(jīng)驗，考慮到只要每塊筋板受力后不會屈曲，則在筋板背部焊接加強(qiáng)板的做法實際作用不大。經(jīng)過與業(yè)主和第三方溝通，最后決定不對每塊筋板焊接加強(qiáng)板。

3.3 筋板的有效支撐

泰國項目在裝船固定設(shè)計時，對新增筋板所焊接固定位置下方的原有筋板，是否可以判定為有效支撐也進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。如圖8a)所示，只有當(dāng)新增筋板面與其腳印所在隔板正下方的原有筋板面共面時，才認(rèn)為原有筋板對新增筋板是有效支撐；而對于圖8b)和圖8c)所示的情況，無論新增筋板面與其腳印所在隔板正下方的原有筋板面是錯位，還是上下兩塊筋板面相交，都認(rèn)為原有筋板對新增筋板是無效支撐。

圖8 筋板的有效支撐和無效支撐判定示意

因此認(rèn)為項目，所有位于無效支撐位置處的新增筋板都不能承受任何外力，這部分新增筋板在筋板強(qiáng)度校核時都不能包含在內(nèi)。

4 一次性駁船調(diào)載滿足3種運(yùn)輸工況

泰國灣項目，如果從國內(nèi)派遣運(yùn)輸駁船過去，占用駁船的周期較長、成本較高，相對經(jīng)濟(jì)的解決方案是從泰國當(dāng)?shù)貙ふ荫g船資源。通過對當(dāng)?shù)伛g船資源的調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，泰國市場上僅有SCENA 2801和SCENA 2802 2艘運(yùn)輸駁船滿足本項目組塊運(yùn)輸?shù)男枨蟆５?，這2艘運(yùn)輸駁船都沒有獨自調(diào)載能力，需要外接調(diào)載泵，而調(diào)載泵也需要從當(dāng)?shù)剡M(jìn)行租賃，且日租賃費用昂貴。由于本項目的運(yùn)輸方案和裝船固定方案是讓每艘駁船1次運(yùn)回2個組塊，這樣駁船實際就出現(xiàn)了3種作業(yè)工況：工況1，從碼頭開往第一座平臺過程的無組塊運(yùn)輸工況，見圖9a)；工況2，裝載第一個組塊后前往第二座平臺過程的單組塊運(yùn)輸工況，見圖9b)；工況3，裝載完成第二個組塊后返回碼頭過程的雙組塊運(yùn)輸工況，見圖9c)。

圖9 駁船運(yùn)輸?shù)?種作業(yè)工況

為滿足上述3種作業(yè)工況的調(diào)載需求，如果讓調(diào)載泵跟隨駁船一起出海在海上對駁船進(jìn)行調(diào)載的話，則調(diào)載泵的總租賃費用就會特別高。

針對上述困難，首先，設(shè)計2個組塊在駁船甲板上擺放位置時，盡可能將2個組塊重心都靠近駁船的中軸線，以減小2個組塊在裝船過程中對駁船水平度(尤其是橫傾角)的影響。其次，分析在工況3下駁船穩(wěn)性滿足規(guī)范要求時，駁船各個艙室壓載水的最終狀態(tài)。然后，針對工況3下駁船壓載的最終狀態(tài)，分別驗算該壓載狀態(tài)在工況1和工況2下駁船的運(yùn)輸穩(wěn)性是否也滿足規(guī)范要求；若滿足規(guī)范要求，則證明該駁船在工況3一種壓載水的狀態(tài)下，就能同時滿足3種運(yùn)輸工況的共同需求。這樣就能實現(xiàn)短期租賃調(diào)載泵，只需在碼頭1次性完成對駁船各艙室壓載水的調(diào)載，不用再將調(diào)載泵帶到海上在海上對駁船進(jìn)行第二次調(diào)載和第三次調(diào)載，可為項目節(jié)省成本。

經(jīng)過反復(fù)試算分析，找到了3種運(yùn)輸工況的共用工況3，該方案僅在工況2時駁船有0.11°的橫傾角，但該橫傾角不影響駁船正常航行和穩(wěn)性，最終結(jié)果滿足駁船的運(yùn)輸要求。

5 逆向推導(dǎo)錨纜臥底長度

在系泊分析方面，國內(nèi)常規(guī)項目通常只分析平均波浪周期下的作業(yè)工況，而泰國項目則不但要求分別分析最小波浪周期、平均波浪周期和最大波浪周期下的作業(yè)工況，還要求分別分析1年一遇有義波高和5年一遇有義波高下的待機(jī)工況；此外，針對作業(yè)工況和待機(jī)工況，還要分別計算系泊錨纜完整工況和施工船舶各根錨纜每根依次破斷的破斷工況，見表3。

表3 國內(nèi)常規(guī)項目與泰國項目的系泊分析對比

本項目除了對系泊分析的計算工況要求較多之外，還要求在系泊分析時每根錨纜的臥底長度都要大于50 m(國內(nèi)常規(guī)項目要求大于0即可)。因此，相對國內(nèi)常規(guī)項目而言，本項目在系泊分析方面計算工作量大。如果采用常規(guī)的系泊分析思路，則需要手算400多組數(shù)據(jù)，計算量大而且計算時間長，無法滿足本項目對拆除工期要求。于是，采用插值法先求出當(dāng)錨纜臥底長度為50 m時對應(yīng)的錨纜張力F50，再將每根錨纜實際計算出的最大張力Fmax與F50比較，若Fmax大于F50，即可證明錨纜的臥底長度大于50 m，避免了繁瑣的計算過程，既滿足了本項目的要求，又節(jié)約了拆除設(shè)計工期。

6 應(yīng)用效果

項目按照合同工期要求順利完成了4座組塊的拆除作業(yè)，見圖10。項目的拆除設(shè)計成果和施工效果都得到了業(yè)主和第三方的高度認(rèn)可，最終獲得了雪佛龍公司授予的最高榮譽(yù)獎勵“無事故安全獎”。

圖10 泰國項目組塊運(yùn)回碼頭

7 結(jié)論

1)在組塊吊裝分析方面，泰國項目針對組塊整體吊裝時浮吊吊鉤位置和吊繩的模擬，共模擬了5個吊鉤位置和5組吊繩情況，這5種吊鉤與吊繩的組合方式有其合理的地方，目前已被國內(nèi)項目普遍采用；但是，該項目將重心沿X軸偏移量ex分別取±1.0 m和沿Y軸偏移量ey分別取±1.0 m，這相對于國內(nèi)普遍取±0.5 m的做法而言，具體哪種設(shè)置更合理，還需進(jìn)一步研究。

2)在組塊運(yùn)輸分析方面，泰國項目通過對多種截面形式模擬墊墩截面計算結(jié)果的論證分析，證明了對墊墩模擬采用不同的截面形式，對運(yùn)輸分析中墊墩受力的計算結(jié)果有很大影響，進(jìn)而會影響到組塊裝船固定設(shè)計方案。因此，建議今后在類似項目的拆除設(shè)計應(yīng)盡量選擇對墊墩截面進(jìn)行精細(xì)化模擬。

3)在組塊裝船固定分析方面，與國內(nèi)常規(guī)項目采用的算法相比，泰國項目采用的筋板校核算法更注重彎矩對筋板強(qiáng)度的影響；其對新增筋板是否具備有效支撐方面的規(guī)定，雖然相對苛刻但也較為合理，值得國內(nèi)項目借鑒；但是，其在校核筋板水平剪應(yīng)力時，只選取一側(cè)筋板來承受水平剪切力的做法，則過于保守，是否合理值得商榷。

4)在駁船穩(wěn)性分析方面，泰國項目通過在碼頭一次性對駁船調(diào)載而同時滿足3種運(yùn)輸工況的設(shè)計方案，有效解決了駁船無法獨自調(diào)載的困難，減少了調(diào)載泵的租賃時間，節(jié)省了成本，值得其他類似項目借鑒。

5)在浮吊船系泊分析方面，泰國項目需要計算的工況很多，通過逆向思維，先求出錨纜臥底長度為50 m時的錨纜張力F50，再用每根錨纜計算出的實際最大張力Fmax快速判斷出每根錨纜的臥底長度是否大于50 m，既避免了繁瑣的計算過程，又節(jié)約了拆除設(shè)計工期。