杜 穎,韓敬艷,劉建峰,武斌斌,李曉明

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

0 引 言

廢棄海洋結(jié)構(gòu)物的拆除將成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)，并形成海洋工程的一個(gè)新業(yè)務(wù)。陳舊生產(chǎn)設(shè)施的處理比起初設(shè)計(jì)和建造它們更具有挑戰(zhàn)性，并且受到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、環(huán)境保護(hù)等多種因素的制約，是一項(xiàng)極具危險(xiǎn)性的工程，不能簡單將其視為安裝過程的逆向操作。

如何選擇合理的拆除方案，需要根據(jù)導(dǎo)管架本身的特點(diǎn)、所在海域的實(shí)際情況、作業(yè)的可能性、相關(guān)規(guī)范和環(huán)境保護(hù)的要求，做出詳盡的拆除方案，以便花費(fèi)較少的費(fèi)用、更好地減少污染、順利完成拆除任務(wù)[1-2]。目前，關(guān)于導(dǎo)管架平臺拆除方法的研究越來越多，有很多創(chuàng)新的方法如背拉法、雙船浮托法[3-7]。我國已成功自主拆除完成的導(dǎo)管架平臺有曹妃甸1-6導(dǎo)管架[8]、錦州21-1WHPA平臺/錦州20-2SW平臺[9]、曹妃甸舊單點(diǎn)[10]、埕北油田儲罐及導(dǎo)管架帽[11]、渤中25-1油田明珠號單點(diǎn)[12]、潿洲11-4C平臺導(dǎo)管架[13]和泰國灣CEC公司的SKL-C油田的2座平臺等。上述平臺和導(dǎo)管架涵蓋渤海、南海和泰國灣等海域，拆除方式無一例外均為導(dǎo)管架焊接吊點(diǎn)整體吊裝拆除。由此可見，吊裝拆除依然是目前的主流拆除方式。

根據(jù)調(diào)研，目前即將退役的導(dǎo)管架大多是吊裝安裝的，在安裝時(shí)通常只考慮導(dǎo)管架自重，而在拆除該導(dǎo)管架時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)自重、樁自重、抗拔力、防塵板吸附力、泥重、海生物重量和浮力等。以拆除渤中25-1油田明珠號單點(diǎn)為例，其安裝重量為310 t，而拆除時(shí)其最大吊重為離底瞬間的670 t。因此，在拆除導(dǎo)管架時(shí)原吊點(diǎn)的承載力基本無法滿足要求。常規(guī)做法是改造或重新焊接吊點(diǎn)。如果原吊點(diǎn)在水下則不具備改造的可能性，只能重新預(yù)制。常規(guī)焊接吊點(diǎn)的方式只能在潮差帶焊接吊點(diǎn)，且對天氣要求高、工期長、費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)也高。針對此問題和對臨近服役期導(dǎo)管架形式的分析，本文研究一種新型通用吊裝卡具，本體在陸地預(yù)制無須水下焊接，可用于替代拆除導(dǎo)管架時(shí)需要焊接的吊點(diǎn)，且該卡具可反復(fù)使用。

本文詳細(xì)分析如何利用新型通用吊裝卡具進(jìn)行導(dǎo)管架拆除，并對其經(jīng)濟(jì)性和適用性進(jìn)行分析。

1 技術(shù)現(xiàn)狀及特點(diǎn)

廢棄導(dǎo)管架的拆除是整個(gè)平臺生命周期的最后階段，對于平臺所有人來說不產(chǎn)生效益，因此在成本方面需盡可能地降低。國內(nèi)對于廢棄導(dǎo)管架拆除的吊裝部分，主要采用導(dǎo)管架腿焊吊點(diǎn)的方式。具體施工步驟及特點(diǎn)如下：(1)在導(dǎo)管架潮差段指定位置搭設(shè)腳手架；(2)施工人員在吊點(diǎn)焊接位置清理海生物，打磨除銹；(3)焊接吊點(diǎn)，并進(jìn)行檢驗(yàn)，返工不合格的焊道；(4)在導(dǎo)管架吊裝施工前，將吊鉤的鋼絲繩連接到吊點(diǎn)上，從而進(jìn)行導(dǎo)管架吊裝作業(yè)。

傳統(tǒng)形式焊接吊點(diǎn)的弊端如下：(1)施工位置在潮差段，對作業(yè)天氣要求嚴(yán)格；(2)腳手架在搭設(shè)拆除及施工過程中存在被海浪破壞的可能，易致人員落海和工機(jī)具設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)；(3)施工人員在打磨焊接檢驗(yàn)的過程中同樣存在人員落海及觸電的安全風(fēng)險(xiǎn)；(4)工作量大、施工周期長、費(fèi)用昂貴。

導(dǎo)管架服役期一般為20 a，大多數(shù)渤海海域的導(dǎo)管架即將進(jìn)入退役期，加之泰國灣及英國北海等國際市場的開拓，未來拆除市場前景廣闊。針對多個(gè)相同的導(dǎo)管架需要拆除的項(xiàng)目，所設(shè)計(jì)的新型通用吊裝卡具可實(shí)現(xiàn)一組卡具完成多次吊裝，從而避免每個(gè)導(dǎo)管架焊接吊點(diǎn)的問題。

2 新型通用吊裝卡具形式

2.1 吊裝卡具形式

為拆除導(dǎo)管架設(shè)計(jì)的新型通用吊裝卡具主要由主管、支撐管、托板、水平撐、吊點(diǎn)等組成，如圖1所示。在待拆除的導(dǎo)管架起吊之前，可提前在導(dǎo)管架上安裝該卡具。即主管包裹在導(dǎo)管架腿柱的主腿上通過螺栓鎖緊，支撐管上的托板支撐導(dǎo)管架上的水平撐。在海上施工時(shí)可直接吊裝卡具水平撐上的吊點(diǎn)。導(dǎo)管架吊裝就位后將該卡具拆卸，后續(xù)可反復(fù)使用。新型吊裝卡具參數(shù)如下：(1)卡具主腿內(nèi)徑及壁厚為Ф1 366 mm×60 mm(可根據(jù)導(dǎo)管架管徑尺寸進(jìn)行調(diào)整)；(2)卡具主腿高度為2 300 mm；(3)支管(含斜撐和水平管)內(nèi)徑及壁厚為Ф400 mm×50 mm，其中，斜撐管長度為1 554 mm，水平管長度為976 mm；(4)托板內(nèi)徑及壁厚為Ф750 mm×25 mm，長度為666 mm(可根據(jù)導(dǎo)管架橫撐尺寸進(jìn)行調(diào)整)；(5)卡具的材質(zhì)為船用結(jié)構(gòu)鋼D36，屈服強(qiáng)度為35.5 kN/cm2。

圖1 新型吊裝卡具形式

2.2 設(shè)計(jì)可行性

2.2.1 目標(biāo)導(dǎo)管架確定

為驗(yàn)證新型吊裝卡具的可行性，制定2種方案選擇不同類型導(dǎo)管架分別進(jìn)行驗(yàn)證。具體導(dǎo)管架參數(shù)如表1所示。

表1 目標(biāo)導(dǎo)管架參數(shù)

為驗(yàn)證新型吊裝卡具的適用性，選取不同重量的2種導(dǎo)管架。卡具的適用性分析包含2個(gè)方面：一是卡具本身是否適合目標(biāo)導(dǎo)管架；二是目標(biāo)導(dǎo)管架是否具備使用卡具的強(qiáng)度條件。兩者強(qiáng)度均須滿足要求。因此，此次驗(yàn)證也是從上述2個(gè)方面進(jìn)行。

在導(dǎo)管架實(shí)際拆除過程中最危險(xiǎn)的吊裝工況為離底瞬間，離底瞬間含自重、浮力、防塵板的吸附力、樁腿的抗拔力、海生物的重量等外力。因此，卡具強(qiáng)度的驗(yàn)證都以此工況為考量。需要通過SACS軟件整體計(jì)算吊裝，得到需要安裝卡具位置的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移的具體數(shù)值，為后續(xù)有限元局部計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。圖2為導(dǎo)管架整體計(jì)算模型。

圖2 導(dǎo)管架整體計(jì)算模型

2.2.2 新型吊裝卡具強(qiáng)度驗(yàn)證

使用有限元分析軟件Ansys分別對卡具在托板承受導(dǎo)管架重量和吊點(diǎn)承受吊繩力兩種工況下進(jìn)行強(qiáng)度校核[14]。

工況1：忽略卡具與導(dǎo)管架的摩擦力，認(rèn)為托板單獨(dú)承受導(dǎo)管架的吊重，并認(rèn)為托板承受的力為均布力。工況2：吊點(diǎn)單獨(dú)承受所有的吊繩力，在卡具吊點(diǎn)處建立PILOT點(diǎn)，模擬卡環(huán)與吊點(diǎn)的接觸。

對于方案1，經(jīng)計(jì)算可知：工況1節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力為475.0 MPa，工況2節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力為518.5 MPa，均大于許用應(yīng)力284.0 MPa，且大面積超出許用應(yīng)力，影響了整體強(qiáng)度。該新型卡具不能用于吊裝該重量類型的導(dǎo)管架，導(dǎo)管架平臺可采用分段切割吊裝的方法進(jìn)行拆除。

對于方案2，經(jīng)計(jì)算可知：工況1節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力為192.0 MPa，工況2節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力為209.0 MPa，均小于許用應(yīng)力284.0 MPa，滿足整體強(qiáng)度要求。圖3和圖4分別為方案1和方案2的Ansys 計(jì)算模型及結(jié)果。

圖3 方案1 Ansys 計(jì)算模型及結(jié)果

圖4 方案2 Ansys 計(jì)算模型及結(jié)果

2.2.3 導(dǎo)管架強(qiáng)度驗(yàn)證

由于新型吊裝卡具不能承受方案1的應(yīng)力強(qiáng)度，因此不再對其進(jìn)行下一步校核。新型吊裝卡具可承重吊裝方案2的BZ25-1明珠號單點(diǎn)導(dǎo)管架，但該導(dǎo)管架本身的局部強(qiáng)度是否能滿足要求，需進(jìn)一步計(jì)算。依然采用Ansys軟件對其進(jìn)行局部強(qiáng)度校核。圖5為BZ25-1明珠號單點(diǎn)導(dǎo)管架應(yīng)用卡具局部計(jì)算模型及結(jié)果。

圖5 BZ25-1明珠號單點(diǎn)導(dǎo)管架應(yīng)用卡具局部計(jì)算模型及結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，在使用新型卡具進(jìn)行吊裝時(shí)，導(dǎo)管架最大應(yīng)力為238.8 MPa，小于許用應(yīng)力284.0 MPa，滿足強(qiáng)度要求。在確定使用新型卡具吊裝BZ25-1明珠號單點(diǎn)導(dǎo)管架時(shí)，該導(dǎo)管架自身強(qiáng)度可滿足要求。接著進(jìn)一步求證使用鋼絲繩進(jìn)行綁扎的方式是否可行，是否可直接采用綁扎方式更為便利地進(jìn)行吊裝。圖6為BZ25-1明珠號單點(diǎn)導(dǎo)管架綁扎式局部計(jì)算模型及結(jié)果。

圖6 BZ25-1明珠號單點(diǎn)導(dǎo)管架綁扎式局部計(jì)算模型及結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，在使用綁扎方式進(jìn)行吊裝時(shí)，導(dǎo)管架最大應(yīng)力為320.4 MPa，大于許用應(yīng)力284.0 MPa，且面積較大，無法滿足強(qiáng)度要求。因此，該方式不可行。

2.2.4 新型吊裝卡具形式總結(jié)

通過上述2種方案的對比可看出，新型吊裝卡具并不適用于大型導(dǎo)管架，只適用于小型導(dǎo)管架的吊裝，同時(shí)要求用于吊裝的導(dǎo)管架自身強(qiáng)度滿足吊裝要求。但在安裝卡具時(shí)一般需要水下掛扣。在進(jìn)行導(dǎo)管架拆除方案的選擇時(shí)，是直接焊接吊點(diǎn)還是使用吊裝卡具，需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比后才能決定合理有效的方案。

2.3 卡具安裝工作量及費(fèi)用對比

為考量新型吊裝卡具的經(jīng)濟(jì)性，將安裝吊點(diǎn)的工作量、費(fèi)用與使用新型吊裝卡具進(jìn)行拆除吊裝的方法進(jìn)行對比，如表2和表3所示。

表2 單個(gè)導(dǎo)管架拆除經(jīng)濟(jì)性對比(陸地施工費(fèi)用)

表3 單個(gè)導(dǎo)管架拆除經(jīng)濟(jì)性對比(海上施工費(fèi)用)

由表2和表3可知，單個(gè)導(dǎo)管架拆除陸地+海上施工安裝吊點(diǎn)累計(jì)費(fèi)用為76.2萬元，新型吊裝卡具累計(jì)費(fèi)用為165.0萬元，使用新型吊裝卡具比安裝吊點(diǎn)的費(fèi)用增加約88.8萬元。

當(dāng)批量拆除同類型導(dǎo)管架時(shí)，其與常規(guī)方案的經(jīng)濟(jì)效益對比如表4所示。

由表4可知，當(dāng)同類型導(dǎo)管架個(gè)數(shù)大于3個(gè)時(shí)，新型吊裝卡具的經(jīng)濟(jì)效益開始凸顯。由于新型卡具具有反復(fù)使用的特點(diǎn)，拆除同類型導(dǎo)管架個(gè)數(shù)越多，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢越明顯。

3 結(jié) 論

研究導(dǎo)管架拆除新型吊裝卡具，得到如下結(jié)論：

(1)新型吊裝卡具適用于重量較輕(400 t以內(nèi))的導(dǎo)管架，尤其適用于以下情況：①待拆除導(dǎo)管架新增吊點(diǎn)需要在潮差帶焊接；②待拆除導(dǎo)管架在水下無法焊接吊點(diǎn)；③多個(gè)待拆除導(dǎo)管架的腿柱外徑與水平撐外徑相近或相同；④多個(gè)待拆除導(dǎo)管架重量相近。

(2)新型吊裝卡具與傳統(tǒng)的安裝吊點(diǎn)方式相比有如下特點(diǎn)：①新型吊裝卡具的安裝無須搭設(shè)腳手架，可在海上利用浮式起重機(jī)直接施工，減少對天氣窗口的要求；②由于新型吊裝卡具在陸地制作，可在海上直接安裝，省去清理海生物、打磨除銹、焊接吊點(diǎn)等工序；③風(fēng)險(xiǎn)小，施工人員工作量小，海上施工周期短、費(fèi)用低；④有效解決水下無法焊接吊點(diǎn)的難題。

(3)不同導(dǎo)管架所適配的卡具尺寸略有不同。在使用卡具時(shí)需要對導(dǎo)管架自身強(qiáng)度進(jìn)行校核。

(4)新型吊裝卡具從經(jīng)濟(jì)性考慮適用于拆除多個(gè)同類型導(dǎo)管架，建議在同類型導(dǎo)管架數(shù)量大于3個(gè)時(shí)使用，或反復(fù)使用同一卡具(可進(jìn)行局部改造)大于2次時(shí)，也比每次重新焊接吊點(diǎn)更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。