楊洪所，高 巍，付東明，趙 強，李曉明

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029)

0 引 言

目標油田位于泰國灣，該油田開發(fā)年限已到，作為油田的重要設(shè)施，浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)、水下軟管、錨鏈、中水浮筒、中水浮筒下部連接的重力基盤都需要進行拆除。

長期以來，工程界對水下設(shè)施的安裝進行相當多的研究，而對于水下設(shè)施的拆除，尤其是重力式水下基盤的拆除鮮有研究。從本質(zhì)上講，拆除是安裝的逆過程，但拆除過程分析往往需要比安裝考慮更多的影響因素。水下重力基盤的拆除與打撈工作涉及的風險點和關(guān)鍵點包括：(1)重力基盤上端連接中水浮筒，中水浮筒的拆除是基盤拆除的前序工作，浮筒的拆除對基盤的拆除作業(yè)有一定的影響；(2)重力基盤服役超過30 a，其與土壤的相互作用須進行充分評估；(3)重力基盤的打撈須在充分評估工作船的基座式起重機(簡稱“起重機”)能力后方可進行；(4)重力基盤結(jié)構(gòu)相對簡單，須進行整體強度評估，防止上拔及起吊作業(yè)對吊點及結(jié)構(gòu)造成破壞。

對目標油田FPSO中水浮筒重力基盤的拆除打撈進行分析，分析內(nèi)容包括：起重機能力校核、基盤強度校核及基盤與土壤的相互作用，為項目執(zhí)行及今后類似的拆除工程提供參考與借鑒。

1 基本信息

1.1 整體情況

目標油田開發(fā)設(shè)施由1艘外轉(zhuǎn)塔FPSO、水下生產(chǎn)軟管、水下臍帶纜、系泊纜、2座中水浮筒和4個重力基盤組成。軟管和臍帶纜由中水浮筒支撐，每個中水浮筒連接2座重力基盤，如圖1所示。

圖1 水下設(shè)施示例

重力基盤底部為八邊形框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在考慮10%不確定系數(shù)情況下其干重為38.05 t，其中框架干重為34.40 t，裙板干重為3.65 t。重力基礎(chǔ)底部長、寬均為6.6 m，整體高為3.1 m?？蚣芙Y(jié)構(gòu)上部焊接豎向支撐以放置混凝土壓載塊。重力基盤底部有高約1.0 m的裙板結(jié)構(gòu)以改善入泥后重力基礎(chǔ)的抗拔能力，頂部有1個吊點通過纜繩與中水浮筒連接，在拆除作業(yè)中可用于起吊作業(yè)。

圖2 帶裙板結(jié)構(gòu)的重力基盤

重力基盤材料為DH36鋼，屈服強度為350 MPa，許用應(yīng)力為245 MPa，在局部應(yīng)力集中處許用應(yīng)力為315 MPa。

1.2 工作船信息

執(zhí)行拆除工作的工作船主尺度信息如表1所示。該船配備DP 2動力定位系統(tǒng)。

表1 工作船主尺度信息

工作船裝備1臺靜態(tài)吊裝能力為100 t、動態(tài)吊裝能力為130 t的舷側(cè)折臂起重機，起重機位于船體右側(cè)船中后部。圖3為起重機的具體位置。

圖3 起重機位置示例

1.3 環(huán)境條件

根據(jù)重力基礎(chǔ)拆除作業(yè)目標月份的有義波高-譜峰周期散布規(guī)律，該月份環(huán)境條件較為溫和，有義波高1.8 m對應(yīng)累計概率為96.524%，有義波高1.5 m對應(yīng)累計概率為92.447%。初步確定作業(yè)最高限制海況為有義波高1.5 m。

在該月份環(huán)境中，海域波浪譜峰周期集中在2.5～7.5 s。有義波高為1.5 m，對應(yīng)譜峰周期范圍為4.5～7.5 s?？紤]到起重機位于船體右側(cè)，在實際工況中考慮工作船左舷迎浪。在動態(tài)吊裝分析中采用規(guī)則波分析方法。具體海況環(huán)境條件如表2所示。

表2 動態(tài)吊裝海況分析

出于保守考慮，在動態(tài)吊裝分析中采用一年一遇風速和一年一遇流速與波浪環(huán)境疊加進行分析。一年一遇風速為14 m/s，一年一遇流速為0.5 m/s。風、浪、流均為同方向。

2 分析內(nèi)容及分析軟件

2.1 分析內(nèi)容

整個重力基盤的拆除分析工作包括：(1)對重力基盤的靜態(tài)吊裝進行校核，要求起重機利用系數(shù)小于80%；(2)對重力基盤的動態(tài)吊裝進行校核，要求起重機利用系數(shù)小于90%，并給出動力放大系數(shù)；(3)分析重力基礎(chǔ)與土壤的相互作用，分析重力基礎(chǔ)上拔力；(4)根據(jù)分析結(jié)果，對整體結(jié)構(gòu)進行強度校核，對吊點進行強度校核。

2.2 動態(tài)起吊分析

動態(tài)起吊分析采用OrcaFlex軟件進行模擬[1]，分析方法采用規(guī)則波法。對重力基盤進行一定程度的簡化，將其底部包括裙板結(jié)構(gòu)在內(nèi)的框架模擬成直徑為6.6 m的圓盤，將上部支撐結(jié)構(gòu)模擬成直徑為3.0 m的圓盤。整個結(jié)構(gòu)采用6D buoy進行建模，考慮拖曳力、附加質(zhì)量和抨擊載荷，相關(guān)水動力系數(shù)的選取見文獻[2]。

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動態(tài)分析模型如圖4所示。重力基盤的水動力參數(shù)如表3所示。

圖4 重力基礎(chǔ)動態(tài)分析計算模型

表3 重力基盤水動力參數(shù)設(shè)置

動態(tài)起吊分析分為如下3個基本步驟：(1)接近飛濺區(qū)，重力基盤從海底提升至靜水面下12 m處；(2)穿越飛濺區(qū)，重力基盤從水下12 m處提升至水面以上1 m處；(3)遠離飛濺區(qū)，重力基盤提升至水面以上2 m處。

整個分析分為6個子分析階段、7個波浪方向(0°～180°)、1個波高(H為2.8 m)、4個波浪周期(T分別為5 s、6 s、7 s和8 s)，共168個分析工況。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

重力基盤為框架結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)分析計算機系統(tǒng)(Structural Analysis Computer System,SACS)軟件對其進行整體強度分析。重力基盤的吊點結(jié)構(gòu)較為復雜，不宜采用常規(guī)的吊點規(guī)范校核進行分析，需要通過ANSYS Workbench建立吊點模型對其進行有限元強度校核。

重力基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)分析模型如圖5所示。吊點結(jié)構(gòu)分析模型如圖6所示。

圖5 重力基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)分析模型

圖6 重力基礎(chǔ)吊點結(jié)構(gòu)分析模型

2.4 上拔力分析

該重力基盤服役超過30 a，須充分評估土壤與裙板的相互作用。重力基盤的側(cè)摩阻力計算參見文獻[3]。重力基盤底部與泥面接觸情況通過遙控無人潛水器(Remote-Operated Vehicle，ROV)目視檢查。ROV目視檢查發(fā)現(xiàn)，重力基盤的裙板結(jié)構(gòu)并未完全入泥，其底部與泥面保持一定距離(約300 mm)，如圖7所示。基于此可忽略重力基礎(chǔ)與土壤之間的吸附力作用。

圖7 ROV目視檢查裙板入泥情況

3 分析結(jié)果

3.1 靜態(tài)起吊利用系數(shù)

重力基礎(chǔ)干重為38.05 t(已考慮10%的不確定系數(shù))，吊裝纜索干重為2.00 t，出于保守不考慮重力基礎(chǔ)與纜繩受到的浮力。整體結(jié)構(gòu)最大靜態(tài)計算起吊重量為40.05 t，工作船起重機最大靜態(tài)起吊能力為100.00 t，執(zhí)行本項工作的起重機能力利用系數(shù)為40%，裕量充足。

3.2 動態(tài)起吊分析

重力基盤動態(tài)吊裝分析主要結(jié)果如表4所示。在動態(tài)起吊作業(yè)中，當重力基盤穿越飛濺區(qū)時，動態(tài)載荷呈現(xiàn)增大的趨勢，待重力基盤完全穿越飛濺區(qū)后，載荷逐漸下降。

表4 重力基盤動態(tài)吊裝分析

續(xù)表4 重力基盤動態(tài)吊裝分析

重力基盤最大動態(tài)吊裝載荷為62.7 t，發(fā)生在重力基盤位于靜水面位置時，起重機利用系數(shù)為48%，對應(yīng)動力放大系數(shù)為1.60。

工作船起重機具有足夠的裕量完成重力基盤的起吊作業(yè)。

3.3 上拔力估算

重力基盤的上拔力由側(cè)摩阻力和吸附力組成，水下調(diào)查顯示基盤裙板結(jié)構(gòu)并未完全入泥，在上拔力分析中可以忽略吸附力的作用。側(cè)摩阻力計算式為

Rs=2αSu,aLaHs

(1)

式中：α為黏著系數(shù)；Su,a為平均土壤不排水剪切強度；La為裙板高度；Hs為裙板入泥深度。

限于篇幅，不給出具體計算過程。上拔力估算結(jié)果如表5所示。

表5 重力基盤上拔力估算 kN

目標海域海底土質(zhì)較硬，在忽略吸附力的情況下考慮裙板雙側(cè)土壤作用，則最大上拔力達1 641 kN(約167.0 t)，超出起重機最大吊裝能力(靜態(tài)100.0 t，動態(tài)130.0 t)。若考慮單側(cè)土壤作用，則最大上拔力達820 kN(約83.5 t)，此時工作船的起重機能力滿足要求。

建議采取水下作業(yè)，對裙板外側(cè)土壤進行松動處理，以滿足作業(yè)要求。

3.4 重力基盤整體強度分析

根據(jù)動態(tài)吊裝分析結(jié)果，重力基盤的吊裝力動力放大系數(shù)、運動響應(yīng)結(jié)果及上拔力估算結(jié)果將用于重力基盤整體強度分析，包括2個工況：(1)重力基盤受到土壤作用，在分析模型中對土壤特性進行模擬，對重力基盤頂部吊點施加170 t的上拔力；(2)重力基盤處于拔出起吊狀態(tài)，此時考慮重力基礎(chǔ)的干重，對重力基盤頂部吊點施加76 t的拉力(出于保守考慮，動力放大系數(shù)取2.00)并考慮重力基盤的運動響應(yīng)。

分析結(jié)果如圖8和圖9所示，2個工況下的重力基盤整體強度均滿足要求。

圖8 SACS軟件計算的重力基盤整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果(工況1)

圖9 SACS軟件計算的重力基盤整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果(工況2)

3.5 重力基盤吊點有限元強度校核

重力基盤頂部吊點為吊耳與插銷的組合形式。分析工況包括：(1)對2個吊耳各施加85 t的豎向載荷，其中5%為面外力；(2)對吊點整體施加170 t的豎向載荷。

工況1計算結(jié)果顯示吊耳最大應(yīng)力為171 MPa，小于許用應(yīng)力(245 MPa)，如圖10所示。

圖10 吊點校核(工況1)

工況2計算結(jié)果顯示當載荷為150 t((大于工作船實際能夠提供的最大動態(tài)吊力(130 t))時，最大應(yīng)力約320 MPa，重力基盤的上部吊點總體是安全的，如圖11所示。

圖11 吊點校核(工況2)

4 結(jié) 語

對位于泰國灣的某FPSO中水浮筒重力基盤拆除進行工程分析，內(nèi)容包括：起重機能力校核、基盤強度校核及基盤與土壤的相互作用等，結(jié)論如下：

(1) 吊裝重力基盤的靜態(tài)利用率為40%，最大動態(tài)起重機利用率為48%，在吊裝過程中起重機能力充足，重力基盤動力放大系數(shù)為1.60。

(2) 考慮土壤與重力基盤裙板的相互作用，當忽略吸附力時，重力基盤裙板與土壤的最大雙側(cè)上拔力為167.0 t、最大單側(cè)上拔力為83.5 t.。

(3) 結(jié)構(gòu)分析顯示吊點能承受150 t上拔力。

考慮到工作船起重機最大吊力為130 t，為保證工程安全，需對重力基盤外側(cè)與土壤固結(jié)區(qū)域進行預(yù)處理以降低重力基盤上拔力。

在實際工程操作中還需充分考慮當?shù)胤ㄒ?guī)要求、預(yù)處理方法的可行性和工作船拔出重力基盤的詳細操作流程，以保證工程作業(yè)順利安全地進行。相關(guān)分析流程和方法對于未來類似工程項目具有一定的參考和借鑒意義。