韓敬艷,劉建峰,李曉明,趙強,周健

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

隨著現(xiàn)役海上平臺等結(jié)構(gòu)物陸續(xù)到了服役年限,海上結(jié)構(gòu)物拆除的需求越來越多,已逐步產(chǎn)業(yè)化。從2011—2022年海洋石油工程股份有限公司完成了多海域的多個海洋結(jié)構(gòu)物拆除。包括渤海的曹妃甸1-6導(dǎo)管架、錦州21-1WHPA平臺、渤中25-1油田明珠號單點、埕北油田儲罐和導(dǎo)管架帽拆除,南海的潿洲11-4C平臺整裝拆除,泰國灣的泰國雪佛龍平臺拆除、泰國CEC 2個平臺拆除等工程項目[1-2]。上述拆除項目不僅水深、海域不同而且拆除物的型式特點也各不相同。項目中既有常規(guī)的四腿平臺,又有特異型結(jié)構(gòu)如兩腿三樁的非對稱平臺、易“脫樁”的直腿平臺(無皇冠板連接、無灌漿樁腿容易脫落)、易燃易爆的大型儲罐等。拆除項目中特異型結(jié)構(gòu)的海上運輸風險高,且沒有相關(guān)的工程經(jīng)驗可以借鑒。為此,對拆除的特異型結(jié)構(gòu)的海上運輸方法進行分析和設(shè)計,這些方法已在工程中進行了成功的應(yīng)用,為今后的海上拆除項目提供參考。

1 運輸固定設(shè)計流程

海上油氣平臺棄置拆除項目設(shè)計是一個系統(tǒng)的設(shè)計,從吊裝設(shè)計、運輸固定設(shè)計到錨泊穩(wěn)性設(shè)計、卸船設(shè)計等環(huán)環(huán)相扣,相互影響,相互制約[3]。裝船固定設(shè)計在整個設(shè)計系統(tǒng)中起著承上啟下的關(guān)鍵作用。

運輸裝船固定的方式和駁船上的擺放位置直接影響運輸分析和穩(wěn)性分析,其中運輸計算和穩(wěn)性計算的結(jié)果將作為運輸固定計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。運輸固定設(shè)計不能局限于固定設(shè)計一個環(huán)節(jié),需與其他環(huán)節(jié)共同設(shè)計,相互制約。如拆除后的異型結(jié)構(gòu)物的運輸固定設(shè)計方案,與拆除后結(jié)構(gòu)物的裝船方式(如吊裝、浮托等)、裝/卸船順序、卸船方案(吊裝、SPMT小車、拖拉卸船等)密切相關(guān),見圖1。

圖1 運輸固定設(shè)計流程

2 拆除項目運輸固定的特點

安裝項目都是新結(jié)構(gòu)物,其結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)強度、重量重心都是確定的,且運輸裝船固定工作是在陸地進行。而待拆除結(jié)構(gòu)物具備如下特點。

1)待拆除結(jié)構(gòu)物自身可能會出現(xiàn)裂紋、凹坑、腐蝕等缺陷。

2)經(jīng)過多年的服役尤其是導(dǎo)管架上已附著大量的海生物、泥、水,不利于現(xiàn)場施工。

3)運輸裝船固定在海上完成具有施工條件受限,作業(yè)窗口期短的特點。

4)新結(jié)構(gòu)物運輸時是不含樁的,拆除時樁從在泥面下4 m進行切除,運輸時導(dǎo)管架腿中含有樁,尤其是直腿導(dǎo)管架如果直立運輸,避免脫樁問題是個難題。

5)關(guān)于穩(wěn)性差的結(jié)構(gòu)物運輸,安裝時在陸地可以通過加斜撐來解決,但拆除時施工在海上,安裝斜撐的施工難度非常高,原則上需要避免。

6)運輸固定時需要兼顧卸船方案,好的運輸固定方案可以讓卸船方案有多種選擇,如吊裝、滾裝、SPMT小車等。

3 拆除項目運輸固定設(shè)計的方法

海上油氣平臺拆除是一門新的工程技術(shù),其內(nèi)容復(fù)雜而多元化,其涵蓋的學(xué)科涉及到環(huán)境科學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)等多學(xué)科。其設(shè)計不能簡單的看成安裝的逆過程,需要根據(jù)拆除項目的特點制定專用的設(shè)計方法。

3.1 國際認可的筋板計算法

運輸固定最常用的方法是通過筋板進行連接,如墊墩和駁船連接、墊墩和抬梁連接、抬梁和樁腿連接等,見圖2。因此,筋板的計算法是整個運輸固定中最重要的計算方法。

圖2 筋板常見連接形式

國內(nèi)常規(guī)做法是分別計算單板的壓應(yīng)力、水平剪應(yīng)力、垂直剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力。這種常規(guī)做法被國際第三方認為不夠安全。根據(jù)第三方要求,只有上下對線(即連接板的下方必須有對應(yīng)位置的支撐板)的支撐才為有效支撐,其余為無效支撐國外安裝項目筋板通用形式是在筋板尾部進行T型加強。計算時認為連接的筋板4個方向中,只有一半數(shù)量的筋板起到支撐作用,每塊筋板只需計算自身的彎曲應(yīng)力和水平剪切應(yīng)力及整體的彎曲應(yīng)力。這種計算方式和筋板形式使得計算結(jié)果過于保守、復(fù)雜。根據(jù)拆除項目的特點,開發(fā)了整體計算法,即利用整體截面慣性矩進行計算。考慮到筋板進行T型加強是為了避免筋板在運輸中發(fā)生屈曲。故利用有限元軟件輔助進行筋板的屈曲校核,證明筋板板厚不變的情況下,不進行T型加強依然安全。此方法被國際第三方認可,避免了在筋板尾部進行T型加強。具體詳見表1筋板計算法比對。

表1 筋板計算法比對

新算法和傳統(tǒng)算法相比,增加了有限元的屈曲計算,計算結(jié)果更加精準,避免斜撐的使用,同類型的筋板都減少了T型加強。僅泰國拆除項目一個平臺的組塊就節(jié)省了174塊筋板的T型加強,該項目共計4個平臺組塊,有效節(jié)約鋼材量10 t、節(jié)省海外海上焊接工作量節(jié)省船天2 d,累計節(jié)約成本約50萬元。

3.2 駁船局部強度計算法

駁船局部強度傳統(tǒng)做法通過有限元軟件將墊墩和駁船進行建模計算,國內(nèi)CCS入級船舶校核標準為《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》,而在國際上租用的船舶,則需要遵守國際計算規(guī)則,校核標準參考船舶入級船級社規(guī)范和國際第三方的要求。

泰國雪佛龍拆除項目中,租用的是泰國當?shù)氐鸟g船。國外第三方要求駁船校核使用的標準是DNVGL-ST-N001。在駁船強度校核的時候則需要將駁船、墊墩和筋板都進行建模,完全模擬駁船運輸結(jié)構(gòu)物的過程。計算在升沉、橫搖、縱搖各種工況綜合影響的條件下,駁船的受力情況。該方式的計算工況遠多于常規(guī)項目。同時國外第三方對于駁船計算的邊界條件和加載也與常規(guī)方法不同：常規(guī)計算時駁船底部全固定,國外項目要求駁船兩端剛性固定,底面加載水壓。通過比對,不同邊界條件對計算結(jié)果的影響并不大,但兩端固定加水壓的方式更嚴謹更精確。詳見表2。

表2 駁船局部強度算法比對

3.3 動態(tài)設(shè)計法

海上結(jié)構(gòu)物安裝時是可以在碼頭進行墊墩等布置,待新結(jié)構(gòu)物就位后進行一次性調(diào)載后可直接安全運輸至目標海域。但拆除項目的運輸固定工作在海上,當拆除物為異型結(jié)構(gòu)物或多件結(jié)構(gòu)物陸續(xù)拆除時,駁船上的布局設(shè)計必須為動態(tài)的(不能一次布置到位)。

曹妃甸單點舊設(shè)施拆除項目中需要先后拆除YOKE和基盤2個結(jié)構(gòu)物。拆除YOKE時由于其內(nèi)部水泥壓載的原因,重量分布不均對駁船局部承載力要求很高,根據(jù)方案在駁船上吊機不能摘鉤,輔助YOKE分解切割,切割后需要將YOKE臂重新在駁船上二次布局,從而緩解駁船局部承載力。原整體結(jié)構(gòu)布置的墊墩要用于拆除后的基盤運輸,現(xiàn)場采用動態(tài)設(shè)計,利用隨后拆除的基盤排泥的時間差,有效分解YOKE。實現(xiàn)了一條駁船一次運輸,解決了空間受限和駁船壓力問題。

4 拆除特異型結(jié)構(gòu)運輸固定方法

4.1 易脫樁導(dǎo)管架運輸固定法

安裝導(dǎo)管架進行運輸時不含樁,而拆除導(dǎo)管架根據(jù)法規(guī)要求樁從泥面以下4 m進行切割。拆除后的導(dǎo)管架運輸時則需要考慮樁的受力。國內(nèi)常規(guī)導(dǎo)管架是雙向傾斜的,無需考慮脫樁的風險。國際上直腿導(dǎo)管架很常見,不論吊裝還是運輸都需要進行特殊設(shè)計。

如泰國CEC項目中拆除的導(dǎo)管架為直腿樁,且鋼樁和導(dǎo)管架腿之間沒有皇冠板等連接,內(nèi)部灌漿已破損,在運輸中有脫樁風險,為此提出以下3種方案。

方案一。墊墩支撐鋼樁,鋼樁底部焊筋板。若采用上述固定方式,由于受力方向變化,吊裝時安裝的防滑脫裝置不再起作用。就需要額外焊接筋板,把鋼樁和導(dǎo)管架腿連在一起,海上焊接工作量大,需長時間占用浮吊資源,為方便卸船需要額外增加抬梁。見圖3。

圖3 方案一示意

方案二。把導(dǎo)管架腿直接落在墊墩上僅對導(dǎo)管架腿焊接筋板,需要對鋼樁進行二次切割。由于其導(dǎo)管架腿底部的特殊形式,需要進入導(dǎo)管架腿底部特殊結(jié)構(gòu)里面切割鋼樁,難度太大。見圖4。

圖4 方案二示意

方案三。若是在特殊結(jié)構(gòu)上面切,就需要先切導(dǎo)管架腿,剝掉水泥,切鋼樁,工序復(fù)雜,費時費力,切割水平度要求也比較高。見圖5。

圖5 方案三示意

上述3種技術(shù)方案存在以下不足：①海上焊接工作量大,需長時間占用浮吊資源;②支撐位置只能為樁腿,局限性大;③在運輸過程中,易脫樁導(dǎo)管架存在脫樁風險,一旦脫樁后果不堪設(shè)想;④卸船方案只能使用吊裝方式,局限性很大,成本比較高。

對CEC項目從另一個角度設(shè)計適用于易脫樁導(dǎo)管架的運輸固定形式,見圖6,摒棄傳統(tǒng)支撐樁腿的方式,改為支撐水平撐。首先做支撐板撐水平撐解決豎向受力問題,加內(nèi)弧板焊接在水平撐上,外弧板連接水平撐和支撐板,解決運輸中橫搖和縱搖力的問題,避免了使用斜撐。導(dǎo)管架放在新型墊墩上面后可實現(xiàn)快速摘鉤,固定弧板可以摘鉤后焊接。海上工作量僅為焊接弧板,施工量少,整體高度低運輸安全。同時新裝置可滿足“小車”(SPMT)、吊裝等多種卸船方式,節(jié)省了海外抬梁的租賃費用。

圖6 易脫樁導(dǎo)管架裝船固定結(jié)構(gòu)[4]

4.2 含易燃易爆殘留物的異型結(jié)構(gòu)運輸固定法

海上油氣平臺的拆除有安裝中不存在的風險、難度和環(huán)保要求,比原設(shè)計、建造、安裝時更具有挑戰(zhàn)性,是涉及許多技術(shù)領(lǐng)域的綜合性系統(tǒng)工程。一些老舊平臺在長期運營過程中可能出現(xiàn)銹蝕、損壞,就好像面臨拆遷的危房,不確定性導(dǎo)致風險很高。

2016年埕北儲罐拆除項目啟動之前,其中一個儲罐就曾發(fā)生爆燃。該項目儲罐內(nèi)有易燃易爆殘留物不能焊接動火,儲罐外部已腐蝕,且與底甲板無連接固定。常規(guī)的筋板焊接法風險極高。第一方案是采用斜支撐的方式,但斜撐占用空大,同時拆除的3個儲罐和導(dǎo)管架帽已經(jīng)占滿了駁船的空間,如果使用斜撐一船運輸將變?yōu)閮纱黾舆\輸成本,只能放棄斜支撐和筋板焊接法。第二方案是采用非焊接的壓板法,則需要嚴密的計算作為數(shù)據(jù)支持。分別使用SACS軟件和ANSYS軟件進行了雙重數(shù)值模擬,還與手算進行了相互印證,在第三方的認可下采用了無需與罐壁焊接的壓板,也解決了罐壁不能動火的問題。

4.3 穩(wěn)定性差的組塊運輸固定法

目前的海洋平臺基本上都是對稱設(shè)計的如4腿、8腿等導(dǎo)管架組塊,對稱型的組塊在運輸布置上平穩(wěn)性更高,船舶受力比較均勻。但在海洋平臺發(fā)展初期,受條件所限會設(shè)計出非常規(guī)的形式如兩腿三樁的海洋平臺。

2018年拆除的南海首例潿洲11-4C平臺為2腿組塊,如果采用常規(guī)的(在2腿主立柱下方墊上墊墩并焊接筋板和斜撐)運輸固定設(shè)計方案,則其在運輸固定過程中,由于重心過高、單側(cè)受力過大等,極易發(fā)生傾覆的風險。單純的使用墊墩+筋板的方式已無法滿足要求。如果配合斜撐的使用,該斜撐焊接需要在海上進行,施工難度高、時間久。

拆除項目中創(chuàng)新性地采用陣列式雙排[5]運輸固定結(jié)構(gòu)(6根立柱+24根小斜撐)。這種布置方式無需等到海上施工,可提前在陸地進行布置減少海上施工時間1個船天,也降低施工難度。新形式降低了整體重心高度約1.5 m,降低傾覆風險。而且該結(jié)構(gòu)可連同組塊一起被吊裝上岸,從而節(jié)省了組塊在碼頭上的固定,并降低了組塊在碼頭發(fā)生傾覆的風險。該結(jié)構(gòu)已申請實用新型專利《一種帶有固定結(jié)構(gòu)的兩腿組塊》[6]。

4.4 異型設(shè)備在非鋼質(zhì)甲板上的運輸固定法

運輸船舶的常見甲板形式分為鋼質(zhì)甲板和木質(zhì)甲板,不同材質(zhì)的甲板,運輸設(shè)計的思路截然不同。鋼質(zhì)甲板只要避開油艙上方、人孔等,其余區(qū)域均可焊接固定。鋼質(zhì)甲板的運輸駁船甲板承載力普遍比較強,大型結(jié)構(gòu)物固定時需要考慮將其布置在主倉壁、主梁上方,同時布置的筋板下方需要梁進行對應(yīng),即上文提到的有效支撐(圖3)。在滿足設(shè)計強度的前提下,筋板的設(shè)計尺寸偏大,個數(shù)相對較少。木質(zhì)甲板大面積區(qū)域不滿足焊接條件且甲板承載力弱。故木質(zhì)甲板常用于運輸集中承載力小的設(shè)備。運輸設(shè)計更關(guān)注可焊接的位置、允許擺放的空間。通過制作底座或增加枕木等方式加大接觸面積增加摩擦力、均布承載力。

如鍋爐改造項目鍋爐本體配備的是3個鞍座,本體重量是60 t,運輸船舶是濱海268木甲板。每隔2.4 m木質(zhì)甲板之間會有用于安裝木甲板的T型梁,且左舷側(cè)有H型鋼。設(shè)備固定時可以利用該T型梁,筋板尺寸需要配合T型梁尺寸相對小,以免焊接后應(yīng)力集中破壞T型梁。如果直接將鞍座放置于木甲板上,一是鞍座尺寸不能滿足固定條件,二是鍋爐的集中荷載遠大于甲板承載力。經(jīng)過現(xiàn)場實地測繪,設(shè)計了一款專用底座,滿足吊裝和運輸?shù)男枨?。底座型鋼分?nèi)外兩層,內(nèi)層型鋼用于固定鍋爐鞍座,外層型鋼用于固定底座和船甲板。

5 結(jié)論

1)目前海上結(jié)構(gòu)物的拆除尚沒有專用的推薦作法、設(shè)計指南可以指導(dǎo)設(shè)計,10多年來拆除項目運用的算法和技術(shù)都是以安裝技術(shù)為基礎(chǔ),須結(jié)合待拆除結(jié)構(gòu)物的實際情況,進行技術(shù)應(yīng)用擴展和創(chuàng)新。

2)文中總結(jié)的運輸固定的3種設(shè)計法：筋板計算法、駁船局部強度設(shè)計法、動態(tài)設(shè)計法,是從10余個國內(nèi)和國際項目中總結(jié),得到過CCS、LOC、DNV等國內(nèi)外第三方的認可,是特異型海上結(jié)構(gòu)物拆除運輸固定設(shè)計的基礎(chǔ)。實際項目中應(yīng)該根據(jù)待拆除結(jié)構(gòu)物的特點,合理選擇設(shè)計法。

3)特異型海上結(jié)構(gòu)物主要是指區(qū)別于常規(guī)的導(dǎo)管架和平臺組塊。重點介紹的4種結(jié)構(gòu),只是提供一種設(shè)計思路,可對其進行擴展應(yīng)用。如：易脫樁的固定結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于柱形結(jié)構(gòu)的運輸,如FPSO拆除中YOKE的運輸固定;易燃易爆儲罐的固定方式,可應(yīng)用于不能進行焊接加固的設(shè)備運輸;穩(wěn)性差的結(jié)構(gòu)的固定方式,必要時可以替代斜撐的使用。

4)隨著平臺服役年限的增加,越來越多的海上結(jié)構(gòu)物亟需拆除。目前已拆除的結(jié)構(gòu)物所處水深比較淺,且拆除方法均為吊裝,尚未涉及到固定、翻身的問題。今后將會拆除深水導(dǎo)管架和浮托法安裝的組塊,此時的運輸固定方法將面臨新的難題。采用動態(tài)設(shè)計法是需要遵守的原則,不同工況的固定方法需要及時調(diào)整。