馮士倫，朱曉宇，李 焱，唐友剛

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350; 3.中國(guó)船級(jí)社青島分社，山東 青島 300457)

近年來(lái)，導(dǎo)管架平臺(tái)的棄置拆除技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Sanders等[1]對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的傾覆拆除技術(shù)進(jìn)行了研究，這種方式不需要運(yùn)輸船，只需要大型浮吊和駁船配合提吊拆除上部組塊，縮短了作業(yè)周期和降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)大型浮吊檔期緊張以及日租費(fèi)高昂的現(xiàn)狀，Andresen[2]提出了TML雙船配合壓載頂升系統(tǒng)，分析該方法的技術(shù)可行性以及經(jīng)濟(jì)性，為海上拆除作業(yè)增加了一種新式思路。國(guó)外已經(jīng)建造了使用浮托法進(jìn)行海洋平臺(tái)上部組塊整體拆除的施工裝備，ALLSEAS公司建造的Pioneering Spirit號(hào)雙體船已經(jīng)用于海洋平臺(tái)的拆除業(yè)務(wù)，這是目前國(guó)際上最成熟的大型海洋平臺(tái)浮托拆除施工裝備，可以在復(fù)雜海域進(jìn)行浮托拆除施工作業(yè)[3]。國(guó)內(nèi)研究人員也對(duì)浮吊拆除法、浮托拆除法等進(jìn)行了多方面研究，取得了一定的進(jìn)展，可以為我國(guó)目前的導(dǎo)管架平臺(tái)拆除提供技術(shù)指導(dǎo)。

現(xiàn)有的導(dǎo)管架拆除技術(shù)，主要有大型浮吊提吊拆除法[4]、氣囊浮筒助浮配合小型浮吊提吊的方法[5]，以及背拉拆除法[6]。這些方法的主要缺點(diǎn)[7]有：浮吊日租費(fèi)高昂、浮筒助浮+浮吊配合施工作業(yè)過(guò)程復(fù)雜；背拉法海上施工難度高，需要兩側(cè)背拉系統(tǒng)同步配合等。大型拆除導(dǎo)管架裝備，如Pioneering Spirit號(hào)雙體船，施工能力強(qiáng)大，但是造價(jià)極高且吃水大，對(duì)于淺水海域棄置的導(dǎo)管架平臺(tái)，無(wú)法進(jìn)入實(shí)施拆除。

即將棄置拆除的QK18-2導(dǎo)管架平臺(tái)，平臺(tái)海域水深7.8 m，大型浮吊難以進(jìn)入作業(yè)。為此提出采用柔性氣囊助浮拆除導(dǎo)管架技術(shù)，施工過(guò)程中，將氣囊綁扎在導(dǎo)管架上，切割斷樁腿后，利用氣囊充氣膨脹提供的浮力起升導(dǎo)管架。文中通過(guò)氣囊和導(dǎo)管架系統(tǒng)的受力分析，確定了所需氣囊的數(shù)量和綁扎位置，計(jì)算分析了導(dǎo)管架樁腿切斷后風(fēng)浪流引起的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)系泊系統(tǒng)控制導(dǎo)管架的水平漂移，通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算分析，驗(yàn)證了系泊系統(tǒng)控制導(dǎo)管架運(yùn)動(dòng)的可行性。

1 氣囊助浮法施工步驟和氣囊布置

1.1 柔性氣囊與施工步驟

文中研究采用的柔性氣囊與剛性氣囊比較，其體積是可控的，可以根據(jù)浮力的需要對(duì)氣囊充氣，使其體積膨脹滿足導(dǎo)管架漂浮狀態(tài)的要求。與導(dǎo)管架連接前，先將氣囊布置在剛性的框架內(nèi)，可以起到保護(hù)氣囊作用，如圖1所示，然后剛性支架與導(dǎo)管架樁腿綁扎連接，如圖2所示。

圖1 氣囊助浮單元[5]

圖2 連接氣囊助浮單元后的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)示意

采用柔性氣囊助浮導(dǎo)管架，一般的施工步驟如下：

1)對(duì)目標(biāo)導(dǎo)管架進(jìn)行基本狀況調(diào)查，包括導(dǎo)管架所在海域水深、導(dǎo)管架海底埋深、結(jié)構(gòu)尺寸、海域環(huán)境條件等。

2)根據(jù)氣囊需要提供的浮力和設(shè)計(jì)綁扎位置，預(yù)制對(duì)應(yīng)尺寸的氣囊以及必要的剛性輔助框架，進(jìn)行必要的氣囊強(qiáng)度、保壓性能等測(cè)試，將氣囊固定在剛性框架內(nèi)。

3)將氣囊助浮單元與導(dǎo)管架的適當(dāng)位置連接，需要檢查綁扎件的強(qiáng)度可靠。

4)配備好由遠(yuǎn)程控制盒與空壓機(jī)設(shè)備、就地控制盒、充排氣軟管和氣囊助浮單元構(gòu)成的氣囊充放氣系統(tǒng)的4個(gè)主要部分，如圖3所示。

圖3 氣囊充放氣系統(tǒng)[5]

5)施工現(xiàn)場(chǎng)完成水下外排后，將沒(méi)有充氣的氣囊助浮單元由潛水員連接到導(dǎo)管架指定位置處，逐個(gè)連接可靠，檢驗(yàn)合格，并將充排氣軟管與支持船上的遠(yuǎn)程控制盒和空氣壓縮機(jī)相連接。

6)啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，向柔性氣囊充氣，驗(yàn)證氣囊的可靠性，驗(yàn)證成功后排氣使氣囊處于原始狀態(tài)。

7)在泥面以下4 m處切割導(dǎo)管架樁腿，此時(shí)導(dǎo)管架自身重力遠(yuǎn)大于自浮力，因此導(dǎo)管架是安全的，不會(huì)傾倒。

8)導(dǎo)管架樁腿切割完成后，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，同步向?qū)Ч芗茏髠?cè)右側(cè)艏部尾部布置的氣囊助浮單元充氣，仔細(xì)觀察導(dǎo)管架的浮態(tài)，當(dāng)導(dǎo)管架自浮力與氣囊浮力之和大于導(dǎo)管架自身重力時(shí)，導(dǎo)管架開(kāi)始上浮，而后同步緩慢充氣，使導(dǎo)管架緩慢上浮，上浮過(guò)程中微調(diào)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的浮態(tài)使之始終保持平衡。

9)當(dāng)柔性氣囊膨脹到最大體積時(shí)，壓縮機(jī)停止供氣，氣囊浮力達(dá)到最大，此時(shí)，導(dǎo)管架在氣囊助浮單元的幫助下處于漂浮狀態(tài)，成為海洋浮式結(jié)構(gòu)物，在海面上保持穩(wěn)定。

1.2 氣囊助浮法設(shè)計(jì)

1.2.1 目標(biāo)導(dǎo)管架的基本參數(shù)

為了保證導(dǎo)管架順利助浮成功，必須精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和布置氣囊助浮單元。文中擬拆除的導(dǎo)管架平臺(tái)為QK18-2，該平臺(tái)為6腿6樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，樁腿之間為灌漿連接。海生物附著情況需要進(jìn)行水下調(diào)查后準(zhǔn)確確定，一般可按海生附著物5 cm厚考慮，海生物質(zhì)量約為102.5 t；灌漿及附加載荷(如防腐蝕結(jié)構(gòu)、氣囊助浮單元的剛性框架、氣囊、樁腿內(nèi)部攜帶的泥沙等)質(zhì)量估計(jì)為108.3 t；計(jì)算過(guò)程中考慮質(zhì)量不確定性系數(shù)為1.08，整個(gè)導(dǎo)管架拆除物質(zhì)量估算為782.8 t。該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 目標(biāo)導(dǎo)管架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 目標(biāo)導(dǎo)管架的各部分質(zhì)量

1.2.2 氣囊的選擇和布置

導(dǎo)管架自身的質(zhì)量為782.8 t，考慮海域水深7.8 m，選擇導(dǎo)管架漂浮以后的吃水為5.5 m，導(dǎo)管架樁底距離泥面2.3 m，依據(jù)該條件，確定氣囊助浮單元的配置方案。氣囊助浮單元的配置原則是：一要保證導(dǎo)管架浮起并達(dá)到預(yù)定的吃水要求；二是保證浮起后的漂浮狀態(tài)具有足夠的穩(wěn)性；三是在風(fēng)浪流作用下運(yùn)動(dòng)不能過(guò)大，尤其在淺水區(qū)不能觸底。

為保證不觸底，確定導(dǎo)管架吃水5.5 m，此時(shí)導(dǎo)管架底部距離海底2.3 m。導(dǎo)管架自身的浮力為1 187.01 kN，導(dǎo)管架水中濕重為6 494.22 kN，為保證導(dǎo)管架浮起，需要?dú)饽抑辽偬峁└×? 494.22 kN。因?yàn)楦◇w的穩(wěn)性與結(jié)構(gòu)在水面寬度成正比，為了提高導(dǎo)管架系統(tǒng)穩(wěn)性，采用氣囊綁扎在水面的方式加寬導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)水平尺度?？紤]到柔性氣囊的截面為圓形，半徑位置在水線面附近可以提供最大穩(wěn)性指標(biāo)，因此文中將氣囊助浮單元連接到導(dǎo)管架時(shí)，盡量保證導(dǎo)管架浮起后氣囊半徑接近水線面。文中選擇的氣囊主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 氣囊的主要參數(shù)

導(dǎo)管架浮起前，氣囊助浮單元與導(dǎo)管架的連接位置如下：左右兩側(cè)綁扎位置為-9.1～-5.1 m范圍，前后兩側(cè)綁扎位置為-8.9～-4.9 m范圍，氣囊分為6組與導(dǎo)管架連接，連接位置見(jiàn)圖2和圖4。

圖4 氣囊配置示意

柔性氣囊24個(gè)，全部浸沒(méi)在水中提供的總浮力為10 987.20 kN，基于實(shí)際布置情況，吃水5.5 m時(shí)，左右兩側(cè)布置在頂部的氣囊0.8 m 部分浸沒(méi)在水中，頂部氣囊共12個(gè)，12個(gè)氣囊可以提供的浮力為5 493.60 kN，考慮上部氣囊1.2 m露出水面，這12個(gè)氣囊損失的浮力為4 492.98 kN；水下12個(gè)氣囊浸沒(méi)在水中提供的浮力為5 493.60 kN。在靜水中氣囊助浮單元提供的實(shí)際總浮力為6 494.22 kN，加上吃水5.5 m時(shí)導(dǎo)管架自身的浮力1 187.01 kN，則總浮力為7 681.23 kN。靜水中氣囊的浮力儲(chǔ)備為58%，考慮到導(dǎo)管架浮起后濕拖運(yùn)輸，保證50%以上的儲(chǔ)備浮力是必要的。文中配置的氣囊助浮單元能夠提供的浮力可以充分滿足導(dǎo)管架拖航的安全要求。

2 氣囊助浮單元與導(dǎo)管架系統(tǒng)的穩(wěn)性分析

導(dǎo)管架浮起后必須具有足夠的穩(wěn)性，以防止風(fēng)浪作用下傾倒，需要分析導(dǎo)管架的完整穩(wěn)性?；谥袊?guó)船級(jí)社《海上拖航指南》[8]，計(jì)算分析導(dǎo)管架和氣囊整體系統(tǒng)的完整穩(wěn)性。表4為導(dǎo)管架在36.01 m/s風(fēng)速，12個(gè)不同風(fēng)向下[9]對(duì)應(yīng)的完整穩(wěn)性校核統(tǒng)計(jì)，圖5為風(fēng)壓傾側(cè)力臂和回復(fù)力臂曲線。12個(gè)風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的最小初穩(wěn)性高度GM為31.24 m，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的0.30 m；穩(wěn)性消失角為57°左右，大于規(guī)范要求的35°；12個(gè)風(fēng)向角計(jì)算所得的面積比最小為5.48，大于1.40，因此完全滿足海上拖航的穩(wěn)性規(guī)范要求。因此，穩(wěn)性校核的各項(xiàng)指標(biāo)表明，氣囊助浮法設(shè)計(jì)方案滿足導(dǎo)管架漂浮狀態(tài)和海上拖航穩(wěn)性要求。

表4 完整穩(wěn)性校核結(jié)果

圖5 風(fēng)壓傾側(cè)力臂和回復(fù)力臂曲線

3 氣囊與導(dǎo)管架系統(tǒng)風(fēng)浪流中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

導(dǎo)管架和氣囊助浮單元組成的系統(tǒng)，在實(shí)際海洋環(huán)境下遭受風(fēng)浪流的作用，會(huì)發(fā)生升沉和搖擺運(yùn)動(dòng)，更大的危險(xiǎn)是在海流作用下，會(huì)發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，因此需要使用系泊纜對(duì)整個(gè)導(dǎo)管架系統(tǒng)進(jìn)行限位控制。為此必須針對(duì)具有系泊纜的氣囊助浮導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行水動(dòng)力性能分析，計(jì)算氣囊助浮導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)整體的頻域響應(yīng)及時(shí)域響應(yīng)特性，以確定合理的系纜方式及海上安全作業(yè)的氣象窗口。

3.1 系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)計(jì)算RAOs

針對(duì)渤海灣水深7.8 m的海域，以24只柔性氣囊組合形成6個(gè)氣囊助浮單元，選用譜峰大小和波譜形狀都與渤海淺水海況接近的Jonswap譜，譜峰因子取1.8，采用MOSES軟件，計(jì)算導(dǎo)管架和氣囊系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性，考慮的2個(gè)海況條件見(jiàn)表5。

表5 施工海況環(huán)境條件

采用MOSES軟件，應(yīng)用莫里森公式和三維勢(shì)流理論，計(jì)算導(dǎo)管架和氣囊助浮單元水動(dòng)力，計(jì)算得到自由漂浮狀態(tài)下的氣囊助浮導(dǎo)管架系統(tǒng)的附加質(zhì)量系數(shù)、輻射阻尼系數(shù)、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAOs曲線等。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，選取浪向角為0°、45°、90°、135°及180°，得到垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)RAOs曲線如圖6和圖7所示。

圖6 垂蕩運(yùn)動(dòng)RAOs曲線

圖7 橫搖運(yùn)動(dòng)RAOs曲線

由圖6和圖7可知，垂蕩RAOs隨周期的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，極大值對(duì)應(yīng)的周期在5 s左右；橫搖RAOs隨周期的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，極大值對(duì)應(yīng)的周期在6 s附近，垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)都是在90°環(huán)境載荷作用下峰值最大。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如果遭遇5～6 s周期的波浪，將會(huì)引起導(dǎo)管架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)共振響應(yīng)。

3.2 氣囊與導(dǎo)管架系統(tǒng)的系泊設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

為了防止導(dǎo)管架漂浮狀態(tài)下發(fā)生水平漂移，需要對(duì)導(dǎo)管架系統(tǒng)進(jìn)行系泊，控制發(fā)生水平漂移運(yùn)動(dòng)。為此，用4根鋼纜將導(dǎo)管架系統(tǒng)與拖輪連接(也可以拋錨錨泊)，拉住導(dǎo)管架系統(tǒng)限制其水平漂移。4根纜的布置方式如圖8，鋼纜水平距離長(zhǎng)150 m，保持纜繩預(yù)張力78.48 kN。在導(dǎo)管架主樁腿-3.5 m高程位置連接鋼纜，將鋼纜另一端系在水面以上1 m的拖輪拖纜機(jī)處，4個(gè)拋纜角分別為45°、135°、225°和315°。鋼纜參數(shù)如表6所示。

表6 鋼纜參數(shù)

基于圖8所示系泊方式，計(jì)算分析漂浮狀態(tài)系泊導(dǎo)管架系統(tǒng)風(fēng)浪流作用下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并計(jì)算各根系泊纜的張力，分析系泊纜的安全。計(jì)算過(guò)程中，選擇導(dǎo)管架樁腿最下部的一個(gè)端點(diǎn)作為運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)，將該處的垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作為判斷結(jié)構(gòu)是否觸底的依據(jù)。浪向角分別取0°、45°、90°、120°、135°、150°及180°，時(shí)域的有效模擬時(shí)長(zhǎng)為11 200 s，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 s[10]，環(huán)境參數(shù)基于海況一和海況二，計(jì)算得到不同浪向下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

圖8 4點(diǎn)系泊系統(tǒng)布置方式

基于歷程運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線，得到不同海況、不同浪向下的運(yùn)動(dòng)幅值，圖9和圖10分別為垂蕩和橫搖響應(yīng)最大幅值曲線。

圖9 垂蕩響應(yīng)最大幅值曲線

圖10 橫搖響應(yīng)最大幅值曲線

由圖9可知，兩個(gè)海況下結(jié)構(gòu)的垂蕩響應(yīng)最大幅值隨浪向角的增大呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)，其中，0°浪向角對(duì)應(yīng)的垂蕩響應(yīng)最大幅值較大；由圖10可知，結(jié)構(gòu)的橫搖響應(yīng)最大幅值隨浪向角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中，90°浪向角對(duì)應(yīng)的峰值較大。兩個(gè)海況下結(jié)構(gòu)物的垂蕩和橫搖響應(yīng)最大幅值曲線基本呈現(xiàn)相同的規(guī)律。

由時(shí)域計(jì)算分析結(jié)果可知：海況一作業(yè)時(shí)，結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向風(fēng)浪流聯(lián)合作用下，橫搖最大幅值為9.05°，垂蕩最大幅值為1.78 m，結(jié)構(gòu)垂蕩最低點(diǎn)為-6.94 m，離海底-7.8 m較遠(yuǎn)，因此不會(huì)發(fā)生觸底事故，滿足海上施工作業(yè)要求；海況二作業(yè)時(shí)，結(jié)構(gòu)在0°方向風(fēng)浪流聯(lián)合作用下，橫搖最大幅值為12.99°，垂蕩最大值為2.35 m，垂蕩最低點(diǎn)為-7.85 m，在海域水深7.8 m時(shí)，存在觸底風(fēng)險(xiǎn)，如果結(jié)構(gòu)觸底，則結(jié)構(gòu)與海底碰撞力可能引起結(jié)構(gòu)損傷，造成施工風(fēng)險(xiǎn)。

基于計(jì)算得到系泊纜時(shí)域張力曲線，確定出不同浪向、不同海況下的最大張力值，見(jiàn)表7和表8。

表7 海況一對(duì)應(yīng)的系泊纜張力最大值

表8 海況二對(duì)應(yīng)的系泊纜張力最大值

表7和表8所示為兩個(gè)海況分別對(duì)應(yīng)的各纜系泊張力最大值，在海況一下，135°浪向角對(duì)應(yīng)的P1纜所受到的張力最大，為444.39 kN，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為2.72，可以滿足海上作業(yè)要求；在海況二下，風(fēng)浪流聯(lián)合作用的角度為45°時(shí)，P1纜受到的張力最大，為598.41 kN，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為2.02，滿足海上作業(yè)要求。因此，按照文中的鋼纜布置方式，在海況一和海況二下鋼纜均可以滿足作業(yè)要求。

4 導(dǎo)管架上岸技術(shù)

導(dǎo)管架拖航到目的地后，拖輪靠岸將纜繩系到碼頭的系船柱，通過(guò)絞纜機(jī)牽引使導(dǎo)管架靠岸。利用碼頭吊機(jī)，將導(dǎo)管架吊放到碼頭上，進(jìn)行切割拆卸。

5 結(jié) 論

文中以渤海QK18-2平臺(tái)導(dǎo)管架拆除為例，制訂氣囊助浮法拆除方案，分析了氣囊助浮法施工過(guò)程導(dǎo)管架的水動(dòng)力特性及安全可行性。主要結(jié)論如下：

1)文中提出的氣囊助浮法，可以使導(dǎo)管架和氣囊系統(tǒng)浮起，并且具有足夠的浮力儲(chǔ)備。

2)導(dǎo)管架和氣囊系統(tǒng)漂浮在水中的浮態(tài)良好，完整穩(wěn)性滿足在位漂浮及海上濕拖運(yùn)輸安全要求。

3)四鋼纜構(gòu)成的系泊系統(tǒng)布置，滿足導(dǎo)管架系統(tǒng)限位的要求，縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)較小，鋼纜的強(qiáng)度也滿足要求。

4)海況一作業(yè)時(shí)，導(dǎo)管架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)包括橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)較小，不會(huì)觸底，施工過(guò)程安全，建議選擇有效波高1.0 m海洋環(huán)境為拆除施工作業(yè)窗口。