劉建峰， 王彥多， 張勝強(qiáng)， 杜 穎

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

從2011年至今的十多年間，中國海洋石油集團(tuán)有限公司先后完成了曹妃甸1-6導(dǎo)管架[1-2]、錦州21-1 WHPA平臺[3]、錦州20-2 SW平臺[3]、曹妃甸油田海洋石油112號浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)舊單點(diǎn)[4-5]、埕北油田儲(chǔ)罐及導(dǎo)管架帽[6]、渤中油田明珠號FPSO舊單點(diǎn)[7]等多座海洋結(jié)構(gòu)物的拆除工作。上述拆除項(xiàng)目集中在渤海海域，其作業(yè)水深均未超過30 m，而對于水深較深、海況條件較差的南海海域，尤其擁有大跨距基盤的南海首個(gè)舊單點(diǎn)拆除工程，沒有相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒。本文依托潿洲10-3單點(diǎn)拆除項(xiàng)目，針對南海海況和舊單點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)開展?jié)?0-3單點(diǎn)拆除吊裝方案設(shè)計(jì)，可為今后類似單點(diǎn)拆除提供參考。

1 工程背景

潿洲10-3單點(diǎn)位于我國南海北部灣海域，水深約37.5 m。該單點(diǎn)是一座單腿樁基式結(jié)構(gòu)，總高度為73.5 m，由下部基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)兩部分組成。該單點(diǎn)于1986年在海上建成，是南海希望號FPSO的單點(diǎn)系泊設(shè)施。其于1996年進(jìn)行過改造，取消了其系泊功能，并于2018年進(jìn)行局部拆除。拆除上部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 潿洲10-3單點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)示例

該單點(diǎn)的下部基礎(chǔ)主要包括套筒、基盤和鋼樁，其中套筒高為40.3 m，最大直徑為5.9 m，最小直徑為2.3 m?？紤]套筒內(nèi)部3根立管等附屬結(jié)構(gòu)后套筒總重約250 t。基盤由3根18.0 m長的箱型基盤臂組成，每根基盤臂的箱型截面寬為2.0 m、高為5.5 m，整個(gè)基盤重約360 t。在每根基盤臂的端部各有2根直徑為1 219 mm的鋼樁，每根鋼樁總長為60.0 m，拆除時(shí)每根鋼樁在泥面以下4.0 m處切割。

受中國海洋石油集團(tuán)有限公司湛江分公司的工作委托，海洋石油工程股份有限公司于2020年對該單點(diǎn)下部基礎(chǔ)進(jìn)行廢棄拆除。

2 拆除方案

考慮套筒、基盤、鋼樁、水泥和附屬構(gòu)件等結(jié)構(gòu)物的重量后，潿洲10-3單點(diǎn)整體在空氣中的凈重約1 082 t?？紤]單點(diǎn)在離底瞬間土壤對鋼樁的抗拔力、土壤對基盤的吸附力及單點(diǎn)整體浮力等，該單點(diǎn)在水中的最大吊重約1 027 t(未考慮動(dòng)力放大因數(shù))，又由于該單點(diǎn)總高度約50 m(含泥面以下4 m 長的鋼樁)，因此，在對該單點(diǎn)進(jìn)行拆除方案設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先研究對其采用分體拆除方案的可行性。

經(jīng)論證分析后發(fā)現(xiàn)，若對潿洲10-3單點(diǎn)采用分體拆除方案，較為經(jīng)濟(jì)的水下切割位置是在套筒根部，將該單點(diǎn)分為套筒和基盤兩部分進(jìn)行分體拆除。由于套筒根部直徑為5.9 m、壁厚為44 mm，以目前掌握的水下切割技術(shù)能力而言，有2種比較可行的切割方法：潛水員手工電-氧切割和高壓水切割[8-11]。然而，上述2種切割方法都存在水下工作量大和施工難度大的技術(shù)問題，且都無法直接將套筒內(nèi)部的3根立管切斷，都需提前在套筒壁上開人孔，讓潛水員進(jìn)入套筒內(nèi)部封閉而狹窄的空間內(nèi)先把3根立管切斷并固定后，才能再開展對套筒的切割工作。

由上述可知，分體拆除方案的整個(gè)施工過程風(fēng)險(xiǎn)較高、施工周期較長，其可行性相對較小，因此項(xiàng)目最終選擇對該單點(diǎn)采用整體拆除方案，對套筒和基盤等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行整體吊裝。

3 吊裝方案選擇

3.1 吊樁器吊裝方案

吊樁器吊裝方案是借鑒海洋工程項(xiàng)目中使用吊樁器吊裝鋼樁的技術(shù)方法[12-13]，通過在套筒頂部使用吊樁器實(shí)現(xiàn)對潿洲10-3單點(diǎn)整體吊裝，如圖2所示。該吊裝方案的技術(shù)優(yōu)勢在于，其海上吊裝單點(diǎn)不需要新增吊耳，可避免對新吊耳進(jìn)行設(shè)計(jì)，并節(jié)省陸地預(yù)制吊耳、海上焊接吊耳的時(shí)間和成本。

圖2 吊樁器吊裝方案示例

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，目前僅有96寸(1寸≈3.34 cm)吊樁器(適用的鋼樁內(nèi)徑范圍為2 221～2 347 mm)可與該單點(diǎn)套筒頂部內(nèi)徑2 280 mm匹配。然而96寸吊樁器的許用載荷為1 200 t，根據(jù)規(guī)范要求，在考慮2倍的動(dòng)力放大因數(shù)后，項(xiàng)目單點(diǎn)在空氣中的最大吊重約2 164 t，因此，該單點(diǎn)最大吊重已超過96寸吊樁器的許用載荷，不滿足吊樁器的使用要求。

雖然本吊裝方案最終未被作為潿洲10-3單點(diǎn)拆除的備選吊裝方案之一，但通過對本吊裝方案的研究，拓展了海上結(jié)構(gòu)物吊裝方案的設(shè)計(jì)思路，可為今后其他類似項(xiàng)目提供參考。

3.2 套筒鏜孔吊裝方案

套筒鏜孔吊裝方案是借鑒海洋工程項(xiàng)目中對隔水套管鏜孔吊裝的技術(shù)方法[14-15]，通過在單點(diǎn)套筒頂部適當(dāng)位置現(xiàn)場鏜出一些吊耳孔，然后將吊索具與上述吊耳孔連接固定，以實(shí)現(xiàn)對潿洲10-3單點(diǎn)的整體吊裝，如圖3所示。該吊裝方案的技術(shù)優(yōu)勢同樣不需要新增吊耳，可避免對新吊耳進(jìn)行設(shè)計(jì)、預(yù)制和安裝。

對套筒鏜孔吊裝模型進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，如圖3(b)所示，需要在套筒頂部加厚段處鏜出4個(gè)直徑為170 mm的吊耳孔，利用4根鋼絲繩和4個(gè)400 t卡環(huán)即可滿足對該單點(diǎn)整體吊裝的強(qiáng)度要求。由于鏜孔位置位于套筒頂部加厚段處，其距套筒頂端距離較大，400 t卡環(huán)弓高不滿足要求，須現(xiàn)場對套筒頂部進(jìn)行二次切割。

圖3 套筒鏜孔吊裝方案示例

本吊裝方案的技術(shù)難點(diǎn)是對套筒的鏜孔技術(shù)，尤其是對于鏜孔機(jī)的安裝、鏜桿和鏜刀的固定等，都需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場操作，且還需要租賃專用的鏜孔設(shè)備，除上述要求外，本吊裝方案的可行性相對較高。

因此，本吊裝方案被作為潿洲10-3單點(diǎn)拆除的備選吊裝方案之一。

3.3 調(diào)平吊耳吊裝方案

調(diào)平吊耳吊裝方案是利用基盤上原有的3個(gè)調(diào)平吊耳以及為潿洲10-3單點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的三角形吊裝框架實(shí)現(xiàn)對潿洲10-3單點(diǎn)的整體吊裝[4]，如圖4所示。本吊裝方案也不需要新增吊耳，可避免對新吊耳進(jìn)行設(shè)計(jì)、預(yù)制和安裝。然而，本吊裝方案的缺點(diǎn)是需要潛水員水下掛扣，增加了海上施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)，且需要為該單點(diǎn)設(shè)計(jì)專用的三角形吊裝框架，增加了項(xiàng)目成本。

圖4 調(diào)平吊耳吊裝方案示例

經(jīng)過對本吊裝方案進(jìn)一步的計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn)，基盤上每個(gè)調(diào)平吊耳需承受760 t以上的鋼絲繩拉力，但是每個(gè)原有的調(diào)平吊耳最大只能承受300 t 的鋼絲繩拉力，強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。因此，本吊裝方案最終也未被作為潿洲10-3單點(diǎn)拆除的備選吊裝方案之一。

3.4 盲板吊裝方案

盲板吊裝方案是通過提前在陸地設(shè)計(jì)預(yù)制與套筒頂部相匹配的盲板，并在盲板上焊接吊裝用的吊耳，然后在海上將盲板與套筒頂部焊接固定，實(shí)現(xiàn)對潿洲10-3單點(diǎn)的整體吊裝[4]，如圖5所示。

圖5 盲板吊裝方案示例

如果將盲板直徑設(shè)計(jì)成大于套筒頂部直徑，須在海上對套筒頂端的套筒壁進(jìn)行現(xiàn)場開坡口，會(huì)大幅增加海上的工作量和施工難度，因此建議將盲板直徑設(shè)計(jì)成等于套筒頂部筒體的內(nèi)徑，將盲板嵌在套筒內(nèi)一定深度，可提前在陸地對盲板邊緣開單面坡口，再在海上對盲板和套筒之間的焊縫采用單面坡口焊，如圖5(b)和圖5(c)所示。

采用本吊裝方案時(shí)還需注意以下技術(shù)事項(xiàng)：(1)盲板和吊耳整體嵌入套筒內(nèi)部不能過深，須將吊耳孔高出套筒頂端一定的高度，否則在海上施工會(huì)出現(xiàn)卡環(huán)銷軸無法安裝的風(fēng)險(xiǎn)；(2)為防止吊裝時(shí)吸附力過大，應(yīng)在盲板或套筒頂部的合適位置開設(shè)一些進(jìn)氣孔，以便在單點(diǎn)被吊裝出水過程中排出其內(nèi)部的海水。

由于本吊裝方案的可行性較高，因此其也被作為潿洲10-3單點(diǎn)拆除的備選吊裝方案之一。

3.5 吊耳吊裝方案

吊耳吊裝方案是海洋工程結(jié)構(gòu)物海上吊裝最常用的吊裝方案之一[14-19]，通過在陸地提前設(shè)計(jì)預(yù)制與套筒相匹配的吊耳，在海上將吊耳與套筒焊接固定，從而實(shí)現(xiàn)對潿洲10-3單點(diǎn)的整體吊裝，如圖6所示。

圖6 吊耳吊裝方案示例

由于本吊裝方案工程經(jīng)驗(yàn)豐富、可行性較高，因此被作為潿洲10-3單點(diǎn)拆除的備選吊裝方案之一。

3.6 吊裝方案選擇

若對潿洲10-3單點(diǎn)采用吊耳吊裝方案，則可避免因采用鏜孔吊裝方案而需要對鏜孔設(shè)備及具備相關(guān)資質(zhì)人員的租賃，也可避免因鏜孔位置選擇在套筒加厚段對套筒頂部進(jìn)行二次切割，可為項(xiàng)目節(jié)省約3 d的海上施工時(shí)間。盲板吊裝方案所需鋼板沒有庫存材料可用，而采辦新鋼板的周期較長。吊耳吊裝方案所需鋼板可利用公司現(xiàn)有庫存的鋼板，不需要采辦新鋼板，可為項(xiàng)目節(jié)省成本和工期。

因此，在綜合考慮項(xiàng)目資源、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)和項(xiàng)目工期等多方面的影響因素后，潿洲10-3單點(diǎn)拆除項(xiàng)目最終采用吊耳吊裝方案。

4 吊耳吊裝方案應(yīng)用實(shí)例

4.1 吊耳安裝位置

由于潿洲10-3單點(diǎn)套筒頂端只高出平均海平面約7 m，處于飛濺區(qū)，若在套筒頂端外側(cè)焊接吊耳，易受波浪和潮汐的影響。最初的設(shè)計(jì)方案是將吊耳安裝在套筒頂端內(nèi)側(cè)，以借助套筒壁的保護(hù)，減少海況對吊耳焊接的影響。然而，經(jīng)核算后發(fā)現(xiàn)，由于套筒頂端內(nèi)徑為2 280 mm，若在內(nèi)側(cè)安裝4個(gè)吊耳，則吊耳間的距離較近，海上進(jìn)行吊裝配扣時(shí)無法安裝卡環(huán)銷軸，因此采用吊耳吊裝方案時(shí)須將吊耳安裝在套筒頂端外側(cè)。

4.2 吊耳結(jié)構(gòu)形式

海洋平臺建造和安裝過程中常用的吊耳形式主要包括吊點(diǎn)板式吊耳和耳軸式吊耳兩種形式。耳軸式吊耳大多用于重型結(jié)構(gòu)物吊裝，通常應(yīng)用于在單根鋼絲繩所受最大靜拉力大于1 250 t的工況，在找不到相匹配的卡環(huán)時(shí)才使用。本項(xiàng)目吊耳采用吊點(diǎn)板式。常用的吊點(diǎn)板式吊耳由主板、頰板和加強(qiáng)筋板等部分組成，其中加強(qiáng)筋板的結(jié)構(gòu)形式大多為三角形板。由于本項(xiàng)目是將吊耳焊接在圓柱形套筒上，若再將其加強(qiáng)筋板采用三角形板，通過ANSYS軟件對其進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，這些加強(qiáng)筋板的遠(yuǎn)端角點(diǎn)處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，造成局部應(yīng)力過大，不滿足規(guī)范要求。

針對圓柱形套筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)新性地將4個(gè)吊耳的各塊加強(qiáng)筋板連接起來做成圓環(huán)結(jié)構(gòu)，可顯著地消除常規(guī)三角形加強(qiáng)筋板的應(yīng)力集中，使得吊耳主板與套筒間力的傳遞路徑更合理，如圖7所示。其中：吊耳主板和頰板采用GB 712—2011 DH36-Z35鋼材，屈服強(qiáng)度為355 MPa；環(huán)形筋板采用GB 712—2011 DH36鋼材，屈服強(qiáng)度為355 MPa。

圖7 吊耳結(jié)構(gòu)示例

4.3 單點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

根據(jù)圖7所示的吊耳結(jié)構(gòu)圖，使用ANSYS軟件對該項(xiàng)目單點(diǎn)和吊耳整體進(jìn)行吊裝工況下的有限元分析。其中，各吊耳上施加的拉力為考慮2倍的動(dòng)力放大因數(shù)后的鋼絲繩拉力，且又施加5%的面外力，如圖8所示。有限元計(jì)算結(jié)果顯示，吊耳局部最大應(yīng)力為213.80 MPa，單點(diǎn)套筒和基盤的最大應(yīng)力為142.23 MPa，都小于鋼材屈服強(qiáng)度的 0.7倍(248.50 MPa)，滿足規(guī)范要求。

圖8 吊裝工況下的有限元分析模型

5 結(jié) 論

(1) 由于海洋工程海上施工作業(yè)的高風(fēng)險(xiǎn)性，因此在對海上結(jié)構(gòu)物拆除過程中，選擇拆除方案應(yīng)遵守以下原則：一是所選方案應(yīng)將盡可能多的施工準(zhǔn)備工作安排在陸地而不是海上；二是所選方案應(yīng)將盡可能多的施工作業(yè)安排在水上而不是水下。按照上述原則，在吊樁器吊裝能力足夠強(qiáng)的前提下，本項(xiàng)目若采用吊樁器吊裝方案，既可避免水下施工又可避免在套筒上開孔或焊接吊耳等大量的海上工作量，因此假如文中所述5種吊裝方案都可行的話，吊樁器吊裝方案的經(jīng)濟(jì)性相對最優(yōu)。

(2) 為了減少海上施工占用船舶的天數(shù)、縮短項(xiàng)目周期、節(jié)省項(xiàng)目成本等，海上結(jié)構(gòu)物拆除方案和吊裝方案未來都朝著便捷化方向發(fā)展。鑒于此，針對導(dǎo)管架和單點(diǎn)套筒等帶有圓柱形結(jié)構(gòu)的海洋結(jié)構(gòu)物拆除，都可優(yōu)先選用吊樁器吊裝方案。今后應(yīng)注重提升吊樁器的吊裝能力，為大型結(jié)構(gòu)物整體拆除吊裝做好設(shè)備能力儲(chǔ)備。

(3) 潛水員手動(dòng)電-氧切割屬于熱切割，該切割方式風(fēng)險(xiǎn)高、效率低，很難滿足未來海洋結(jié)構(gòu)物拆除水下切割工作的需求。今后應(yīng)注重提升水下冷切割設(shè)備的切割能力。

(4) 針對強(qiáng)底座高聳薄壁結(jié)構(gòu)物的吊裝，調(diào)平吊耳吊裝方案具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。今后應(yīng)重點(diǎn)開展該吊裝方案中吊裝框架設(shè)計(jì)和底座吊耳設(shè)計(jì)這兩方面的技術(shù)研究。

(5) 受限于現(xiàn)有吊裝設(shè)備資源和吊裝技術(shù)能力，本項(xiàng)目只研究了5種吊裝方案，而隨著科技的進(jìn)步，未來會(huì)有更先進(jìn)的吊裝工具和吊裝方法，需結(jié)合具體項(xiàng)目進(jìn)行更進(jìn)一步的技術(shù)研究。