章仲怡，王佐強(qiáng)

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 清潔能源能源工程分公司，天津 300450）

為了保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境和海上航行安全，根據(jù)國(guó)家安全環(huán)保部門的要求，在油氣田壽命終止時(shí)，要對(duì)建立的海上石油平臺(tái)進(jìn)行回收拆除。不包括在建項(xiàng)目，2040 年之前，我國(guó)領(lǐng)海需要拆除的油氣田數(shù)量達(dá)81 個(gè)、海上平臺(tái)數(shù)量約164 座，預(yù)計(jì)拆除平臺(tái)上部質(zhì)量42 萬(wàn)t、平臺(tái)下部質(zhì)量25.9萬(wàn)t。經(jīng)歷了海上油田建設(shè)的高峰期，隨著設(shè)施的老化，海上平臺(tái)的拆除施工需求必將要大量涌現(xiàn)。楊俊甲[1]、晉永琦[2]、孫見(jiàn)章等[3]、潘東民[4]、蘇瑞華等[5]、王儒等[6]、胡振國(guó)[7]、阮志豪等[8]、劉登輝[9]、汪雷[10]、李巍等[11]均進(jìn)行過(guò)海上平臺(tái)拆除方法和工藝的相關(guān)研究。

拆除海上平臺(tái)上部模塊的方法主要有吊裝法和浮托法2 種[8]。吊裝法依賴于浮吊船完成拆除作業(yè)，對(duì)于重量較小的模塊可以直接采用吊機(jī)整體拆除，較大的模塊一般先分割成小塊之后再進(jìn)行起吊移除。這種方法的缺點(diǎn)是需要大量的人力和物力，且容易對(duì)海洋環(huán)境造成污染。浮托法是利用雙體工程船將海上平臺(tái)的上部模塊與底部支撐架切割后整體移除，再轉(zhuǎn)運(yùn)到港口或陸地進(jìn)行拆解。某公司2016 年建成的Pioneering Spirit 是全球第一艘采用浮托法一次性移除海上平臺(tái)的雙體工程船，具有最大拆除48 000 t上部模塊的能力。

我國(guó)海上平臺(tái)的拆除起步較晚，現(xiàn)在還處于利用起重船分塊吊裝的階段。面對(duì)日益增長(zhǎng)的拆除作業(yè)需求，提高拆除技術(shù)和工藝水平迫在眉睫。起重抬臂裝置是雙體工程船的核心環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)拆除的關(guān)鍵設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有與Pioneering Spirit 同類型的起重抬臂系統(tǒng)。針對(duì)我國(guó)領(lǐng)海的海上平臺(tái)特點(diǎn)，本文提出了一種起重抬臂裝置的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)主要部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

1 抬臂裝置總體介紹

起重抬臂裝置主要用于導(dǎo)管架切割后對(duì)海洋平臺(tái)上部模塊進(jìn)行一次性移除，并將其下放至轉(zhuǎn)運(yùn)駁船。起重抬臂裝置示意圖如圖1所示，雙體船的兩側(cè)各布置有3組抬臂。每組抬臂具有12×103kN的舉升能力，最大可拆除7 200 t 的海上平臺(tái)，滿足了目前我國(guó)領(lǐng)海內(nèi)大部分退役平臺(tái)的拆除作業(yè)需求。單個(gè)抬臂主要由起重梁、X向軌道、內(nèi)側(cè)支撐、外側(cè)支撐、舉升杠桿、X向驅(qū)動(dòng)、Y向驅(qū)動(dòng)、Z向補(bǔ)償缸（輔缸）、Z向舉升油缸（主缸）、舉升托臺(tái)、鎖定銷軸、高壓氣罐、蓄能器、X向制動(dòng)油缸、Y向制動(dòng)油缸等裝置和機(jī)構(gòu)及液壓控制系統(tǒng)組成。表1為單個(gè)抬臂主要技術(shù)指標(biāo)。最大豎直工作行程是2 m，極限行程2.4 m，能夠滿足多數(shù)工況下的舉升需求。兩側(cè)托臺(tái)的最小、最大中心距離是14 m 和30 m，表明起重抬臂裝置可以移除14～30 m寬的海洋平臺(tái)。

表1 單個(gè)抬臂主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 起重抬臂裝置示意圖

雖然整體將上部平臺(tái)一次性移除作業(yè)的效率較傳統(tǒng)的分解吊裝作業(yè)效率有很大的提高，但由于海上作業(yè)平臺(tái)種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法采用統(tǒng)一的接口結(jié)構(gòu)。常用的接口結(jié)構(gòu)主要有管夾式舉升和托臺(tái)舉升2種形式。管夾式舉升由于平臺(tái)管徑變化及支撐管存在傾斜造成的干涉及且結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，通用性較低。而托臺(tái)舉升形式具有較好的適應(yīng)性，通過(guò)定制上部的結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)不同平臺(tái)的需求。雖然Pioneering Spirit公司提出了管夾接口舉升方案，但并沒(méi)有管夾方案的實(shí)際應(yīng)用案例，已經(jīng)實(shí)施的移除和安裝實(shí)例大多為托臺(tái)舉升的方式，也有個(gè)別移除作業(yè)是在平臺(tái)支撐柱管處焊接輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行托舉，因此本抬臂設(shè)計(jì)方案采用托臺(tái)舉升結(jié)構(gòu)的接口形式。托臺(tái)舉升結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 托臺(tái)舉升結(jié)構(gòu)示意圖

2 抬臂裝置作業(yè)流程

海上平臺(tái)的整體拆除是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和控制系統(tǒng)等協(xié)同配合完成。為了提高安全性和可靠性，將抬臂的作業(yè)流程分為：準(zhǔn)備、補(bǔ)償、舉升、鎖定4個(gè)階段。準(zhǔn)備階段中，雙體船靠近作業(yè)平臺(tái)，通過(guò)調(diào)整船舶壓載水使抬臂托臺(tái)移至合適的作業(yè)間距，此時(shí)觸發(fā)Z向補(bǔ)償油缸和Y向驅(qū)動(dòng)為主動(dòng)波浪補(bǔ)償模式，使得舉升平臺(tái)緊貼作業(yè)平臺(tái)下表面，以完成舉升前的準(zhǔn)備動(dòng)作。抬臂處于準(zhǔn)備狀態(tài)示意圖如圖3所示。

圖3 抬臂處于準(zhǔn)備狀態(tài)示意圖

圖4 為抬臂舉升前的補(bǔ)償狀態(tài)示意圖。此時(shí)舉升平臺(tái)已經(jīng)抵靠在平臺(tái)托舉位置，并施加一定的預(yù)加載荷，使托臺(tái)與平臺(tái)接觸固定，為保證托臺(tái)與平臺(tái)保持固定接觸狀態(tài)，Z向必須呈現(xiàn)浮動(dòng)補(bǔ)償狀態(tài)以抵消抬臂隨波浪起伏的影響。這時(shí)的補(bǔ)償狀態(tài)為單缸補(bǔ)償，由一個(gè)較小的補(bǔ)償缸（輔缸）實(shí)施，舉升油缸（主缸）的活塞桿頂部這時(shí)與舉升杠桿的施力軸頸呈脫離狀態(tài)。補(bǔ)償缸（輔缸）的活塞桿端部與舉升杠桿后臂中部位置銷接，其活塞桿的伸縮與舉升托臺(tái)的上下保持聯(lián)動(dòng)。舉升油缸活塞桿頭部并未直接與舉升杠桿鉸接連接，而是與舉升擺桿銷接，舉升擺桿可繞舉升支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)舉升油缸處于收縮狀態(tài)時(shí)，帶動(dòng)舉升擺桿脫離舉升杠桿的接觸。因此，此時(shí)的波浪補(bǔ)償完全由補(bǔ)償缸（輔缸）實(shí)施?？紤]到舉升杠桿繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，舉升運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際為圓弧，因此X向和Y向也同時(shí)參與補(bǔ)償。

圖4 抬臂舉升前的補(bǔ)償狀態(tài)示意圖

在實(shí)施舉升前，先要完成對(duì)平臺(tái)下方支撐管的切割，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上下的物理分離。舉升前依次將各抬臂的舉升油缸緩緩伸出，直至舉升擺桿的施力半圓柱面抵靠在施力軸頸的外圓，由于這時(shí)還在補(bǔ)償狀態(tài)，所以舉升油缸活塞桿與舉升杠桿接觸后，舉升油缸通過(guò)施加一個(gè)較小的推力與補(bǔ)償缸（輔缸）一同進(jìn)入補(bǔ)償狀態(tài)。當(dāng)所有舉升油缸都進(jìn)入抵靠補(bǔ)償狀態(tài)后，就具備了舉升的條件，此時(shí)通過(guò)控制室發(fā)出指令，觸發(fā)所有抬臂的舉升油缸進(jìn)入快速舉升狀態(tài)，將平臺(tái)舉升以防止平臺(tái)在海浪的作用下與下方切割支撐管發(fā)生碰撞，隨后船舶駛離。

當(dāng)抬臂將海上平臺(tái)舉升至指定高度時(shí)，為了避免液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于高壓狀態(tài)，通過(guò)設(shè)計(jì)的鎖定銷軸將其端部抵靠在舉升杠桿下部的平面，將油缸承接的平臺(tái)載荷通過(guò)鎖定銷軸轉(zhuǎn)移到起重梁的機(jī)械結(jié)構(gòu)，即鎖定狀態(tài)。載荷轉(zhuǎn)移后，液壓系統(tǒng)即可退出工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能和保護(hù)液壓缸免受高壓沖擊、延長(zhǎng)使用壽命的效果。

圖5 為豎直Z向舉升行程分解示意圖。由圖5知，舉升平臺(tái)最大行程為2.4 m，有效工作行程為2 m，上下各預(yù)留200 mm的油缸緩沖行程，補(bǔ)償行程在中位±0.5 m的范圍內(nèi)，舉升起始行程設(shè)在中位下方約0.5 m 處，有效快速舉升行程達(dá)1.2～1.5 m。圖5（b）和（c）為舉升平臺(tái)的上位和下位，分別對(duì)應(yīng)油缸伸展和收縮極限位置。

圖5 豎直Z向舉升行程分解示意圖

通過(guò)以上分析可得，整體一次性移除上部平臺(tái)的作業(yè)順序?yàn)椋孩俅拷鳂I(yè)平臺(tái)，靠近前雙側(cè)抬臂縮回至船舷的極限位置，避免碰撞；②調(diào)整船舶壓載水，使抬臂托臺(tái)與平臺(tái)移動(dòng)至合適的作業(yè)間距；③將各抬臂依次移動(dòng)到平臺(tái)作業(yè)托舉的下方位置，并保持安全距離；④觸發(fā)Z向補(bǔ)償油缸和Y向驅(qū)動(dòng)為主動(dòng)波浪補(bǔ)償模式；⑤由補(bǔ)償油缸將舉升托臺(tái)緩慢抵靠平臺(tái)托舉面，同時(shí)將主動(dòng)波浪補(bǔ)償模式切換成按預(yù)設(shè)預(yù)緊托力的被動(dòng)波浪補(bǔ)償模式；⑥依次將舉升油缸（主缸）抵靠上舉升杠桿的施力位置，并進(jìn)入被動(dòng)波浪補(bǔ)償模式狀態(tài)（舉升油缸施加的預(yù)緊舉升力的大小根據(jù)舉升平臺(tái)重量調(diào)整）；⑦切割平臺(tái)下部管道；⑧排除部分壓載水量，使船體上升時(shí)舉升油缸收縮至快速舉升起始位置附近，使油缸具有1.2～1.5 m 的快速舉升行程，并使舉升油缸預(yù)緊托舉力逐漸提升至舉升載荷的約80%，以便能減小舉升后的船體傾斜角度；⑨啟動(dòng)舉升油缸（主缸）快速舉升，同時(shí)關(guān)閉Z向補(bǔ)償模式，補(bǔ)償油缸（輔缸）助力同步舉升，快速舉升時(shí)Y向保持與舉升油缸的隨動(dòng)模式；⑩船駛離平臺(tái)原安裝位置；?調(diào)整舉升高度，將鎖定銷軸抵靠舉升杠桿，Z向鎖定，液壓系統(tǒng)停止工作；?機(jī)械鎖定抬臂X、Y向移動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)輸或轉(zhuǎn)移駁船；?駁船移動(dòng)至平臺(tái)下方，調(diào)整壓載水使駁船下放至合適高度；?重新啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，準(zhǔn)備就緒后，解除X、Y、Z向鎖定；?在液壓系統(tǒng)作用下緩慢下放平臺(tái)至運(yùn)輸船；?抬臂退出平臺(tái)下方，駁船承載平臺(tái)駛離；?鎖定X、Y、Z軸后，關(guān)閉抬臂液壓系統(tǒng)；?任務(wù)結(jié)束。

3 抬臂靜力分析

抬臂機(jī)構(gòu)是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)械和液壓耦合系統(tǒng)。舉升機(jī)構(gòu)和抬臂裝置是其中的關(guān)鍵部件，需要進(jìn)行力學(xué)分析。在托起海上平臺(tái)的時(shí)候，舉升結(jié)構(gòu)承受了海洋平臺(tái)的重力。按照技術(shù)要求，單個(gè)抬臂的舉升重量Ft約為12×103kN，輔油缸和主油缸提供了推力F2（分量為F2Z和F2Y）和F3（分量為F3Z和F3Y），旋轉(zhuǎn)副也提供了一部分的支撐力F1（分量為F1Z和F1Y）。舉升機(jī)構(gòu)受力示意圖如圖6所示。

圖6 舉升機(jī)構(gòu)受力示意圖

圖7 為舉升機(jī)構(gòu)靜力分析云圖。由圖7 知，舉升機(jī)構(gòu)的最大變形量為5.16 mm，在平臺(tái)的最邊緣處。結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力是256 MPa，在舉升平臺(tái)底部的加強(qiáng)筋處，其它區(qū)域的應(yīng)力集中在25～100 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力。因此，只要將舉升平臺(tái)底部進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)，就能夠滿足技術(shù)要求。

圖7 舉升機(jī)構(gòu)靜力分析云圖

每組抬臂包括2 個(gè)起重梁和舉升杠桿（如圖1所示）。對(duì)于單個(gè)舉升杠桿，在旋轉(zhuǎn)軸處的支撐力F1約為9.57×103kN，接近于總負(fù)載（12×103kN）。主油缸提供的總推力F3約為8.39×103kN，而輔油缸提供的推力F2約為1.79×103kN。需要說(shuō)明的是，F(xiàn)2、F3與F1方向是相反的。單個(gè)舉升杠桿的支撐力和油缸的推力如表2所示。

表2 單個(gè)舉升杠桿的支撐力和油缸的推力 ×103 kN

通過(guò)舉升機(jī)構(gòu)的靜力分析，可以得到抬臂梁前段承受的負(fù)載力。圖8 為抬臂梁的受力示意圖。由于抬臂梁沿Y向是可伸縮的，移動(dòng)范圍為0～8 m。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，當(dāng)懸臂長(zhǎng)度為8 m 時(shí)，抬臂梁承受最大的彎曲變形。因此，進(jìn)行此處位置的靜力分析。

圖8 起重梁受力示意圖

圖9 為抬臂梁靜力分析云圖，由圖9 可知，抬臂梁的最大變形量為10.6 mm，出現(xiàn)在抬臂梁的最邊緣處；最大應(yīng)力是208 MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力，說(shuō)明抬臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。當(dāng)然可以繼續(xù)對(duì)主油缸和內(nèi)軌道支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減小應(yīng)力，提高安全性和可靠性。抬臂梁的支撐力如表3所示。

表3 抬臂梁的支撐力 ×103 kN

圖9 抬臂梁靜力分析云圖

由表3 可以看出，內(nèi)側(cè)軌道承擔(dān)了絕大部分的支撐力，其Z向力分量為8.48×103kN，而外側(cè)軌道和支架的支撐力較小。在實(shí)際工作過(guò)程中，Y向分力由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)平衡，為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自鎖設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套具有72×103kN 舉升能力的雙體船起重抬臂裝置，介紹了抬臂裝置的總體結(jié)構(gòu)方案，討論了抬臂的作業(yè)流程，并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行了力學(xué)分析。隨著我國(guó)海域內(nèi)一些油田開(kāi)發(fā)壽命周期的臨近，海上平臺(tái)的拆除存在巨大的市場(chǎng)前景。作為海上平臺(tái)拆除的核心設(shè)備，本文起重抬臂裝置的設(shè)計(jì)方案豐富了國(guó)內(nèi)海上平臺(tái)整體拆除技術(shù)和思路，具有一定的參考和借鑒價(jià)值。