廢棄平臺導管架拆除吊裝計算簡述

姜學錄 李曉明 王志超 武斌斌 田瑞南 海洋石油工程股份有限公司

隨著導管架平臺服役年限的逐漸增加，需要拆除的廢棄平臺也在逐年增加，廢棄平臺的拆除將作為導管架平臺整個生命周期中不可或缺的一部分。但在國內廢棄平臺的拆除案例較少，廢棄平臺的計算也在積累經驗的過程中。本文僅對其中的吊裝計算進行簡述。

吊裝分析主要是對結構及其附屬結構在吊裝過程中的強度進行計算分析，檢驗其是否滿足規范要求，對于沒有特殊要求的項目，規范一般采用API（RP 2A-WSD）。計算程序目前通常采用的是美國Bentley公司的SACS軟件。

棄置結構物吊裝分析步驟同新建結構物吊裝分析，主要分為：結構模擬、載荷模擬、邊界條件處理、結構強度和穩定校核、沖剪力校核、數據后處理六步。不同之處在于基礎數據和載荷。

1.結構模擬

對于吊裝分析的結構模擬，不僅要參考結構物的詳細設計圖紙及相關文件資料，還要參考安裝完工報告、圖紙，后期改造圖紙資料及最新的檢測完工報告等。在計算過程中，壁厚需根據最新的檢測完工報告進行修正，重量及重心需根據原始設計資料、后期改造完工資料及最新檢測完工報告進行修正。鋼絲繩、本身的結構采用MEMBER 模擬，每一桿件之間被視為用剛節點連接。結構腐蝕需要根據現場最新檢測報告考慮。采用SACS軟件建立模型，建模步驟與新建結構物相同。

吊裝分析中，需對主結構進行模擬，主結構包括立面和每一水平層的結構。索具只模擬吊繩，并且模擬為桿件。其他專業和附屬結構，如機械、電氣、配管、舾裝、儀表、通訊、安全專業等，可以不作為計算模型的一部分進行模擬，作為附加的荷載進行模擬。

2.荷載模擬

海底結構物的拆除需要考慮海生物的影響，海生物的生長程度以檢測報告為依據進行評估。如果可信任的測量數據不能獲得，海生物狀態以NORSOK N-003為依據進行計算。

從海底移除結構物，要求考慮結構物周圍泥沙的阻力。這個阻力應該是幾個參數的函數，如泥沙情況、灌漿狀況、結構物的形狀、吊起速度、暴露時間、接觸壓力等。

若結構物為樁基結構，當有一部分樁基埋在泥沙中需要拔出時，還需要考慮樁基的抗拔力。

根據API規范，樁的抗拔力即極限承載力Qf應由下式確定：

式中，Qf為樁側摩阻力，k N（1b）；f 為單位樁側摩阻力，kPa（1b/ft2）；As為樁側表面積，m2（ft2）。

樁的極限軸向抗拔力可等于或小于但不得大于樁的總側摩阻力Qf。

對于粘土，側摩阻力 f 可用下式計算：

式中，α為量綱為1的系數；c為相應點土壤的不排水抗剪強度，kPa（1b/ft2）。α為希臘字母小寫。

系數α可用下式計算：

約束值，α≤1.0

式中，ψ為c/相應點；為相應點的有效覆蓋土壓力，kPa（1b/ft2）。

對于非粘性土，側摩阻力 f 可用下式計算：

式中，β為量綱為1的軸向摩擦系數。

特別的，具有裙樁和浮筒結構的海底結構物，其回收阻力是安裝時的幾倍。為方便操作而安裝的臨時結構物的拆除時，要求考慮到泥沙是這些因素中起主導作用的載荷條件。

對于導管架,其防沉板離底時的吸附力對吊裝影響也是很大的,目前吸附力計算沒有明確的規定,往往憑借施工經驗估算,也有一些經驗公式可以參考,如:

式中:f為比例系數，成為海底吸附力系數。可按A·H·希格列夫的統計數據確定。

另外，參考《海軍工程學院學報》1998年第3期《底質對潛坐結構吸附力的試驗研究》（如圖1）：

圖1

其中：A為結構物與底質的水平投影接觸面積，m2；S為底質的抗剪強度，kPa；D為結構物在底質中的浸深，m；B為結構物的寬度，m；L為結構物的長度，m。

計算吸附力時，可以參考以上兩種經驗公式，取大值用于吊裝計算，以確保吊裝過程的安全性。鑒于經驗公式可能產生的誤差，建議實際拆除吊裝時逐漸加力起吊，或對防沉板附近土壤進行松土處理，以減少吸附力的影響，確保吊裝過程安全可靠。

應當特別注意拆除作業中結構物的浮力。一般，物體的浮力應當以精確的幾何模型為依據確定。然而，對于拆除作業，精確的浮力是不可能得到的。另外，結構空間可能會被注水。因此，建議考慮浮力存在的最壞的情形。而注水后的結構物，還需要考慮結構物在出水瞬間水還未排出的情況。

結構物從水中提升出水面時，要求考慮結構物周圍水的阻力。這個阻力應該是幾個參數的函數，如海水情況、結構物形狀、吊起速度、接觸壓力等。

荷載模擬的方式根據結構的不同而不同，通常作為集中荷載和分布荷載等形式來進行模擬。

在加載的過程中，每一種荷載都定義了工況和荷載名稱。為了進行計算分析，需要對所有的工況進行組合。在SACS的模型文件中，荷載包括了結構物的自重、附屬的重量荷載、腐蝕余量等，將這些荷載組合起來，并將組合的荷載增加一定的不確定系數。這個組合荷載就是吊裝過程中的靜荷載。

在吊裝過程中，由于船只運動產生沖擊，因此在計算中應考慮動力荷載系數。對于在敞開暴露海域（海上）進行的吊裝，在設計吊點和形成與吊點相連的節點并將吊裝力傳遞到其他內部構件時，應使用最小為2.0的載荷系數計算凈載荷。對于所有其他的傳遞吊裝力的結構構件，應使用1.35的最小載荷系數進行設計。

對吊機和被吊裝的結構或部件在陸地上的制造場地內進行吊裝，不要求動力荷載系數。對于可能產生罕見的動力載荷的特殊吊裝過程，可以考慮適當的荷載系數。

3.邊界條件處理

鉤頭作為一個剛性節點約束，吊繩被模擬成剛性的桿件，應考慮吊繩的邊界條件，彈簧的處理等。

4.結構強度和穩定性校核

對結構和荷載模擬完成后，運用SACS程序進行線性分析，從結果文件中，可以得到結構的所有桿件的位移和最大應力比。因此，可以判斷在吊裝過程中的結構強度與穩定性是否滿足規范要求。

5.沖剪力校核

由于在桿件交匯處的節點存在沖剪力，所以需要對結構的節點處進行沖剪力校核，在SACS程序中得到各節點的沖剪應力比，若應力比小于1，則符合規范要求。

6.數據后處理

分析完成后可以得到重量、重心和吊繩的內力，重量、重心需要和現有資料進行核對，吊繩力可以作為確定吊裝索具的依據。

7.結語

本文作者在總結幾個國內廢棄導管架平臺拆除經驗的基礎上，簡述了進行廢棄導管架吊裝分析的幾個步驟，重點介紹了與安裝新導管架不同的一些計算的方法，如吸附力、抗拔力等的計算，由于廢棄導管架平臺的拆除在我國仍屬于起步階段，其計算方法也有待更多實際項目驗證，因此，希望本文對未來更深入的研究起到拋磚引玉的作用。