南海兩腿三樁導管架平臺拆除方案設計與應用
——以潿洲11-4 C平臺為例

劉建峰 王彥多 杜 穎 武斌斌 韓敬艷 姜宇飛

(海洋石油工程股份有限公司 天津 300461)

2011—2017年，中國海洋石油集團有限公司先后完成了曹妃甸1-6導管架(2011年)[1-2]、錦州21-1 WHPA平臺/錦州20-2 SW平臺(2014年)[3]、曹妃甸舊單點(2015年)[2,4]、埕北油田儲罐及導管架帽(2016年)[2,5]和渤中25-1油田明珠號單點(2017年)[2,6]等多個海洋結構物的拆除項目。但以上拆除項目集中在渤海海域，其作業水深都在30 m以淺，對于水深較深、海況條件較差的南海海域，尤其是對非常規的兩腿三樁平臺如何拆除，還沒有相關的工程經驗。本文針對南海海況和簡易平臺的結構特點[7-9]，開展了南海首個平臺拆除項目即潿洲11-4 C平臺拆除項目方案的研究與設計，并成功指導了工程施工，為今后類似平臺拆除提供參考。

1 平臺概況

潿洲11-4油田位于中國南海北部灣海域，所在海域平均水深42.8 m。其中，潿洲11-4 C平臺是一座簡易的井口平臺，結構形式為兩腿三樁(圖1)。該平臺上部組塊設置了一層主甲板和一層直升機甲板，主甲板長30.96 m、寬16.96 m、標高EL.(+)17 500 mm，直升機甲板長13.46 m、寬13.46 m、標高EL.(+)21 500 mm，上部組塊兩腿間距16 m，結構總質量約228 t。導管架共有3個水平層，各層的標高分別為EL.(-)4 000 mm、EL.(-)22 000 mm、EL.(-)41 200 mm，其鋼樁直徑為1 219 mm，結構(含水泥漿體和鋼樁)總質量約508 t。該平臺于1999年投產，設計壽命為10年，截至2018年已超設計年限9年。鑒于該平臺已停產，隔水導管和采油樹等部分結構和設備已拆除，擬對該平臺進行廢棄拆除。根據該拆除項目實施期間相關方的船舶資源情況，最終可供本項目使用的施工船舶資源為“藍鯨”號起重船(在附近海域施工，且有檔期)和駁船“海洋石油226”。

圖1 潿洲11-4 C平臺及其結構示意圖

2 平臺拆除方案

由于潿洲11-4 C平臺為簡易平臺，整體重量相對較輕，因此在對其進行拆除方案選擇時，首先研究了組塊和導管架整體拆除方案的可行性。使用SACS和MOSES等設計計算軟件，分別對該平臺整體吊裝強度、吊耳強度、運輸強度和駁船穩性等關鍵問題進行了分析[10-12]，吊裝分析結果如圖2所示。可見，若采用6根鋼絲繩的吊裝方案，有大量桿件(圖2中紅色桿件)的UC值大于1，且不具備對這些桿件進行結構加強的可能性，不滿足API規范要求，該方案不可行；若采用8根鋼絲繩的吊裝方案，只有組塊上的3根次要桿件的UC值大于1，通過對它們進行簡單的結構加強后，可滿足API規范要求，該吊裝方案可行。但采用整體拆除方案時，由于該平臺總外形高度和重心高度都相對較高，雖然采用8根鋼絲繩的吊裝方案，結構整體強度可滿足規范要求，但由于該平臺所在南海海域的海況(百年一遇的重現極值：浪高為15.5 m，波浪周期為13.1 s，表層流速為1.83 m/s，1分鐘平均風速為59 m/s)相對惡劣，在平臺整體運輸過程中，其總質量約1 033.8 t(含海生物等)，相對于駁船甲板而言，其外形總高度約68.2 m(含墊墩高度)、重心高度約32.8 m。采用SACS軟件計算分析發現該平臺整體運輸過程中有超過一半數量的結構桿件的UC值大于1，不滿足規范要求。因此，無法采用整體運輸方案對拆除后的平臺進行運輸。

圖2 潿洲11-4 C平臺整體吊裝SACS計算結果

綜上分析認為，采用整體拆除方案對潿洲11-4 C平臺進行拆除不具備可行性，須采用先拆除組塊后拆除導管架的分體拆除方案[13-14]。在平臺拆除方案設計中，考慮到組塊腿柱原有插尖標高、斜撐標高、導管架工作點標高等，將組塊與導管架之間的切割線選擇在平臺標高EL.(+)9 450 mm處。

3 兩腿組塊拆除方案

根據潿洲11-4 C平臺調研檢測完工報告，該平臺上部組塊整體外觀檢測輕度腐蝕，有部分油漆開裂脫落，所有關鍵節點焊縫均未發現裂紋等異常情況，但在直升機甲板下方的立柱與主梁連接位置存在兩處鋼材腐蝕壁厚減薄的情況。在對該兩腿組塊進行結構分析時，根據其實際壁厚對腐蝕桿件進行了建模，通過對其進行吊裝和運輸分析后發現其所有桿件強度都滿足規范要求，因此該兩腿組塊可以采用整體拆除，不需要再進行分塊拆除。

3.1 組塊吊裝方案

潿洲11-4 C平臺從嚴格意義上講為單層甲板平臺，在組塊的拆除吊裝過程中，若設置的鋼絲繩和吊耳數量較少，極易出現結構大變形和桿件強度不滿足規范要求的情況。因此，在對組塊進行拆除設計時，通過多次試算分析，最終選擇設置6根鋼絲繩的吊裝設計方案(圖3)。

圖3 潿洲11-4 C平臺兩腿組塊吊裝模型

基于節省項目成本及縮短項目工期的考慮，拆除項目所使用的吊索具多是直接利用公司現有庫存資源(簡稱利庫)，本項目組塊吊裝時可利庫的6根鋼絲繩和6個卡環的技術參數如表1所示。

表1 潿洲11-4 C組塊拆除可利庫吊裝索具技術參數

針對組塊吊裝配扣困難的問題，對組塊進行吊耳設計時，須兼顧考慮吊索具實際可利庫情況和配扣計算。若按常規項目設計6個等高吊耳，則表1中有2根鋼絲繩的長度不滿足規范要求，需另外采購，從而影響項目的成本和工期。因此，設計了不等高吊耳的吊裝方案，將吊耳1、2、5和6的高度設計為500 mm，吊耳3、4的高度設計為820、730 mm(圖4)，從而解決了吊索具的利庫和配扣難題，降低了成本并縮短了陸地準備時間。

圖4 潿洲11-4 C平臺兩腿組塊吊裝示意圖

3.2 組塊裝船固定方案

潿洲11-4 C平臺的上部組塊的重心較高、偏心較大，且只有兩腿支撐，同時受駁船運動和風載荷的影響，該兩腿組塊無法在駁船甲板上平穩站立，極易發生傾覆。若采用“墊墩+筋板+斜撐” 的常規組塊裝船固定設計方案[2,15](圖5)，則為了完成組塊裝船固定的焊接工作，需要浮吊長時間對組塊進行吊裝，施工風險較大。即使墊墩與駁船甲板間的筋板2已提前完成焊接固定，海上僅焊接組塊兩腿與墊墩間的筋板1和斜撐也需要20多個小時才能完成。再加上該組塊切割和吊裝的時間，至其裝船固定全部完成，需要至少連續48 h適合吊裝的氣候窗(藍鯨號吊裝限制條件：風速≤16 m/s，浪高≤1.5 m，波浪周期≤5 s)，從而大幅增加了海上施工的船天和作業風險。

圖5 常規組塊裝船固定方案示意圖

針對兩腿組塊在裝船固定時的技術難題，提出了矩陣式雙排布置“墊板+立柱+斜撐”的裝船固定設計方案(圖6)。相對于“墊墩+筋板+斜撐”的常規組塊裝船固定設計方案，該方案存在以下技術優勢：①可節省2個墊墩，并將組塊運輸時的重心降低了1.5 m，減小了組塊在運輸過程中的受力，可節省裝船固定材料；②將裝船固定結構的焊接工作前置，當駁船在碼頭動員時，即可將裝船固定結構與駁船甲板提前焊接固定，在海上只需完成立柱與組塊主梁間6條焊縫的焊接工作，可節省1 d的海上裝船固定時間，節省船舶費用；③當組塊運輸至碼頭后，該矩陣式雙排布置“墊板+立柱+斜撐”的裝船固定結構可連同組塊一起被吊裝上岸，在碼頭拆解時避免了對兩腿組塊重新焊接固定，降低了其在碼頭發生傾覆的風險。

圖6 潿洲11-4 C平臺兩腿組塊裝船固定示意圖

4 兩腿三樁導管架拆除方案

4.1 導管架檢測

在對潿洲11-4 C平臺導管架拆除之前先對其開展了調研檢測，結果見表2。根據表2的檢測結果，通過SACS軟件對該導管架進行建模分析，其所有桿件的吊裝強度和運輸強度都滿足規范要求，因此該導管架可以采用整體拆除，不需要再進行分塊拆除。

表2 潿洲11-4 C平臺導管架檢測結果匯總表

本項目兩腿三樁導管架采用鋼樁內排泥和鋼樁內切割的拆除方法，其鋼樁的切割位置在泥面標高EL.(-)41 200 mm以下4 m處。

4.2 導管架吊裝和運輸方案

針對導管架采用立式還是臥式進行吊裝和運輸(圖7)，可將拆除及吊裝方案分為3種,即方案1：立式吊裝和立式運輸；方案2：立式吊裝和臥式運輸；方案3：臥式吊裝和臥式運輸。對上述3種方案進行了技術比選，分析結果見表3。

圖7 潿洲11-4 C導管架立式和臥式示意圖

方案2雖然存在臥式運輸的各項技術優勢，但需要對導管架在水中或空中完成翻身，這項技術在以往拆除項目中未曾實施過，存在配扣設計復雜和掛扣困難等技術問題(表3)。與方案2存在的技術問題類似，方案3雖然也存在臥式運輸的各項技術優勢，但需要對導管架在水中拖拉放倒，這項技術還不成熟，在以往拆除項目甚至是安裝項目中都未曾實施過，且存在配扣設計困難和需新增吊耳等技術問題。相對而言，方案1的施工技術更成熟，雖然存在導管架立式運輸的多項技術問題，但是通過優化立式導管架的裝船固定設計，相關技術問題可以得到解決，從而使導管架拆除和運輸過程風險可控。因此最終選擇方案1，即對潿洲11-4 C兩腿三樁導管架采用立式吊裝和立式運輸的方案。

表3 潿洲11-4 C平臺導管架拆除方案技術對比

4.3 導管架裝船固定方案

根據以往拆除項目的設計和施工經驗[1-6]，剛拆除后的導管架樁腿存在表面潮濕，還會被海泥或海生物覆蓋，且存在斜撐焊接位置高，須搭設較高腳手架等影響因素，所以在對導管架進行裝船固定設計時一般不使用斜撐，通常只采用“墊墩+筋板”的設計方案。

兩腿三樁導管架在進行立式運輸時，無論將導管架在駁船甲板上如何擺放，都會存在駁船中線某一側只有1根鋼樁的情況，造成單根鋼樁受力相對較大，使得兩腿三樁導管架的裝船固定面臨很大困難。經試算分析，若采用“墊墩+筋板”的裝船固定設計方案，墊墩本身強度和駁船甲板局部強度均不滿足規范要求，因此須將墊墩(長4.0 m、寬2.5 m、高1.5 m)更換為滑靴(長10.0 m、寬2.5 m、高1.5 m)，即對該兩腿三樁導管架采用“滑靴+筋板”的裝船固定設計方案。

兩腿三樁導管架在立式運輸時，受駁船橫搖和風載荷的影響，B1、B2腿應分別布置在駁船中線的兩側，它們所用滑靴的縱向應垂直于駁船中線，且滑靴還應布置在駁船橫艙壁的正上方；同時，受駁船縱搖和風載荷的影響，A3腿所用滑靴的縱向應平行于駁船中線，且滑靴應布置在駁船縱艙壁的正上方(圖8)。

圖8 潿洲11-4 C平臺兩根三樁導管架裝船固定示意圖

5 現場實施效果

按照上述兩腿三樁平臺分體拆除設計方案，于2018年10月對潿洲11-4 C平臺實施了海上拆除作業(圖9)。拆除方案整體實施過程相對順利，只是在對兩腿組塊進行裝船固定時，由于事先未在兩腿根部設計限位結構，導致將其往駁船甲板的設計位置擺放時出現就位困難。現場施工人員臨時用十字筋板制作了2個約半米高的倒插尖并焊在駁船甲板的設計位置處，最終實現了對該兩腿組塊裝船固定的精確就位。在不考慮拆除前對平臺水上、水下結構的檢測作業時間和施工準備時間的前提下，該拆除項目僅用了7 d就完成了兩腿組塊和三樁導管架在海上的吊裝作業和裝船固定作業，比原計劃提前了1 d。

圖9 潿洲11-4 C平臺拆除現場

6 結論及建議

1)由于南海海域海況相對惡劣，雖然潿洲11-4 C兩腿三樁導管架平臺總質量僅約1 033.8 t(含海生物等)，但由于其整體運輸過程中外形總高度和重心高度均較大，其整體運輸強度不滿足規范要求，因此對該平臺采用了組塊與導管架分體拆除方案。

2)針對兩腿組塊的拆除，通過設計不等高吊耳，解決了組塊在拆除吊裝時利庫吊索具的配扣難題，節省了吊索具采購費用，縮短了陸地準備工期；并針對兩腿組塊在裝船固定和運輸過程中極易傾覆的特點，通過矩陣式雙排布置“墊板+立柱+斜撐”的裝船固定設計，有效縮短了裝船固定工期，降低了兩腿組塊在裝船固定和運輸過程中發生傾覆的風險。

3)針對兩腿三樁導管架的拆除，通過對該導管架吊裝和運輸過程中3種組合方案的對比分析，最終選擇了施工技術更成熟的立式吊裝和立式運輸的拆除方案；并摒棄了常規的“墊墩+筋板”的裝船固定設計方案，而采用“滑靴+筋板”的方案，解決了兩腿三樁導管架在立式運輸過程中單根樁腿受力過大的技術難題。

4)通過對40多米水深的兩腿三樁導管架拆除方案研究可知，對于更深水深的大型導管架采用立式運輸方案的可行性不大，相對而言導管架拆除后采用臥式運輸方案則更具有技術可行性，因此建議今后重點研究導管架在水中放倒技術、導管架在水中或空中翻身技術、導管架臥式裝船固定技術等，為更深水導管架的拆除做好技術儲備。