特異型海上結構物拆除后運輸固定設計分析

韓敬艷,劉建峰,李曉明,趙強,周健

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

隨著現役海上平臺等結構物陸續到了服役年限,海上結構物拆除的需求越來越多,已逐步產業化。從2011—2022年海洋石油工程股份有限公司完成了多海域的多個海洋結構物拆除。包括渤海的曹妃甸1-6導管架、錦州21-1WHPA平臺、渤中25-1油田明珠號單點、埕北油田儲罐和導管架帽拆除,南海的潿洲11-4C平臺整裝拆除,泰國灣的泰國雪佛龍平臺拆除、泰國CEC 2個平臺拆除等工程項目[1-2]。上述拆除項目不僅水深、海域不同而且拆除物的型式特點也各不相同。項目中既有常規的四腿平臺,又有特異型結構如兩腿三樁的非對稱平臺、易“脫樁”的直腿平臺(無皇冠板連接、無灌漿樁腿容易脫落)、易燃易爆的大型儲罐等。拆除項目中特異型結構的海上運輸風險高,且沒有相關的工程經驗可以借鑒。為此,對拆除的特異型結構的海上運輸方法進行分析和設計,這些方法已在工程中進行了成功的應用,為今后的海上拆除項目提供參考。

1 運輸固定設計流程

海上油氣平臺棄置拆除項目設計是一個系統的設計,從吊裝設計、運輸固定設計到錨泊穩性設計、卸船設計等環環相扣,相互影響,相互制約[3]。裝船固定設計在整個設計系統中起著承上啟下的關鍵作用。

運輸裝船固定的方式和駁船上的擺放位置直接影響運輸分析和穩性分析,其中運輸計算和穩性計算的結果將作為運輸固定計算的基礎數據。運輸固定設計不能局限于固定設計一個環節,需與其他環節共同設計,相互制約。如拆除后的異型結構物的運輸固定設計方案,與拆除后結構物的裝船方式(如吊裝、浮托等)、裝/卸船順序、卸船方案(吊裝、SPMT小車、拖拉卸船等)密切相關,見圖1。

圖1 運輸固定設計流程

2 拆除項目運輸固定的特點

安裝項目都是新結構物,其結構形式、結構強度、重量重心都是確定的,且運輸裝船固定工作是在陸地進行。而待拆除結構物具備如下特點。

1)待拆除結構物自身可能會出現裂紋、凹坑、腐蝕等缺陷。

2)經過多年的服役尤其是導管架上已附著大量的海生物、泥、水,不利于現場施工。

3)運輸裝船固定在海上完成具有施工條件受限,作業窗口期短的特點。

4)新結構物運輸時是不含樁的,拆除時樁從在泥面下4 m進行切除,運輸時導管架腿中含有樁,尤其是直腿導管架如果直立運輸,避免脫樁問題是個難題。

5)關于穩性差的結構物運輸,安裝時在陸地可以通過加斜撐來解決,但拆除時施工在海上,安裝斜撐的施工難度非常高,原則上需要避免。

6)運輸固定時需要兼顧卸船方案,好的運輸固定方案可以讓卸船方案有多種選擇,如吊裝、滾裝、SPMT小車等。

3 拆除項目運輸固定設計的方法

海上油氣平臺拆除是一門新的工程技術,其內容復雜而多元化,其涵蓋的學科涉及到環境科學、固體力學、流體力學等多學科。其設計不能簡單的看成安裝的逆過程,需要根據拆除項目的特點制定專用的設計方法。

3.1 國際認可的筋板計算法

運輸固定最常用的方法是通過筋板進行連接,如墊墩和駁船連接、墊墩和抬梁連接、抬梁和樁腿連接等,見圖2。因此,筋板的計算法是整個運輸固定中最重要的計算方法。

圖2 筋板常見連接形式

國內常規做法是分別計算單板的壓應力、水平剪應力、垂直剪應力、彎曲應力。這種常規做法被國際第三方認為不夠安全。根據第三方要求,只有上下對線(即連接板的下方必須有對應位置的支撐板)的支撐才為有效支撐,其余為無效支撐國外安裝項目筋板通用形式是在筋板尾部進行T型加強。計算時認為連接的筋板4個方向中,只有一半數量的筋板起到支撐作用,每塊筋板只需計算自身的彎曲應力和水平剪切應力及整體的彎曲應力。這種計算方式和筋板形式使得計算結果過于保守、復雜。根據拆除項目的特點,開發了整體計算法,即利用整體截面慣性矩進行計算。考慮到筋板進行T型加強是為了避免筋板在運輸中發生屈曲。故利用有限元軟件輔助進行筋板的屈曲校核,證明筋板板厚不變的情況下,不進行T型加強依然安全。此方法被國際第三方認可,避免了在筋板尾部進行T型加強。具體詳見表1筋板計算法比對。

表1 筋板計算法比對

新算法和傳統算法相比,增加了有限元的屈曲計算,計算結果更加精準,避免斜撐的使用,同類型的筋板都減少了T型加強。僅泰國拆除項目一個平臺的組塊就節省了174塊筋板的T型加強,該項目共計4個平臺組塊,有效節約鋼材量10 t、節省海外海上焊接工作量節省船天2 d,累計節約成本約50萬元。

3.2 駁船局部強度計算法

駁船局部強度傳統做法通過有限元軟件將墊墩和駁船進行建模計算,國內CCS入級船舶校核標準為《鋼質海船入級規范》,而在國際上租用的船舶,則需要遵守國際計算規則,校核標準參考船舶入級船級社規范和國際第三方的要求。

泰國雪佛龍拆除項目中,租用的是泰國當地的駁船。國外第三方要求駁船校核使用的標準是DNVGL-ST-N001。在駁船強度校核的時候則需要將駁船、墊墩和筋板都進行建模,完全模擬駁船運輸結構物的過程。計算在升沉、橫搖、縱搖各種工況綜合影響的條件下,駁船的受力情況。該方式的計算工況遠多于常規項目。同時國外第三方對于駁船計算的邊界條件和加載也與常規方法不同：常規計算時駁船底部全固定,國外項目要求駁船兩端剛性固定,底面加載水壓。通過比對,不同邊界條件對計算結果的影響并不大,但兩端固定加水壓的方式更嚴謹更精確。詳見表2。

表2 駁船局部強度算法比對

3.3 動態設計法

海上結構物安裝時是可以在碼頭進行墊墩等布置,待新結構物就位后進行一次性調載后可直接安全運輸至目標海域。但拆除項目的運輸固定工作在海上,當拆除物為異型結構物或多件結構物陸續拆除時,駁船上的布局設計必須為動態的(不能一次布置到位)。

曹妃甸單點舊設施拆除項目中需要先后拆除YOKE和基盤2個結構物。拆除YOKE時由于其內部水泥壓載的原因,重量分布不均對駁船局部承載力要求很高,根據方案在駁船上吊機不能摘鉤,輔助YOKE分解切割,切割后需要將YOKE臂重新在駁船上二次布局,從而緩解駁船局部承載力。原整體結構布置的墊墩要用于拆除后的基盤運輸,現場采用動態設計,利用隨后拆除的基盤排泥的時間差,有效分解YOKE。實現了一條駁船一次運輸,解決了空間受限和駁船壓力問題。

4 拆除特異型結構運輸固定方法

4.1 易脫樁導管架運輸固定法

安裝導管架進行運輸時不含樁,而拆除導管架根據法規要求樁從泥面以下4 m進行切割。拆除后的導管架運輸時則需要考慮樁的受力。國內常規導管架是雙向傾斜的,無需考慮脫樁的風險。國際上直腿導管架很常見,不論吊裝還是運輸都需要進行特殊設計。

如泰國CEC項目中拆除的導管架為直腿樁,且鋼樁和導管架腿之間沒有皇冠板等連接,內部灌漿已破損,在運輸中有脫樁風險,為此提出以下3種方案。

方案一。墊墩支撐鋼樁,鋼樁底部焊筋板。若采用上述固定方式,由于受力方向變化,吊裝時安裝的防滑脫裝置不再起作用。就需要額外焊接筋板,把鋼樁和導管架腿連在一起,海上焊接工作量大,需長時間占用浮吊資源,為方便卸船需要額外增加抬梁。見圖3。

圖3 方案一示意

方案二。把導管架腿直接落在墊墩上僅對導管架腿焊接筋板,需要對鋼樁進行二次切割。由于其導管架腿底部的特殊形式,需要進入導管架腿底部特殊結構里面切割鋼樁,難度太大。見圖4。

圖4 方案二示意

方案三。若是在特殊結構上面切,就需要先切導管架腿,剝掉水泥,切鋼樁,工序復雜,費時費力,切割水平度要求也比較高。見圖5。

圖5 方案三示意

上述3種技術方案存在以下不足：①海上焊接工作量大,需長時間占用浮吊資源;②支撐位置只能為樁腿,局限性大;③在運輸過程中,易脫樁導管架存在脫樁風險,一旦脫樁后果不堪設想;④卸船方案只能使用吊裝方式,局限性很大,成本比較高。

對CEC項目從另一個角度設計適用于易脫樁導管架的運輸固定形式,見圖6,摒棄傳統支撐樁腿的方式,改為支撐水平撐。首先做支撐板撐水平撐解決豎向受力問題,加內弧板焊接在水平撐上,外弧板連接水平撐和支撐板,解決運輸中橫搖和縱搖力的問題,避免了使用斜撐。導管架放在新型墊墩上面后可實現快速摘鉤,固定弧板可以摘鉤后焊接。海上工作量僅為焊接弧板,施工量少,整體高度低運輸安全。同時新裝置可滿足“小車”(SPMT)、吊裝等多種卸船方式,節省了海外抬梁的租賃費用。

圖6 易脫樁導管架裝船固定結構[4]

4.2 含易燃易爆殘留物的異型結構運輸固定法

海上油氣平臺的拆除有安裝中不存在的風險、難度和環保要求,比原設計、建造、安裝時更具有挑戰性,是涉及許多技術領域的綜合性系統工程。一些老舊平臺在長期運營過程中可能出現銹蝕、損壞,就好像面臨拆遷的危房,不確定性導致風險很高。

2016年埕北儲罐拆除項目啟動之前,其中一個儲罐就曾發生爆燃。該項目儲罐內有易燃易爆殘留物不能焊接動火,儲罐外部已腐蝕,且與底甲板無連接固定。常規的筋板焊接法風險極高。第一方案是采用斜支撐的方式,但斜撐占用空大,同時拆除的3個儲罐和導管架帽已經占滿了駁船的空間,如果使用斜撐一船運輸將變為兩船增加運輸成本,只能放棄斜支撐和筋板焊接法。第二方案是采用非焊接的壓板法,則需要嚴密的計算作為數據支持。分別使用SACS軟件和ANSYS軟件進行了雙重數值模擬,還與手算進行了相互印證,在第三方的認可下采用了無需與罐壁焊接的壓板,也解決了罐壁不能動火的問題。

4.3 穩定性差的組塊運輸固定法

目前的海洋平臺基本上都是對稱設計的如4腿、8腿等導管架組塊,對稱型的組塊在運輸布置上平穩性更高,船舶受力比較均勻。但在海洋平臺發展初期,受條件所限會設計出非常規的形式如兩腿三樁的海洋平臺。

2018年拆除的南海首例潿洲11-4C平臺為2腿組塊,如果采用常規的(在2腿主立柱下方墊上墊墩并焊接筋板和斜撐)運輸固定設計方案,則其在運輸固定過程中,由于重心過高、單側受力過大等,極易發生傾覆的風險。單純的使用墊墩+筋板的方式已無法滿足要求。如果配合斜撐的使用,該斜撐焊接需要在海上進行,施工難度高、時間久。

拆除項目中創新性地采用陣列式雙排[5]運輸固定結構(6根立柱+24根小斜撐)。這種布置方式無需等到海上施工,可提前在陸地進行布置減少海上施工時間1個船天,也降低施工難度。新形式降低了整體重心高度約1.5 m,降低傾覆風險。而且該結構可連同組塊一起被吊裝上岸,從而節省了組塊在碼頭上的固定,并降低了組塊在碼頭發生傾覆的風險。該結構已申請實用新型專利《一種帶有固定結構的兩腿組塊》[6]。

4.4 異型設備在非鋼質甲板上的運輸固定法

運輸船舶的常見甲板形式分為鋼質甲板和木質甲板,不同材質的甲板,運輸設計的思路截然不同。鋼質甲板只要避開油艙上方、人孔等,其余區域均可焊接固定。鋼質甲板的運輸駁船甲板承載力普遍比較強,大型結構物固定時需要考慮將其布置在主倉壁、主梁上方,同時布置的筋板下方需要梁進行對應,即上文提到的有效支撐(圖3)。在滿足設計強度的前提下,筋板的設計尺寸偏大,個數相對較少。木質甲板大面積區域不滿足焊接條件且甲板承載力弱。故木質甲板常用于運輸集中承載力小的設備。運輸設計更關注可焊接的位置、允許擺放的空間。通過制作底座或增加枕木等方式加大接觸面積增加摩擦力、均布承載力。

如鍋爐改造項目鍋爐本體配備的是3個鞍座,本體重量是60 t,運輸船舶是濱海268木甲板。每隔2.4 m木質甲板之間會有用于安裝木甲板的T型梁,且左舷側有H型鋼。設備固定時可以利用該T型梁,筋板尺寸需要配合T型梁尺寸相對小,以免焊接后應力集中破壞T型梁。如果直接將鞍座放置于木甲板上,一是鞍座尺寸不能滿足固定條件,二是鍋爐的集中荷載遠大于甲板承載力。經過現場實地測繪,設計了一款專用底座,滿足吊裝和運輸的需求。底座型鋼分內外兩層,內層型鋼用于固定鍋爐鞍座,外層型鋼用于固定底座和船甲板。

5 結論

1)目前海上結構物的拆除尚沒有專用的推薦作法、設計指南可以指導設計,10多年來拆除項目運用的算法和技術都是以安裝技術為基礎,須結合待拆除結構物的實際情況,進行技術應用擴展和創新。

2)文中總結的運輸固定的3種設計法：筋板計算法、駁船局部強度設計法、動態設計法,是從10余個國內和國際項目中總結,得到過CCS、LOC、DNV等國內外第三方的認可,是特異型海上結構物拆除運輸固定設計的基礎。實際項目中應該根據待拆除結構物的特點,合理選擇設計法。

3)特異型海上結構物主要是指區別于常規的導管架和平臺組塊。重點介紹的4種結構,只是提供一種設計思路,可對其進行擴展應用。如：易脫樁的固定結構也可應用于柱形結構的運輸,如FPSO拆除中YOKE的運輸固定;易燃易爆儲罐的固定方式,可應用于不能進行焊接加固的設備運輸;穩性差的結構的固定方式,必要時可以替代斜撐的使用。

4)隨著平臺服役年限的增加,越來越多的海上結構物亟需拆除。目前已拆除的結構物所處水深比較淺,且拆除方法均為吊裝,尚未涉及到固定、翻身的問題。今后將會拆除深水導管架和浮托法安裝的組塊,此時的運輸固定方法將面臨新的難題。采用動態設計法是需要遵守的原則,不同工況的固定方法需要及時調整。