適用于導管架拆除的新型通用吊裝卡具分析

杜 穎,韓敬艷,劉建峰,武斌斌,李曉明

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

0 引 言

廢棄海洋結構物的拆除將成為一個產業，并形成海洋工程的一個新業務。陳舊生產設施的處理比起初設計和建造它們更具有挑戰性，并且受到經濟、技術、安全、環境保護等多種因素的制約，是一項極具危險性的工程，不能簡單將其視為安裝過程的逆向操作。

如何選擇合理的拆除方案，需要根據導管架本身的特點、所在海域的實際情況、作業的可能性、相關規范和環境保護的要求，做出詳盡的拆除方案，以便花費較少的費用、更好地減少污染、順利完成拆除任務[1-2]。目前，關于導管架平臺拆除方法的研究越來越多，有很多創新的方法如背拉法、雙船浮托法[3-7]。我國已成功自主拆除完成的導管架平臺有曹妃甸1-6導管架[8]、錦州21-1WHPA平臺/錦州20-2SW平臺[9]、曹妃甸舊單點[10]、埕北油田儲罐及導管架帽[11]、渤中25-1油田明珠號單點[12]、潿洲11-4C平臺導管架[13]和泰國灣CEC公司的SKL-C油田的2座平臺等。上述平臺和導管架涵蓋渤海、南海和泰國灣等海域，拆除方式無一例外均為導管架焊接吊點整體吊裝拆除。由此可見，吊裝拆除依然是目前的主流拆除方式。

根據調研，目前即將退役的導管架大多是吊裝安裝的，在安裝時通常只考慮導管架自重，而在拆除該導管架時需要考慮結構自重、樁自重、抗拔力、防塵板吸附力、泥重、海生物重量和浮力等。以拆除渤中25-1油田明珠號單點為例，其安裝重量為310 t，而拆除時其最大吊重為離底瞬間的670 t。因此，在拆除導管架時原吊點的承載力基本無法滿足要求。常規做法是改造或重新焊接吊點。如果原吊點在水下則不具備改造的可能性，只能重新預制。常規焊接吊點的方式只能在潮差帶焊接吊點，且對天氣要求高、工期長、費用高、風險也高。針對此問題和對臨近服役期導管架形式的分析，本文研究一種新型通用吊裝卡具，本體在陸地預制無須水下焊接，可用于替代拆除導管架時需要焊接的吊點，且該卡具可反復使用。

本文詳細分析如何利用新型通用吊裝卡具進行導管架拆除，并對其經濟性和適用性進行分析。

1 技術現狀及特點

廢棄導管架的拆除是整個平臺生命周期的最后階段，對于平臺所有人來說不產生效益，因此在成本方面需盡可能地降低。國內對于廢棄導管架拆除的吊裝部分，主要采用導管架腿焊吊點的方式。具體施工步驟及特點如下：(1)在導管架潮差段指定位置搭設腳手架；(2)施工人員在吊點焊接位置清理海生物，打磨除銹；(3)焊接吊點，并進行檢驗，返工不合格的焊道；(4)在導管架吊裝施工前，將吊鉤的鋼絲繩連接到吊點上，從而進行導管架吊裝作業。

傳統形式焊接吊點的弊端如下：(1)施工位置在潮差段，對作業天氣要求嚴格；(2)腳手架在搭設拆除及施工過程中存在被海浪破壞的可能，易致人員落海和工機具設備損壞的風險；(3)施工人員在打磨焊接檢驗的過程中同樣存在人員落海及觸電的安全風險；(4)工作量大、施工周期長、費用昂貴。

導管架服役期一般為20 a，大多數渤海海域的導管架即將進入退役期，加之泰國灣及英國北海等國際市場的開拓，未來拆除市場前景廣闊。針對多個相同的導管架需要拆除的項目，所設計的新型通用吊裝卡具可實現一組卡具完成多次吊裝，從而避免每個導管架焊接吊點的問題。

2 新型通用吊裝卡具形式

2.1 吊裝卡具形式

為拆除導管架設計的新型通用吊裝卡具主要由主管、支撐管、托板、水平撐、吊點等組成，如圖1所示。在待拆除的導管架起吊之前，可提前在導管架上安裝該卡具。即主管包裹在導管架腿柱的主腿上通過螺栓鎖緊，支撐管上的托板支撐導管架上的水平撐。在海上施工時可直接吊裝卡具水平撐上的吊點。導管架吊裝就位后將該卡具拆卸，后續可反復使用。新型吊裝卡具參數如下：(1)卡具主腿內徑及壁厚為Ф1 366 mm×60 mm(可根據導管架管徑尺寸進行調整)；(2)卡具主腿高度為2 300 mm；(3)支管(含斜撐和水平管)內徑及壁厚為Ф400 mm×50 mm，其中，斜撐管長度為1 554 mm，水平管長度為976 mm；(4)托板內徑及壁厚為Ф750 mm×25 mm，長度為666 mm(可根據導管架橫撐尺寸進行調整)；(5)卡具的材質為船用結構鋼D36，屈服強度為35.5 kN/cm2。

圖1 新型吊裝卡具形式

2.2 設計可行性

2.2.1 目標導管架確定

為驗證新型吊裝卡具的可行性，制定2種方案選擇不同類型導管架分別進行驗證。具體導管架參數如表1所示。

表1 目標導管架參數

為驗證新型吊裝卡具的適用性，選取不同重量的2種導管架?？ň叩倪m用性分析包含2個方面：一是卡具本身是否適合目標導管架；二是目標導管架是否具備使用卡具的強度條件。兩者強度均須滿足要求。因此，此次驗證也是從上述2個方面進行。

在導管架實際拆除過程中最危險的吊裝工況為離底瞬間，離底瞬間含自重、浮力、防塵板的吸附力、樁腿的抗拔力、海生物的重量等外力。因此，卡具強度的驗證都以此工況為考量。需要通過SACS軟件整體計算吊裝，得到需要安裝卡具位置的節點應力和節點位移的具體數值，為后續有限元局部計算提供數據支持。圖2為導管架整體計算模型。

圖2 導管架整體計算模型

2.2.2 新型吊裝卡具強度驗證

使用有限元分析軟件Ansys分別對卡具在托板承受導管架重量和吊點承受吊繩力兩種工況下進行強度校核[14]。

工況1：忽略卡具與導管架的摩擦力，認為托板單獨承受導管架的吊重，并認為托板承受的力為均布力。工況2：吊點單獨承受所有的吊繩力，在卡具吊點處建立PILOT點，模擬卡環與吊點的接觸。

對于方案1，經計算可知：工況1節點的最大應力為475.0 MPa，工況2節點的最大應力為518.5 MPa，均大于許用應力284.0 MPa，且大面積超出許用應力，影響了整體強度。該新型卡具不能用于吊裝該重量類型的導管架，導管架平臺可采用分段切割吊裝的方法進行拆除。

對于方案2，經計算可知：工況1節點的最大應力為192.0 MPa，工況2節點的最大應力為209.0 MPa，均小于許用應力284.0 MPa，滿足整體強度要求。圖3和圖4分別為方案1和方案2的Ansys 計算模型及結果。

圖3 方案1 Ansys 計算模型及結果

圖4 方案2 Ansys 計算模型及結果

2.2.3 導管架強度驗證

由于新型吊裝卡具不能承受方案1的應力強度，因此不再對其進行下一步校核。新型吊裝卡具可承重吊裝方案2的BZ25-1明珠號單點導管架，但該導管架本身的局部強度是否能滿足要求，需進一步計算。依然采用Ansys軟件對其進行局部強度校核。圖5為BZ25-1明珠號單點導管架應用卡具局部計算模型及結果。

圖5 BZ25-1明珠號單點導管架應用卡具局部計算模型及結果

經計算，在使用新型卡具進行吊裝時，導管架最大應力為238.8 MPa，小于許用應力284.0 MPa，滿足強度要求。在確定使用新型卡具吊裝BZ25-1明珠號單點導管架時，該導管架自身強度可滿足要求。接著進一步求證使用鋼絲繩進行綁扎的方式是否可行，是否可直接采用綁扎方式更為便利地進行吊裝。圖6為BZ25-1明珠號單點導管架綁扎式局部計算模型及結果。

圖6 BZ25-1明珠號單點導管架綁扎式局部計算模型及結果

經計算，在使用綁扎方式進行吊裝時，導管架最大應力為320.4 MPa，大于許用應力284.0 MPa，且面積較大，無法滿足強度要求。因此，該方式不可行。

2.2.4 新型吊裝卡具形式總結

通過上述2種方案的對比可看出，新型吊裝卡具并不適用于大型導管架，只適用于小型導管架的吊裝，同時要求用于吊裝的導管架自身強度滿足吊裝要求。但在安裝卡具時一般需要水下掛扣。在進行導管架拆除方案的選擇時，是直接焊接吊點還是使用吊裝卡具，需要進行經濟性對比后才能決定合理有效的方案。

2.3 卡具安裝工作量及費用對比

為考量新型吊裝卡具的經濟性，將安裝吊點的工作量、費用與使用新型吊裝卡具進行拆除吊裝的方法進行對比，如表2和表3所示。

表2 單個導管架拆除經濟性對比(陸地施工費用)

表3 單個導管架拆除經濟性對比(海上施工費用)

由表2和表3可知，單個導管架拆除陸地+海上施工安裝吊點累計費用為76.2萬元，新型吊裝卡具累計費用為165.0萬元，使用新型吊裝卡具比安裝吊點的費用增加約88.8萬元。

當批量拆除同類型導管架時，其與常規方案的經濟效益對比如表4所示。

由表4可知，當同類型導管架個數大于3個時，新型吊裝卡具的經濟效益開始凸顯。由于新型卡具具有反復使用的特點，拆除同類型導管架個數越多，經濟優勢越明顯。

3 結 論

研究導管架拆除新型吊裝卡具，得到如下結論：

(1)新型吊裝卡具適用于重量較輕(400 t以內)的導管架，尤其適用于以下情況：①待拆除導管架新增吊點需要在潮差帶焊接；②待拆除導管架在水下無法焊接吊點；③多個待拆除導管架的腿柱外徑與水平撐外徑相近或相同；④多個待拆除導管架重量相近。

(2)新型吊裝卡具與傳統的安裝吊點方式相比有如下特點：①新型吊裝卡具的安裝無須搭設腳手架，可在海上利用浮式起重機直接施工，減少對天氣窗口的要求；②由于新型吊裝卡具在陸地制作，可在海上直接安裝，省去清理海生物、打磨除銹、焊接吊點等工序；③風險小，施工人員工作量小，海上施工周期短、費用低；④有效解決水下無法焊接吊點的難題。

(3)不同導管架所適配的卡具尺寸略有不同。在使用卡具時需要對導管架自身強度進行校核。

(4)新型吊裝卡具從經濟性考慮適用于拆除多個同類型導管架，建議在同類型導管架數量大于3個時使用，或反復使用同一卡具(可進行局部改造)大于2次時，也比每次重新焊接吊點更經濟實用。