泰国湾固定式海洋平台组块拆除关键技术

刘建峰，杜颖，王彦多，韩敬艳，赵强，周建

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

泰国平台拆除项目(以下简称泰国项目)是海洋石油工程股份有限公司承揽的首项海外平台拆除项目，主要工作是完成4座固定式海洋平台(YAWA、JKWB、FUWL和FUWM)上部组块的海上拆除。这4座平台所在油田位于泰国湾，平均水深70 m，属于典型的固定式海洋平台上部组块。其中，YAWA组块是3腿2层组块，设计重量约为226 t；JKWB、FUWL和FUWM组块都是4腿的两层组块，设计重量分别约为585、433、435 t。虽然海洋石油工程股份有限公司在国内已先后完成了导管架[1-3]、组块、旧单点[4]、储罐，以及导管架帽[5]等多个海洋结构物拆除项目，积累了较为丰富的拆除经验，但是相对于国内的拆除项目而言，泰国项目存在以下几方面的技术困难：①与业主雪佛龙公司和第三方LOC(伦敦海事咨询有限公司)都是首次技术合作，双方在规范使用、设计理念、计算方法和习惯做法等方面，存在较多差异；②首次在泰国湾拆除作业，对该海域海况特点了解较少，风险识别难度大；③受项目工期和成本等因素的影响，协调国内施工资源困难，且当地可供选择的施工资源有限。为此，开展泰国湾固定式海洋平台组块拆除设计中吊装、运输、装船固定、稳性和系泊等关键技术分析。

1 组块吊装分析新算法

目前，在国外项目中常见的组块吊装分析算法有：分配力法、分配力系数法和吊绳强制位移法等[6-7]。

针对组块吊装分析，与国外项目采用各种相对复杂的算法不同，国内常规项目采用的传统算法是依据API RP 2A规范要求：对于开敞暴露海域进行吊装，直接与吊点相连的杆件应力校核时应考虑不小于2.0倍的动力放大系数，其他所有杆件应力校核时应考虑不小于1.35倍的动力放大系数；对于遮蔽海域进行吊装，直接与吊点相连的杆件应力校核时应考虑不小于1.5倍的动力放大系数，其他所有杆件应力校核时应考虑不小于1.15倍的动力放大系数。

在国内传统算法中，针对组块整体重心的模拟，考虑对实际重心位置估算的偏差，相对于组块整体吊装模型中的理论重心位置，其实际重心位置在水平面内会出现一定量的偏移。在重心偏移问题上，国内传统算法基于如下假定：如图1b)所示，相对于组块整体吊装的理论重心位置(COG)O点，沿X轴偏移量ex分别取±0.5 m和沿Y轴偏移量ey分别取±0.5 m，形成以点1～4为4个角点的正方形包络线，组块整体吊装的实际重心位置不超过该正方形包络线。在进行组块吊装工况选择时，除了选择重心在理论重心位置的工况外，还分别选择了重心偏移到4个角点上的4种危险工况[8]。

图1 传统算法中组块吊装示意

此外，在国内传统算法中，针对组块整体吊装时浮吊吊钩位置和吊绳的模拟，如图1a)所示，只模拟1个吊钩位置和1组吊绳的情况，仅认为吊钩位置只存在于理论重心位置O点的正上方。

与国内常规项目传统算法不同，泰国项目在进行组块拆除设计时，虽然该项目4座组块中最重的设计重量是585 t，但是业主和第三方都要求采用相对复杂的新算法进行组块吊装分析。相比较国内传统算法而言，新算法主要存在以下区别：①如图1b)所示，在考虑重心偏移时，将重心沿X轴偏移量ex分别取±1.0 m和沿Y轴偏移量ey分别取±1.0 m；②如图2所示，针对组块整体吊装时浮吊吊钩位置和吊绳的模拟，共模拟5个吊钩位置和5组吊绳的情况，而这5个吊钩位置分别设置在图1b)中点0～4正上方的同一平面内。

图2 组块吊装分析新算法示意

相对于国内传统算法，该项目的新算法在考虑实际重心偏移时，将图1b)中正方形包络线的边长由1 m扩大到2 m，使得组块各杆件应力强度更不容易满足规范要求。另外，新算法通过设置5个吊钩位置和5组吊绳，可以有效模拟因吊绳制造误差或配扣偏差而存在每根吊绳实际长度与其理论长度不一致的工况，还可以有效解决国内传统算法计算结果中位移偏大的问题。

2 运输分析中垫墩的模拟

国内常规项目在详细设计阶段对组块进行运输分析时，由于抬梁、垫墩(或滑靴)等施工资源未最终确定，再考虑到垫墩的截面形式和外形尺寸对组块自身运输分析计算结果影响较小，垫墩的结构强度不是详细设计阶段考虑的重点，因此通常采用两种模拟方式：①在组块运输模型中不考虑垫墩进行模拟，仅在组块和驳船整体摇摆中心设定时考虑垫墩高度；②仅在组块运输模型中模拟垫墩高度，而对其详细的截面形式不做精细化模拟，多采用与其相连的组块各主腿截面形式(圆管)来简单替代。在安装设计阶段和拆除设计阶段进行组块运输分析时，针对垫墩截面形式的模拟，也多采用上述第二种模拟方式，不进行精细化模拟。

组块运输分析计算结果中垫墩底端的最大支反力，不但影响着垫墩自身强度校核、驳船甲板强度校核，也影响着装船固定筋板的强度校核，因此在组块运输分析中对垫墩截面进行精细化模拟很有必要。分析泰国项目组块拆除设计方案发现，对垫墩横截面采用不同的截面形式进行模拟，垫墩底端支反力的计算结果存在一定差异。以本项目FUWL组块为例，其运输分析SACS模型见图3a)。该组块实际拆除过程中的垫墩长2.8 m、宽2.0 m、高1.3 m、重9.1 t，见图3b)；其典型截面(水平剖面)是由纵向3片和横向6片25 mm厚的钢板相互垂直拼接而成，见图3c)。通过在SACS模型中修改垫墩杆件的截面形式和等效密度，分别把垫墩截面模拟成圆管(图4a))、箱型(见图4b))、三腹板(见图4c))、长方形(见图4d))，其中圆管的直径和壁厚与A1腿柱相同，箱型、三腹板和长方形的长宽都与垫墩的长宽相同。通过对上述4种垫墩截面模拟形式进行组成运输分析，得到该组块A1腿处垫墩底端(模型中的固支节点)最大支反力计算结果，见表1。

图3 FUWL组块运输模型及垫墩示意

图4 垫墩截面形式模拟示意(单位：mm)

由表1可见，对于同一垫墩，当采用不同的截面形式进行模拟时，其底端支反力的计算结果不同。整体来看，采用箱型、三腹板和长方形来模拟垫墩截面，在整体坐标系下的6个自由度上的最大支反力都较为接近，最大相差不超过1%。与常规做法中采用圆管截面模拟垫墩的计算结果相比，采用箱型、三腹板和长方形截面模拟垫墩的计算结果，在FZ方向上受力较小，减小了约13%；但是，在其余5个自由度上受力都较大，其中，在FX方向上增大了约11%，在FY方向上增大了约14%，在MX方向上增大了约24%，在MY方向上增大了约83%，在MZ方向上增大了约4%。因此，在组块运输分析中，结合垫墩本身的截面形式、外形尺寸和结构特点，相对于以往采用圆管来模拟垫墩而言，采用箱型、三腹板或长方形截面来模拟垫墩更为合理。

表1 不同截面形式下FUWL组块A1腿处垫墩底端最大支反力

3 装船固定分析

3.1 筋板校核的新算法

由于泰国项目组块在码头采用SPMT小车滚装卸船的施工方案，对组块在驳船甲板上进行装船固定时需要使用抬梁和垫墩，而在组块腿柱与抬梁之间、抬梁与垫墩之间、以及垫墩与驳船甲板之间都需要采用筋板固定，见图5。因此需要设计校核的筋板不但数量多而且种类多，给装船固定设计带来不小的技术挑战。此外，与国内常规项目相比，本项目的业主和第三方在筋板校核的计算方法和设计理念上有很大的不同，见表2。

图5 组块装船固定示意

表2 国内常规项目与泰国项目装船固定筋板校核算法对比

由表2可知，在组块装船固定设计中针对筋板校核时，国内常规项目的算法一般包括竖直压应力、竖直拉应力、竖直剪应力、水平剪应力和整体弯应力的校核，不考虑局部弯应力和屈曲应力的校核；而泰国项目则不考虑竖直压应力、竖直拉应力和竖直剪应力的校核，重点考虑水平剪应力、整体弯应力、局部弯应力和屈曲应力的校核。

除了表2中能直观看出泰国项目与国内常规项目在计算项上的差别外，两者在一些具体项上的计算方法也有比较大的差异。例如，某垫墩在驳船甲板上由筋板固定的俯视示意见图6，假设垫墩上表面(长方形)的4个角分别为A、B、C、D，在AD侧面和BC侧面上各有3块筋板，在AB侧面和CD侧面上各有4块筋板，FX为沿0°方向作用在垫墩底端几何中心的水平剪力，国内算法处理为该水平剪力FX应由上述AD侧面和BC侧面上的6块筋板共同承担，而泰国项目处理为该水平剪力FX只由BC侧面上的3块筋板承担。此外，在计算整体弯应力时，国内常规项目算法需要同时考虑筋板受压应力和弯应力的组合，而泰国项目算法则只考虑筋板受到的弯应力。

图6 垫墩由各方向筋板固定示意(俯视)

3.2 筋板的加强板

泰国项目的业主和第三方对于装船固定筋板设计还有一个特殊规定：在每1块筋板背部焊接加强板，见图7。

图7 筋板及其加强板的示意

由于本项目在装船固定中使用的筋板数量较多，如果严格按照这项要求实施，不仅给装船固定设计增加不少钢材，更会增加很多焊接工作量。根据以往国内常规项目装船固定的设计经验，考虑到只要每块筋板受力后不会屈曲，则在筋板背部焊接加强板的做法实际作用不大。经过与业主和第三方沟通，最后决定不对每块筋板焊接加强板。

3.3 筋板的有效支撑

泰国项目在装船固定设计时，对新增筋板所焊接固定位置下方的原有筋板，是否可以判定为有效支撑也进行了严格的规定。如图8a)所示，只有当新增筋板面与其脚印所在隔板正下方的原有筋板面共面时，才认为原有筋板对新增筋板是有效支撑；而对于图8b)和图8c)所示的情况，无论新增筋板面与其脚印所在隔板正下方的原有筋板面是错位，还是上下两块筋板面相交，都认为原有筋板对新增筋板是无效支撑。

图8 筋板的有效支撑和无效支撑判定示意

因此认为项目，所有位于无效支撑位置处的新增筋板都不能承受任何外力，这部分新增筋板在筋板强度校核时都不能包含在内。

4 一次性驳船调载满足3种运输工况

泰国湾项目，如果从国内派遣运输驳船过去，占用驳船的周期较长、成本较高，相对经济的解决方案是从泰国当地寻找驳船资源。通过对当地驳船资源的调研后发现，泰国市场上仅有SCENA 2801和SCENA 2802 2艘运输驳船满足本项目组块运输的需求。但是，这2艘运输驳船都没有独自调载能力，需要外接调载泵，而调载泵也需要从当地进行租赁，且日租赁费用昂贵。由于本项目的运输方案和装船固定方案是让每艘驳船1次运回2个组块，这样驳船实际就出现了3种作业工况：工况1，从码头开往第一座平台过程的无组块运输工况，见图9a)；工况2，装载第一个组块后前往第二座平台过程的单组块运输工况，见图9b)；工况3，装载完成第二个组块后返回码头过程的双组块运输工况，见图9c)。

图9 驳船运输的3种作业工况

为满足上述3种作业工况的调载需求，如果让调载泵跟随驳船一起出海在海上对驳船进行调载的话，则调载泵的总租赁费用就会特别高。

针对上述困难，首先，设计2个组块在驳船甲板上摆放位置时，尽可能将2个组块重心都靠近驳船的中轴线，以减小2个组块在装船过程中对驳船水平度(尤其是横倾角)的影响。其次，分析在工况3下驳船稳性满足规范要求时，驳船各个舱室压载水的最终状态。然后，针对工况3下驳船压载的最终状态，分别验算该压载状态在工况1和工况2下驳船的运输稳性是否也满足规范要求；若满足规范要求，则证明该驳船在工况3一种压载水的状态下，就能同时满足3种运输工况的共同需求。这样就能实现短期租赁调载泵，只需在码头1次性完成对驳船各舱室压载水的调载，不用再将调载泵带到海上在海上对驳船进行第二次调载和第三次调载，可为项目节省成本。

经过反复试算分析，找到了3种运输工况的共用工况3，该方案仅在工况2时驳船有0.11°的横倾角，但该横倾角不影响驳船正常航行和稳性，最终结果满足驳船的运输要求。

5 逆向推导锚缆卧底长度

在系泊分析方面，国内常规项目通常只分析平均波浪周期下的作业工况，而泰国项目则不但要求分别分析最小波浪周期、平均波浪周期和最大波浪周期下的作业工况，还要求分别分析1年一遇有义波高和5年一遇有义波高下的待机工况；此外，针对作业工况和待机工况，还要分别计算系泊锚缆完整工况和施工船舶各根锚缆每根依次破断的破断工况，见表3。

表3 国内常规项目与泰国项目的系泊分析对比

本项目除了对系泊分析的计算工况要求较多之外，还要求在系泊分析时每根锚缆的卧底长度都要大于50 m(国内常规项目要求大于0即可)。因此，相对国内常规项目而言，本项目在系泊分析方面计算工作量大。如果采用常规的系泊分析思路，则需要手算400多组数据，计算量大而且计算时间长，无法满足本项目对拆除工期要求。于是，采用插值法先求出当锚缆卧底长度为50 m时对应的锚缆张力F50，再将每根锚缆实际计算出的最大张力Fmax与F50比较，若Fmax大于F50，即可证明锚缆的卧底长度大于50 m，避免了繁琐的计算过程，既满足了本项目的要求，又节约了拆除设计工期。

6 应用效果

项目按照合同工期要求顺利完成了4座组块的拆除作业，见图10。项目的拆除设计成果和施工效果都得到了业主和第三方的高度认可，最终获得了雪佛龙公司授予的最高荣誉奖励“无事故安全奖”。

图10 泰国项目组块运回码头

7 结论

1)在组块吊装分析方面，泰国项目针对组块整体吊装时浮吊吊钩位置和吊绳的模拟，共模拟了5个吊钩位置和5组吊绳情况，这5种吊钩与吊绳的组合方式有其合理的地方，目前已被国内项目普遍采用；但是，该项目将重心沿X轴偏移量ex分别取±1.0 m和沿Y轴偏移量ey分别取±1.0 m，这相对于国内普遍取±0.5 m的做法而言，具体哪种设置更合理，还需进一步研究。

2)在组块运输分析方面，泰国项目通过对多种截面形式模拟垫墩截面计算结果的论证分析，证明了对垫墩模拟采用不同的截面形式，对运输分析中垫墩受力的计算结果有很大影响，进而会影响到组块装船固定设计方案。因此，建议今后在类似项目的拆除设计应尽量选择对垫墩截面进行精细化模拟。

3)在组块装船固定分析方面，与国内常规项目采用的算法相比，泰国项目采用的筋板校核算法更注重弯矩对筋板强度的影响；其对新增筋板是否具备有效支撑方面的规定，虽然相对苛刻但也较为合理，值得国内项目借鉴；但是，其在校核筋板水平剪应力时，只选取一侧筋板来承受水平剪切力的做法，则过于保守，是否合理值得商榷。

4)在驳船稳性分析方面，泰国项目通过在码头一次性对驳船调载而同时满足3种运输工况的设计方案，有效解决了驳船无法独自调载的困难，减少了调载泵的租赁时间，节省了成本，值得其他类似项目借鉴。

5)在浮吊船系泊分析方面，泰国项目需要计算的工况很多，通过逆向思维，先求出锚缆卧底长度为50 m时的锚缆张力F50，再用每根锚缆计算出的实际最大张力Fmax快速判断出每根锚缆的卧底长度是否大于50 m，既避免了繁琐的计算过程，又节约了拆除设计工期。