背拉法拆除导管架过程中驳船的运动分析

胡振国，陶 杰，刘雪宜，徐龙达，唐友刚，白 杰

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.天津大学，天津 300350

我国海上老龄导管架平台已有近百座，有的导管架平台所在区块油井已经干枯，因此需拆除这些没有存在价值的导管架平台。预计全球未来五年内将有600多个海上油气设施拆除项目，将迎来油气设施新的报废高峰期[1-2]。

目前导管架平台的拆除作业方法通常采用浮吊，即将截断的导管架平台吊装至驳船甲板，此方法需要专用起重船，或者在驳船上加装起重机[2-3]，施工装备投资高，经济性较差。本文提出一种新型的导管架拆除方法即驳船背拉法拆除导管架，该方法的特点是不需要起重设备和起重船，通过布置在驳船上的滑轮及缆索系统，将导管架平台拖拉装船，该方法尚无国内外施工应用先例。本文基于驳船背拉法拆除导管架平台的方案，重点分析驳船尾部连接导管架时，驳船系统的水动力响应，计算不同海洋环境下驳船的运动和系泊系统张力，确定该拆除方案的可行性。

1 背拉法拆除导管架的作业设施

为了使驳船适应拆除平台作业，需要在驳船上安装滑轮和绞车，形成背拉导管架作业设施，主要由以下三个系统构成：提升系统（系统A）、制退系统（系统B）、旋转系统（系统C），每个系统的组成及功能如下：

（1） 系统A功能。系统A主要包括动滑轮2个、定滑轮4个、钢缆2根、绞车2部，两舷对称安装，见图1。其功能为向上提升导管架。

图1 系统A示意

（2） 系统B功能。系统B主要包括动滑轮2个、定滑轮2个、钢缆2根、绞车2部，两舷对称安装，见图2。其主要功能为控制导管架的重心位置，防止导管架突然倾倒撞击到驳船甲板；在导管架与甲板的倾斜角度很小时，通过拉紧B系统，也能在一定程度上减小导管架下落速度，防止撞击甲板。

图2 系统B示意

（3） 系统C功能。系统C主要包括定滑轮2个、钢缆2根、绞车2部，两舷对称安装，见图3。其功能为提供使导管架旋转的力，拉动导管架倾斜上船；在导管架倾斜度较小时，控制导管架下落到甲板的速度。

图3 系统C示意

2 背拉导管架作业设施的工程设计

2.1 导管架和驳船的基本参数

导管架所在海域水深20 m。在驳船尾部，通过系统A的吊点及系统C的吊点将导管架与驳船尾部连接，连接方式如图1和图3所示。在泥面以下4 m处切断桩腿，借助驳船的剩余浮力将导管架拔出。拔出后导管架高度为29.7 m（不包括上部结构），海面到顶部7.5 m，导管架质量506 t。驳船的基本参数见表1，满载吃水4.5 m，排水量为10 823.79 t。

表1 驳船的基本参数

选取的系泊缆直径48mm，破断张力为1210kN，船首和船尾各设2个系泊点，每个系泊点有两根系泊缆，系泊缆之间的夹角为5°，抛缆角分别为45°和50°。

选取的海洋环境第一工况为：流速1.0 m，风速10.0 m/s，有义波高1.0 m；第二工况为：流速1.0 m，风速10.0 m/s，有义波高1.5 m。

2.2 背拉导管架作业设施的改装

系统A：甲板上绞车距离船尾42000mm。

系统B：绞车距离船尾40 000 mm。

系统C：甲板上滑轮距离船尾36000mm，绞车距离定滑轮2 m。

在海面以上导管架桩腿上安装定滑轮4个，导管架下部提拉位置安装吊耳2个，导管架两侧对称安装；系统C和系统B与导管架连接的定滑轮安装在导管架桩腿上；在驳船上布置背拉导管架设施，在甲板上安装滑轮和绞车，见图4。

图4 绞车布置示意

3 导管架背拉过程水动力计算及运动模拟

导管架上船过程中，从提升开始离开泥面，逐步倾斜，直至最终落到甲板上，将此过程分解为如下步骤：导管架倾斜角度依次为 0°、15°、30°、45°、60°、75°，最后导管架落到甲板上。

在提拉装船过程中，导管架和驳船连接在一起，在装船过程中导管架倾斜角度不同，处理为载荷位置的变化。计算分析导管架每个倾斜状态的船舶运动、系泊张力以及背拉缆索载荷。

3.1 水动力计算模型

处于驳船连接导管架状态，驳船质量9 300 t（包括压载水），导管架质量506 t，导管架受到的浮力忽略不计，作为安全储备，驳船尾部连接导管架后的质量合计9 806 t，驳船吃水4.09 m，系泊线的布置见图5。按照上述数据基于MOSES软件计算背拉导管架过程驳船的水动力和运动。

图5 驳船系泊线及水动力模型

3.2 计算结果

计算结果如表2～5所示。

表2 1.0 m波高时不同浪向下系泊缆最大拉力

由表2～5可知，随浪向角增大，系泊缆张力和横荡运动不断增大，横荡运动是背拉法拆除过程的主要风险。有义波高1.0 m时0° ～45°浪向角可以满足作业要求，系泊张力287 kN，横荡运动1.477 m。有义波高1.5 m时0° ～30°浪向角，系泊张力444 kN，横荡运动3.0 m，横荡运动较大，施工有风险，有义波高1.5 m时不允许施工作业[4-5]。

表3 1.0 m波高时不同浪向下运动幅值

表4 1.5 m波高时不同浪向下系泊缆最大拉力

表5 1.5 m波高不同浪向下运动幅值

4 结论

本文提出了驳船背拉法拆除导管架的新技术，并以拆除小型导管架为例，进行了导管架背拉过程驳船运动模拟，主要结论如下：

（1）背拉法拆除导管架作业中上船过程是该方法的关键施工步骤，此过程中驳船的运动对于施工过程安全具有重要影响。

（2）背拉法拆除导管架作业中驳船运动风险主要来自横荡和纵荡，而横荡主要与浪向角密切相关，当浪向角大于45° 时，驳船的横荡运动达到3 m，不宜进行拆除作业。

（3）控制驳船的运动采用8缆系泊是可行的，驳船的运动可以得到有效控制，为背拉施工提供稳定的作业平台。

（4）系泊缆张力主要受浪向角的影响，随浪向角增大，系泊张力不断加大。