基于SACS软件的吊装分析在导管架拆除项目中的应用

陈曦 赵佳宁 王越钊 张兴 董志亮

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300452）

中国海洋石油工业始于二十世纪五六十年代，随着六十年的发展海上石油工业开发工程逐步的走向规范化标准化，更多服役期满的平台将被拆除。近些年随着曹妃甸、埕北等平台拆除项目的成功完成，国内平台拆除工程的作业能力逐渐走向成熟，同时也积累了很多宝贵的经验。而在海上平台拆除作业过程中，吊装作业是其中最为重要的作业之一，相应的吊装分析也是最为重要的计算分析。

1 导管架拆除吊装分析概述

1.1 分析方法简述

导管架拆除吊装分析主要是对导管架主结构及连同一起拆除的附属构件在吊装过程中的强度进行计算分析，检验其是否满足规范要求。

弃置导管架吊装分析大概可包括：结构模拟、载荷模拟、边界条件、杆件强度校核、节点冲剪校核。相较于导管架安装吊装作业，拆除作业还要考虑导管架服役期的杆件腐蚀和损坏、海生物附着厚度、服役期间的改造情况、拆除作业前期切割和拆除情况、裙装套筒YOKE板和防沉板的吸附力、桩和泥浆的重量及相应引起的重心变化，泥土对桩的抗拔阻力等。

1.2 模型模拟

1.2.1导管架主结构的模拟

导管架拆除吊装分析的模型来源可分为两类：

●对于早期的导管架平台，可根据能够搜集到的资料进行模型搭建，搭建过程中去除吊装作业之前已拆除部分的结构。

●对于已具备详细设计或改造设计模型的，可在此基础上进行校对和修改。

1.2.2 导管架防沉板的模拟

导管架主结构模拟正确后，也要对附属构件进行模拟。对于拆除吊装作业，防沉板的模拟要引起注意。拆除作业时防沉板受到的泥土吸附力往往是不可忽略的。底盘较大的平台为适应各角水深的不同减少导管架调平的工作量，往往将防沉板设计为外悬阶梯式，因此防沉板模拟的准确性对吊装重心的确定尤为重要。

1.2.3 导管架吊索具的模拟

导管架主结构和附属构件模拟完毕，也要对锁具和吊钩位置进行模拟。索具一般以杆件形势模拟吊绳，吊绳的惯性矩要根据实际使用的钢丝绳进行刚度修正。同时应根据实际使用的卡环和吊点尺寸对杆件吊点一端进行位置修正（对杆件端点进行偏移）。

1.2.4 主作业船吊钩的模拟

吊钩位置的模拟因主作业船的不同而异，对于单钩吊装且钩齿距离较小的通常仅模拟为一个节点。为保证导管架吊装过程的稳定性，节点水平位置通常在导管架的重心位置，垂直位置通常要保证最小吊绳角度大等于60度。

对于主钩为钩箱结构，或吊装需使用吊装框架的，通常将吊钩位置模拟为4个节点，节点间距需根据主作业船钩齿距离确定。4个吊点几何中心的水平位置应在导管架的重心位置，垂直位置要保证最小吊绳角度大等于60度。

1.3 环境条件和施加载荷

1.3.1 拆除吊装分析的环境条件

按照API RP 2A 中的要求，吊装作业通常需要考虑吊装环境下的波流荷载和风荷载，对于环境条件的选取可参照规格书中座底分析时的风波流数据。对于波流力引起的惯性力，有条件的可以进行动力分析，如不具备条件或波流荷载较小可在波流力基础上施加适当的动力放大系数进行模拟。对于水位的选取，可选择平均海平面或与波流数据一致。

1.3.2 拆除吊装分析涉及的荷载

拆除吊装分析涉及的载荷包括以下几类：

●已模拟结构的重力和浮力；

●未模拟附属构件的重量和浮力；

●施工作业中增加的临时结构重量，如吊装吊点、搭设的脚手架、吊索具等；

●泥面对防沉板和裙装套筒YOKE板的吸附力；

●附着在已模拟结构上的海生物的重力和浮力。

1.4 边界条件

吊钩位置节点通常模拟为全约束的形势。导管腿底部可选择2或3个节点，添加非线性弹簧。

对于选择2个节点的，通常选择对称位置增加非线性弹簧，弹簧底端约束形式通常为（110000），对于选择3个节点的，弹簧底端约束形式为（100000）、（110000）、（010000）。

2 吊装分析结果判断

吊装分析的结果通常需要关注三方面，分别是：

●杆件UC用以判断结构杆件的强度是否满足要求；

●节点UC用以判断节点冲剪强度是否满足要求；

●弹簧力用以判断结构物吊装稳性是否满足要求。

吊装分析通常不考虑应力放大。

2.1 杆件结果

按照API RP 2A中的要求，对于与吊点直接相连的杆件要考虑2.0倍的吊装动载荷系数；对于其余杆件要考虑1.35倍的吊装动载荷系数。

2.2 节点结果

Joint UC又分为Load UC和Strength UC，通常所有节点均要求Load UC小于1，Stren UC允许部分附属构件超值（具体需参照项目规格书的要求）；

2.3 弹簧力结果

弹簧力的结果用以判断吊装稳性是否满足要求，通常弹簧力大小不宜超过1KN。如弹簧力较大，应首先对吊钩位置与结构整体重心位置进行比对。对于钩箱或吊装框架不宜对比位置的，可对几何中心在一定范围内进行微调。

3 导管架拆除吊装分析特点

3.1 动载荷系数选取

按照API RP 2A中的要求，对于与吊点直接相连的杆件要考虑2.0倍的吊装动载荷系数；对于其余杆件要考虑1.35倍的吊装动载荷系数[2]。

3.2 吸附力的计算

对于泥面对导管架和防沉板的吸附力计算，目前吸附力理论计算模型和计算公式较为常用的有以下3个[1]。

3.2.1 太沙基吸附力公式

式中：S1为结构物浸没在淤泥中的接触面积，S2为结构物浸在淤泥中的投影面积，A为结构物与底质的水平投影接触面积，S为底质的抗剪强度，D为结构物在底质中的浸深，B为结构物的宽度，L为结构物的长度；

3.2.2 斯肯普顿公式

Ft=5AS(1.0+0.2 D/B)×(1.0+0.2 B/L)1

式中：A为结构物与底质的水平投影接触面积；S为底质的抗剪强度；D为结构物在底质中的浸没深度；B为结构物的宽度；L为结构物的长度；

3.2.3 长畸作治公式

薄层软粘土对结构物单位面积上的吸附力，可参考长畸作治公式

Ft=(5.7+D/H)S

式中：D为结构物直径，H为结构物底面下软粘土厚度，S为软粘土的抗剪强度。

3.2.4 公式的适用性

对于深层土，斯肯普顿公式和太沙基公式可分别计算，取较大值进行应用。而对于浅层土，长畸作治公式更为合适。

鉴于实际工况中土壤参数的不确定性，建议拆除吊装时采用逐级增加载荷的方式进行吊装，如具备条件也可对防沉板附近泥土进行吹泥，以减少吸附力的影响。

3.3 桩基抗拔阻力计算

拆除的导管架如果仍有部分桩基础埋在泥沙中时，还需考虑桩基础的抗拔阻力。

3.3.1 桩的抗拔阻力

通常情况下抗拔阻力可以分为两种情况，即土塞工况和非土塞工况：

土塞工况其抗拔阻力可按如下公式进行计算：

抗拔阻力=外侧摩+桩重+内部土塞重量

非土塞工况其抗拔阻力可按如下公式进行计算：

抗拔阻力=内外侧摩+桩重

根据API 2GEO节中的内容，桩的侧磨阻力的计算方法如下[3]：

Qf=f(z)×As

式中，Qf为桩侧摩阻力；f(z)为桩单位面积的侧摩阻力；As为桩侧表面积。

桩的极限轴向抗拔力可小等于桩的总侧摩阻力Qf。

3.3.2 粘土的侧磨阻力

对于粘土，侧摩阻力f(z)可用下式计算：

f(z)=α×Su

式中，α为量纲为1的系数；Su为相应深度土壤的不排水抗剪强度。

系数α可用下式计算：

α=0.5×ψ-0.5（ψ≤1.0）

α=0.5×ψ-0.25（ψ＞1.0）

约束值，α≤1.0

式中，ψ=Su/(Po' (z))，其中z为深度。

3.3.3 沙土的侧磨阻力

对于沙土，侧摩阻力f(z)可用下式计算：

f=β×p0' (z)

式中，β为量纲为1的系数（可以参考API 2GEO 8.1.4）；p0' (z)为相应深度土壤的有效垂向应力。

4 结论和建议

●区别于导管架安装吊装分析，导管架拆除吊装分析应充分考虑施工条件下的环境荷载；

●导管架拆除吊装分析应充分考虑泥面对防沉板和裙装套筒YOKE板的吸附力；

●吸附力计算应充分考虑表层土壤类型，同时兼顾防沉板和YOKE板的结构形式进行计算；

●对于部分桩基础仍在泥中的导管架拆除吊装分析，应充分考虑桩基础的抗拔阻力；

●抗拔阻力应结合实际情况考虑土塞和非土塞工况，同时应结合表层土壤类型进行桩的侧磨阻力计算。