南海首个旧单点海上拆除吊装方案设计

刘建峰， 王彦多， 张胜强， 杜 颖

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

从2011年至今的十多年间，中国海洋石油集团有限公司先后完成了曹妃甸1-6导管架[1-2]、锦州21-1 WHPA平台[3]、锦州20-2 SW平台[3]、曹妃甸油田海洋石油112号浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)旧单点[4-5]、埕北油田储罐及导管架帽[6]、渤中油田明珠号FPSO旧单点[7]等多座海洋结构物的拆除工作。上述拆除项目集中在渤海海域，其作业水深均未超过30 m，而对于水深较深、海况条件较差的南海海域，尤其拥有大跨距基盘的南海首个旧单点拆除工程，没有相关的工程经验可借鉴。本文依托涠洲10-3单点拆除项目，针对南海海况和旧单点结构特点，重点开展涠洲10-3单点拆除吊装方案设计，可为今后类似单点拆除提供参考。

1 工程背景

涠洲10-3单点位于我国南海北部湾海域，水深约37.5 m。该单点是一座单腿桩基式结构，总高度为73.5 m，由下部基础和上部结构两部分组成。该单点于1986年在海上建成，是南海希望号FPSO的单点系泊设施。其于1996年进行过改造，取消了其系泊功能，并于2018年进行局部拆除。拆除上部结构如图1所示。

图1 涠洲10-3单点及其结构示例

该单点的下部基础主要包括套筒、基盘和钢桩，其中套筒高为40.3 m，最大直径为5.9 m，最小直径为2.3 m。考虑套筒内部3根立管等附属结构后套筒总重约250 t。基盘由3根18.0 m长的箱型基盘臂组成，每根基盘臂的箱型截面宽为2.0 m、高为5.5 m，整个基盘重约360 t。在每根基盘臂的端部各有2根直径为1 219 mm的钢桩，每根钢桩总长为60.0 m，拆除时每根钢桩在泥面以下4.0 m处切割。

受中国海洋石油集团有限公司湛江分公司的工作委托，海洋石油工程股份有限公司于2020年对该单点下部基础进行废弃拆除。

2 拆除方案

考虑套筒、基盘、钢桩、水泥和附属构件等结构物的重量后，涠洲10-3单点整体在空气中的净重约1 082 t。考虑单点在离底瞬间土壤对钢桩的抗拔力、土壤对基盘的吸附力及单点整体浮力等，该单点在水中的最大吊重约1 027 t(未考虑动力放大因数)，又由于该单点总高度约50 m(含泥面以下4 m 长的钢桩)，因此，在对该单点进行拆除方案设计时，优先研究对其采用分体拆除方案的可行性。

经论证分析后发现，若对涠洲10-3单点采用分体拆除方案，较为经济的水下切割位置是在套筒根部，将该单点分为套筒和基盘两部分进行分体拆除。由于套筒根部直径为5.9 m、壁厚为44 mm，以目前掌握的水下切割技术能力而言，有2种比较可行的切割方法：潜水员手工电-氧切割和高压水切割[8-11]。然而，上述2种切割方法都存在水下工作量大和施工难度大的技术问题，且都无法直接将套筒内部的3根立管切断，都需提前在套筒壁上开人孔，让潜水员进入套筒内部封闭而狭窄的空间内先把3根立管切断并固定后，才能再开展对套筒的切割工作。

由上述可知，分体拆除方案的整个施工过程风险较高、施工周期较长，其可行性相对较小，因此项目最终选择对该单点采用整体拆除方案，对套筒和基盘等结构物进行整体吊装。

3 吊装方案选择

3.1 吊桩器吊装方案

吊桩器吊装方案是借鉴海洋工程项目中使用吊桩器吊装钢桩的技术方法[12-13]，通过在套筒顶部使用吊桩器实现对涠洲10-3单点整体吊装，如图2所示。该吊装方案的技术优势在于，其海上吊装单点不需要新增吊耳，可避免对新吊耳进行设计，并节省陆地预制吊耳、海上焊接吊耳的时间和成本。

图2 吊桩器吊装方案示例

经研究发现，目前仅有96寸(1寸≈3.34 cm)吊桩器(适用的钢桩内径范围为2 221～2 347 mm)可与该单点套筒顶部内径2 280 mm匹配。然而96寸吊桩器的许用载荷为1 200 t，根据规范要求，在考虑2倍的动力放大因数后，项目单点在空气中的最大吊重约2 164 t，因此，该单点最大吊重已超过96寸吊桩器的许用载荷，不满足吊桩器的使用要求。

虽然本吊装方案最终未被作为涠洲10-3单点拆除的备选吊装方案之一，但通过对本吊装方案的研究，拓展了海上结构物吊装方案的设计思路，可为今后其他类似项目提供参考。

3.2 套筒镗孔吊装方案

套筒镗孔吊装方案是借鉴海洋工程项目中对隔水套管镗孔吊装的技术方法[14-15]，通过在单点套筒顶部适当位置现场镗出一些吊耳孔，然后将吊索具与上述吊耳孔连接固定，以实现对涠洲10-3单点的整体吊装，如图3所示。该吊装方案的技术优势同样不需要新增吊耳，可避免对新吊耳进行设计、预制和安装。

对套筒镗孔吊装模型进行有限元分析后发现，如图3(b)所示，需要在套筒顶部加厚段处镗出4个直径为170 mm的吊耳孔，利用4根钢丝绳和4个400 t卡环即可满足对该单点整体吊装的强度要求。由于镗孔位置位于套筒顶部加厚段处，其距套筒顶端距离较大，400 t卡环弓高不满足要求，须现场对套筒顶部进行二次切割。

图3 套筒镗孔吊装方案示例

本吊装方案的技术难点是对套筒的镗孔技术，尤其是对于镗孔机的安装、镗杆和镗刀的固定等，都需要专业技术人员进行现场操作，且还需要租赁专用的镗孔设备，除上述要求外，本吊装方案的可行性相对较高。

因此，本吊装方案被作为涠洲10-3单点拆除的备选吊装方案之一。

3.3 调平吊耳吊装方案

调平吊耳吊装方案是利用基盘上原有的3个调平吊耳以及为涠洲10-3单点专门设计的三角形吊装框架实现对涠洲10-3单点的整体吊装[4]，如图4所示。本吊装方案也不需要新增吊耳，可避免对新吊耳进行设计、预制和安装。然而，本吊装方案的缺点是需要潜水员水下挂扣，增加了海上施工的难度和风险，且需要为该单点设计专用的三角形吊装框架，增加了项目成本。

图4 调平吊耳吊装方案示例

经过对本吊装方案进一步的计算分析后发现，基盘上每个调平吊耳需承受760 t以上的钢丝绳拉力，但是每个原有的调平吊耳最大只能承受300 t 的钢丝绳拉力，强度不满足规范要求。因此，本吊装方案最终也未被作为涠洲10-3单点拆除的备选吊装方案之一。

3.4 盲板吊装方案

盲板吊装方案是通过提前在陆地设计预制与套筒顶部相匹配的盲板，并在盲板上焊接吊装用的吊耳，然后在海上将盲板与套筒顶部焊接固定，实现对涠洲10-3单点的整体吊装[4]，如图5所示。

图5 盲板吊装方案示例

如果将盲板直径设计成大于套筒顶部直径，须在海上对套筒顶端的套筒壁进行现场开坡口，会大幅增加海上的工作量和施工难度，因此建议将盲板直径设计成等于套筒顶部筒体的内径，将盲板嵌在套筒内一定深度，可提前在陆地对盲板边缘开单面坡口，再在海上对盲板和套筒之间的焊缝采用单面坡口焊，如图5(b)和图5(c)所示。

采用本吊装方案时还需注意以下技术事项：(1)盲板和吊耳整体嵌入套筒内部不能过深，须将吊耳孔高出套筒顶端一定的高度，否则在海上施工会出现卡环销轴无法安装的风险；(2)为防止吊装时吸附力过大，应在盲板或套筒顶部的合适位置开设一些进气孔，以便在单点被吊装出水过程中排出其内部的海水。

由于本吊装方案的可行性较高，因此其也被作为涠洲10-3单点拆除的备选吊装方案之一。

3.5 吊耳吊装方案

吊耳吊装方案是海洋工程结构物海上吊装最常用的吊装方案之一[14-19]，通过在陆地提前设计预制与套筒相匹配的吊耳，在海上将吊耳与套筒焊接固定，从而实现对涠洲10-3单点的整体吊装，如图6所示。

图6 吊耳吊装方案示例

由于本吊装方案工程经验丰富、可行性较高，因此被作为涠洲10-3单点拆除的备选吊装方案之一。

3.6 吊装方案选择

若对涠洲10-3单点采用吊耳吊装方案，则可避免因采用镗孔吊装方案而需要对镗孔设备及具备相关资质人员的租赁，也可避免因镗孔位置选择在套筒加厚段对套筒顶部进行二次切割，可为项目节省约3 d的海上施工时间。盲板吊装方案所需钢板没有库存材料可用，而采办新钢板的周期较长。吊耳吊装方案所需钢板可利用公司现有库存的钢板，不需要采办新钢板，可为项目节省成本和工期。

因此，在综合考虑项目资源、项目风险和项目工期等多方面的影响因素后，涠洲10-3单点拆除项目最终采用吊耳吊装方案。

4 吊耳吊装方案应用实例

4.1 吊耳安装位置

由于涠洲10-3单点套筒顶端只高出平均海平面约7 m，处于飞溅区，若在套筒顶端外侧焊接吊耳，易受波浪和潮汐的影响。最初的设计方案是将吊耳安装在套筒顶端内侧，以借助套筒壁的保护，减少海况对吊耳焊接的影响。然而，经核算后发现，由于套筒顶端内径为2 280 mm，若在内侧安装4个吊耳，则吊耳间的距离较近，海上进行吊装配扣时无法安装卡环销轴，因此采用吊耳吊装方案时须将吊耳安装在套筒顶端外侧。

4.2 吊耳结构形式

海洋平台建造和安装过程中常用的吊耳形式主要包括吊点板式吊耳和耳轴式吊耳两种形式。耳轴式吊耳大多用于重型结构物吊装，通常应用于在单根钢丝绳所受最大静拉力大于1 250 t的工况，在找不到相匹配的卡环时才使用。本项目吊耳采用吊点板式。常用的吊点板式吊耳由主板、颊板和加强筋板等部分组成，其中加强筋板的结构形式大多为三角形板。由于本项目是将吊耳焊接在圆柱形套筒上，若再将其加强筋板采用三角形板，通过ANSYS软件对其进行有限元分析后发现，这些加强筋板的远端角点处存在严重的应力集中，造成局部应力过大，不满足规范要求。

针对圆柱形套筒的结构特点，创新性地将4个吊耳的各块加强筋板连接起来做成圆环结构，可显著地消除常规三角形加强筋板的应力集中，使得吊耳主板与套筒间力的传递路径更合理，如图7所示。其中：吊耳主板和颊板采用GB 712—2011 DH36-Z35钢材，屈服强度为355 MPa；环形筋板采用GB 712—2011 DH36钢材，屈服强度为355 MPa。

图7 吊耳结构示例

4.3 单点结构强度校核

根据图7所示的吊耳结构图，使用ANSYS软件对该项目单点和吊耳整体进行吊装工况下的有限元分析。其中，各吊耳上施加的拉力为考虑2倍的动力放大因数后的钢丝绳拉力，且又施加5%的面外力，如图8所示。有限元计算结果显示，吊耳局部最大应力为213.80 MPa，单点套筒和基盘的最大应力为142.23 MPa，都小于钢材屈服强度的 0.7倍(248.50 MPa)，满足规范要求。

图8 吊装工况下的有限元分析模型

5 结 论

(1) 由于海洋工程海上施工作业的高风险性，因此在对海上结构物拆除过程中，选择拆除方案应遵守以下原则：一是所选方案应将尽可能多的施工准备工作安排在陆地而不是海上；二是所选方案应将尽可能多的施工作业安排在水上而不是水下。按照上述原则，在吊桩器吊装能力足够强的前提下，本项目若采用吊桩器吊装方案，既可避免水下施工又可避免在套筒上开孔或焊接吊耳等大量的海上工作量，因此假如文中所述5种吊装方案都可行的话，吊桩器吊装方案的经济性相对最优。

(2) 为了减少海上施工占用船舶的天数、缩短项目周期、节省项目成本等，海上结构物拆除方案和吊装方案未来都朝着便捷化方向发展。鉴于此，针对导管架和单点套筒等带有圆柱形结构的海洋结构物拆除，都可优先选用吊桩器吊装方案。今后应注重提升吊桩器的吊装能力，为大型结构物整体拆除吊装做好设备能力储备。

(3) 潜水员手动电-氧切割属于热切割，该切割方式风险高、效率低，很难满足未来海洋结构物拆除水下切割工作的需求。今后应注重提升水下冷切割设备的切割能力。

(4) 针对强底座高耸薄壁结构物的吊装，调平吊耳吊装方案具有一定的技术优势。今后应重点开展该吊装方案中吊装框架设计和底座吊耳设计这两方面的技术研究。

(5) 受限于现有吊装设备资源和吊装技术能力，本项目只研究了5种吊装方案，而随着科技的进步，未来会有更先进的吊装工具和吊装方法，需结合具体项目进行更进一步的技术研究。