用于海洋平台拆除的桩腿耦合顶升装置设计研究

2018-06-23刘富有刘登辉阮志豪

石油工程建设 2018年3期

刘富有，刘登辉，阮志豪

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300457

2.能威（天津）海洋工程技术有限公司，天津 300457

随着海洋油气资源的开发日益扩大，越来越多的海上采油平台出现在海洋中。一般海洋石油平台的设计寿命为20年，虽然部分平台寿命到期后经过评估和维修继续服役，但大量平台面临退役是不可改变的事实。据估算，未来十年在渤海湾至少有50座海上弃置平台将要被拆除。

弃置平台的拆除方法主要有吊装拆除和浮托拆除。吊装拆除是将平台的整个上部组块与导管架分离后，直接吊装到驳船上运输至码头。该方法的优点是海上切割工作量小，但需要使用具有足够起重能力的大型浮吊船，并且由于拆除时无法对组块的重量和重心做出精确计算，整体起吊的风险非常大。浮托拆除是采用双船浮托法整体拆除上部组块，整体运输至码头。为了使双船浮托法在整体拆除组块时每个支撑点都具备可调性，以解决上部组块重量和重心无法精确计算的问题，设计了桩腿耦合顶升装置[1-4]。

1 桩腿耦合顶升装置的构成

桩腿耦合顶升装置由三个关键部件构成：球体转动结构、橡胶缓冲单元和顶升液压油缸，见图1。

图1 桩腿耦合顶升装置构成示意

1.1 球体转动结构

球体转动机构的上部结构为不锈钢球面，下部为耐磨板或四氟板，两者形成低摩擦的摩擦副，摩擦系数为0.003～0.007，转动力极小，因此球体转动机构具有承载力大、传力可靠、转动灵活、转角大的特点。

1.2 橡胶缓冲单元

橡胶缓冲单元内部分为竖向减振单元和水平向减振单元，竖向压缩单元的压缩曲线是变刚度曲线，在压缩初期，弹性体变形大，反力小，在接近目标位移时，曲线的斜率增加，弹性体提供的反力增加；水平压缩单元的测试曲线与竖向压缩单元的压缩曲线线型一致。橡胶缓冲单元的竖向变形是为了避免钢与钢的接触，通过载荷的转移，保证稳定的配合和载荷转移；水平方向的位移，可以消除风浪等外界因素的影响，保证竖向载荷的平稳。竖向缓冲件在压缩初期，弹性体变形大，反力小，在接近目标位移时，曲线的斜率增加，弹性体提供的反力增加。这种压力-位移曲线的好处是：拆除的弃置平台年代久远，有一些后续施工项目造成重量与理论值存在误差，或平台在拆除过程中有一定的晃动，而弹性体的弹性变形具有很小的变量，可保证整体拆除结构的稳定性、拆除过程的安全性[5-6]。

1.3 顶升液压油缸

顶升液压油缸用于提供足够的顶升力而使平台与桩腿分离，在顶升过程初期，橡胶缓冲单元可以为顶升油缸与平台的接触提供足够的缓冲，球面转体提供载荷传递。待上部载荷全部转移，橡胶缓冲单元压缩达到了最大，油缸与平台之间可视为由刚性的橡胶缓冲单元连接，通过PLC位移控制，保证各顶升油缸顶升高度的同步均匀增加，从而保证平台被平稳顶升起来。油缸的控制系统采用双系统控制，即位移控制和液压控制的双系统控制模式，同时各油缸设计有两套油路（其中的一套为手动备用系统）。控制系统以位移控制系统为主，液压控制系统则时时进行监测，两个控制系统均设定上限预警功能，均具备急停功能。控制系统配套有油压传感器，可校核上部结构的顶升力，监测上部结构的操作，避免出现超压工作，因此安全性非常高。

2 桩腿耦合顶升装置的强度校核

由于被拆除上部组块的重量只能估算，在桩腿耦合顶升装置设计中选用1 000 kN规格的液压油缸，以确保具有较高的安全系数。内部应用的缓冲单元设计要求按照下述设计要求进行计算，同时在设计中确保缓冲单元在达到设计载荷时缓冲单元应力低，缓冲单元自身的安全系数高。对于其他钢结构的强度核算，均采用承载力1 000 kN进行计算，以保证产品的使用寿命和安全系数[7-9]。

2.1 假定的设计参数

（1）液压缸顶升力1 000 kN，行程300 mm，顶升速度5～10 mm/min。

（2）垂向缓冲单元设计载荷压缩量为150 mm。

（3）横向缓冲单元设计载荷150 kN，压缩量60 mm（含安装间隙）。

（4）转动结构设计转角5°。

2.2 转动结构强度校核

转动结构分为上球体转动结构与下接受体部分，应确保两者能够直接进行转动以及能够转动一定的角度，因此需降低两者之间的摩擦力，以及校核转动角度和转动过程中的有无干涉。为了降低两者之间的摩擦力，在两者之间设置了一层低摩擦系数的滑板。有限元分析的边界条件为：接受体与垂向缓冲单元钢板接触面为固定面，上球面与平台接触面施加1 000 kN力。计算产生的最大应力为103 MPa，按照钢结构的许用应力为0.9×材料屈服强度=0.9×325 MPa=292.5 MPa，其应力在可接受范围之内，见图2。

图2 转动结构的最大应力云图/Pa

2.3 钢筒结构强度校核

采用有限元分析方法，边界条件为钢筒外面固定，在液压缸承载面施加1 000 kN的力。计算结果显示最大应力和最大的变形均位于钢筒内部隔板最中心，计算应力值为180 MPa，按照钢结构的许用应力为0.9×材料屈服强度=0.9×325MPa=292.5 MPa，其应力在可接收范围之内，见图3。计算的最大变形为0.65mm。

图3 钢筒结构最大应力云图

2.4 支撑导向板强度校核

采用有限元分析时边界条件为：支撑板上面施加载荷1 000 kN，下板与油缸活塞杆接触面作为固定支点。计算结果显示最大应力在油缸与活塞杆接触位置上，计算应力值为235.6 MPa，按照钢结构的许用应力为0.9×材料屈服强度=0.9×325 MPa=292.5 MPa，其应力在可接受范围之内，见图4。最大变形在支撑板边缘位置，计算的最大变形为0.83 mm。

图4 支撑板最大应力云图/Pa

2.5 垂向橡胶缓冲单元刚度校核

垂向橡胶缓冲单元性能设计参数为：当设计载荷分别为250、450、550 kN时，单块橡胶设计变形均为150 mm/4=37.5 mm，误差范围均为-10%～10%。

采用有限元分析时边界条件为：固定垂向缓冲单元下钢板，在上钢板施加250、450、550 kN载荷。计算结果表明，载荷550 kN时垂向缓冲单元应力最大，为11 MPa，小于橡胶的拉伸强度21.37 MPa，其应力在可接受范围内。450 kN时垂向缓冲单元应变最大，为105%，小于橡胶的扯断伸长率500%。

2.6 横向橡胶缓冲单元刚度校核

横向橡胶缓冲单元性能设计参数为：水平载荷150 kN，设计总变形60 mm（含间隙10 mm），单块位移50 mm，误差范围-10%～10%。

有限元分析边界条件为：固定外套筒，横向缓冲单元与接受体钢桩绑定，接受体钢桩水平位移60 mm。计算结果为横向缓冲单元聚氨酯部分最大应力为16 MPa，小于聚氨酯的拉伸强度44 MPa；横向缓冲单元内部加筋板最大应力为155.7MPa，按照钢结构的许用应力为0.9×材料屈服强度=0.9×325 MPa=292.5MPa，其应力在可接受范围之内，见图5。

图5横向缓冲单元最大应力云图/MPa

3 桩腿耦合顶升装置的系统设计

桩腿耦合顶升装置分为两个总成系统，单个总成系统内包含3套顶升装置。总成系统的控制为位移控制，单个总成系统集成为一个面板。总成系统之间数据互通（相对位移数据）。集成面板上显示位移测定数据（相对位移、两个油缸位移数据）、油缸力值数据、控制按钮、手动控制按钮（补压、泄压）。控制系统设定上限预警功能，具备急停功能。相对位移测定采用在直径72 in（1 in=25.4 mm）的钢筒顶部与顶升物之间安装4个位移传感器，测量数据去掉最小值和最大值，取剩余两个数据的平均值为一组数据，一套内3组位移偏差不得超过3 mm，由PLC控制顶升位移偏差。两个总成系统之间的位移偏差根据实际工况判定。

油缸配套有压力表、液压监测系统（读取系统内部压力值，数据传输到控制面板，控制面板将油压数值转换成顶升力值），每个油缸外接一个压力表，双油路设计（一套手动控制操作），在筒外侧设置油压传感器，配套液压锁。油缸顶升力1 000 kN，行程300 mm，速度5～10 mm/min。两个位移传感器，一个记录油缸行程，另一个用于系统顶升标定位移，两数据传输至控制面板。