一种高效拆除边际油田组块的隐藏式吊点设计

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(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

0 引 言

中国海域辽阔，岛屿众多，有漫长的海岸线，在140 m等深线内的大陆架总面积有130×104km2，经过几十年的海洋地质勘探普查，初步估计中国沿海大陆架的石油资源储量为(150～400)×108t，天然气资源储量约为10×1012m3[1]。20世纪60年代以来，中国海上石油迎来开发高潮，在海上建起了千百座导管架平台和其他海上结构物[2]。但多数海上油田属于中、小型油田或边际油田，年产量不高，若采用常规的方法和装备开采这些海上油田，生产成本较高，在目前世界石油价格偏低的情况下，没有多大的价值。显然，这些油田不能利用常规方式进行开发[3]。此外，中国海上油气田寿命一般为10～20年，边际油田约为5～10年，2016年估计将有60%左右已投产的海上油气生产设施陆续退役并弃置。

根据国际公约、国际惯例和国内有关法律、法规要求，为保护海洋环境和不妨碍对其他海洋资源的开发，海上构筑物退役后，如无其他用途，通常应拆除或部分拆除[4]。在这种情势下产生的海洋平台拆除也成了一个新的工程技术领域。海洋石油平台拆除工程量大，运用设备、船只多，施工期较长，所使用的技术难度高、风险大，涉及的领域多，这些因素都将导致拆除工程的费用高。

国外资料指出，在北海海区，拆除的总成本经多方面估计，占设备初投资费用的3.3%～6.7%[2]，拆除费用相当可观。因此，在符合环保要求的前提下，需要优化拆除方案实现降本增效。对组块来说，除了工艺管线等处理外，整体拆除是较为经济合理的拆除方式。

为确保安全，对于每一项海洋石油平台的拆除事先必须做好安全防护措施和可靠性分析工作。施工者应充分考虑起重吊点、传力路径和构件应力分析，仔细设计[2]。

吊点关乎海上吊装作业安全,在工程实施中非常重要[5]，是平台安装及拆除时的关键设计内容之一。边际油田组块一般重量较轻，本文以1 200 t吊重的组块吊点为例，介绍一种适用于新平台安装，安装后不必拆除，在超过使用年限后，可以直接用于组块拆除吊装的新型吊点设计。

图1 传统主板形式吊点

1 传统吊点与新型吊点的不同

图2 切除平台部分原主结构(立柱) 图3 重新安装的吊点

1.1 传统吊点

传统吊点一般分为主板和耳轴等2种形式。边际油田组块较轻，一般采用主板形式吊点。吊点往往设置在组块顶甲板的立柱环板顶部，在平台安装就位后进行切割、补板、补滑道梁等各种海上施工工作[6]。吊点如图1所示。

在平台拆除时，若采用吊装方式，需要进行吊点的重新安装，一般采用切除平台部分原主结构(立柱)的方式，如图2、图3所示。

如图3所示，将新的吊点和立柱焊接成整体，到海上在平台上切割部分立柱，与吊点整体焊接，再实施吊装。

图4 可重复利用的新型吊点

在此类吊点形式的应用中，应注意拆除吊点较平台安装吊点而言，卡环加高、弯矩增大。总体来说，形式较为传统，设计较为简单，但新平台安装及平台拆除过程中需要进行较多海上施工，在降本增效方面效果不佳[6]。

1.2 一种新型的吊点设计

针对边际油田吊装重量较轻的组块，可以重新利用新型吊点，进行平台拆除工作。吊点形式如图4所示。

2 新型吊点的设计

2.1 吊点设计简介

吊点位于平台甲板内侧，而不是常规的上甲板上面。上层甲板立柱的顶部设置钻机模块滑道梁，吊点在侧下方，即吊点在立柱环板的下方[6]，如图5、图6所示。

图5 使用新型吊点设计的平台平面图(最上层)

图6 使用新型吊点设计的平台立面图

2.2 新型吊点的基本设计思路

(1) 将吊点设置在平台上甲板的立柱侧下方，与主轴呈一定夹角。

(2) 在吊点上方设置可移动盖板，安装完毕后可以方便盖上，保持甲板完整。

(3) 吊点应伸出立柱环板，以保证组块吊装时，卡环吊绳不与结构碰撞。

(4) 吊点为padeye主板形式，主板方向与吊绳保持一致。

(5) 因吊点设置在侧面，需考虑卡环安装时的合理空间。

2.3 新型吊点的优势

(1) 避免海洋平台吊装后进行吊点切割、打磨、补甲板等海上施工作业。

(2) 吊点一般在钻机模块滑道梁上，新型吊点在侧下方，因此不必进行滑道梁的补焊、调平等工作，节约了海上施工耗时，降低了难度。

(3) 超过设计年限后的平台拆除时，不需重新切割主结构进行吊点焊接的工作。

3 新型吊点设计需注意的问题

3.1 新型吊点设计特点

(1) 卡环安装空间的局限。尤其在偏心较大的情况下，主板偏向一侧腹板，销轴安装拆卸空间极为有限。

(2) 吊点板受平面外吊绳拉力时因销轴作用点距离主板根部较远，弯矩过大，极易破坏。

图7、图8分别给出了采用ANSYS软件建成的新型吊点3D模型和有限元模型。模型模拟了4个大梁、大梁相交的节点和新型吊点。考虑到SOLID单元在厚度方向的模拟较为灵活，可以生成多层网络，为获取精确结果，以及考虑结构厚度方向应力变化的结构，选取SOLID单元较为合适。所以本计算以VOLUME建模作为计算模型，使用SOLID 185单元将网格划分为236 337个单元。新型吊点材料的弹性模量E=200 000 MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3,模型的约束条件为全约束，如图9所示。

图7 新型吊点的3D模型 图8 新型吊点的有限元模型

图9 新型吊点有限元计算的约束条件

新型吊点两侧的大梁信息见表1。

表1 新型吊点两侧大梁信息

新型吊点的材料信息见表2。

表2 新型吊点材料信息

图10 新型吊点的有限元计算结果(有5°面外角)

有限元计算结果如图10所示，其中屈服强度范围取值为292.5 MPa。从图10中可以看出：吊点板受平面外吊绳拉力时因销轴作用点距离主板根部较远，弯矩过大，极易破坏。

3.2 空间问题的考虑

(1) 吊点设置在上甲板内侧，安装空间比较狭小，附近一般有其他管线等设施，所以需核对安装空间，避免卡环无法安装、吊绳拉起时碰撞的问题发生。安装空间主要包含：

① 销轴的安装空间(包含横向空间和纵向空间)。

② 卡环的安装空间。

③ 吊绳的安装空间。

图11 主吊点位置上环板的形式(平面图)

(2) 由于销轴和卡环的安装空间有限，应注意：一是主吊点的主板不能太靠近两侧的梁，即吊点主板与主梁夹角不能过小，保证卡环销轴可以安装；二是吊点圆孔中心距立柱间距应加大，避免卡环安装及使用过程中的碰撞。

(3) 由于主结构一般早于主吊点的设计，因此主吊点位置的上环板一般设置为圆弧形以适应最终主吊点角度变化，如图11所示。

(4) 为了避免吊绳与上环板碰撞，一般需要把上环板缩短，如图12所示。

图12 主吊点位置上环板的形式(立面图)

图13 主吊点吊点孔 内侧焊接示例

3.3 受力考虑

(1) 因吊点从立柱侧面伸出，为避免卡环吊绳与结构(主要是环板)相碰，吊点的主板需要外伸一定距离，对主板受弯极为不利，需要加强此部分校核。

(2) 为使吊点受力尽可能避免与吊绳力产生较大面外角，在建造工期允许的情况下可以考虑先称重，再焊主吊点；如果组块重心不确定，工期也不允许，可以考虑使用吊装框架。

3.4 防腐考虑

因吊点需要经过整个平台使用寿命的考验，所以防腐问题尤为重要。

除了吊点位于平台上甲板内侧以外，可考虑在主吊点吊点孔内侧进行焊接，如图13所示，其作用是避免吊点孔内侧进水腐蚀吊点。

4 结 论

近年来,中国的辽河油田、大港油田、胜利油田的极浅海油田开发进程加快,其属性也都归属于边际油田,要求设计研究出能适合于边际油田和极浅海油田的实用、可靠、经济的简易平台。许多工程师和科学家致力于简化生产工艺或研制新型平台结构形式来满足边际油田的低成本、高效率的开发。

传统吊点形式简单，设计容易实现。但新平台吊装后需要一系列海上施工：切割，切割处打磨，再铺甲板焊接或者补齐吊点处的滑道梁，尤其是补滑道梁，需要调节平整度，熔透焊，焊缝检验等工作，耗时费力。待平台服役结束，需要进行新吊点及立柱部分的钢材采办，重新制造吊点，运输至海上切割部分立柱后进行熔透焊接，48 h后检验等。

本文介绍了一种适用于组块安装和拆除的吊点形式，一物多用，不仅可供新组块安装时使用，而且可以在平台服役期满后再次利用，节省了海上施工人力投入和船舶资源的大量费用，也节省了重装吊点的钢材材料，提高平台拆除的效率，为实现降低成本提供了好方法。此外，在该种新型吊点的设计过程中，需要综合考虑空间问题、受力问题和防腐问题，以期得到最佳的吊点设计方案，保证工程的施工安全。

在现在油价低迷且持续时长不定的情势下，如何降低工程成本、降低海上施工的难度和工作量都是需要在设计中提前考虑的。边际油田一般设施简单、重量较轻，本文介绍的吊点形式可以很好地适用于此类平台。吊点形式可以推广应用，较小重量的模块、结构物都可以根据吊点连接结构形式予以小幅改动加以使用。