吸力筒型基础海上拆除技术

吸力筒型基础海上拆除技术

高本金，郝军

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

摘 要：中国近海油气资源开发自20世纪80年代开始进入快速发展时期，早期建设的海上石油平台大多已接近设计寿命，未来将陆续退役并予以拆除。钢制导管架型基础海洋平台建成数量多，安装及拆除方案非常成熟。吸力筒型基础自20世纪90年代才开始在国内使用，拆除案例比较鲜见。结合现有海洋平台拆除技术，以某海上测风塔拆除项目为例，文中提出了3种吸力筒型基础海上拆除技术，从技术可行性、操作安全性角度对3种技术方案的优劣进行了比较分析。3种技术方案总体均可行，但在可操作性上存在差异，仍需进行深入研究。文章所述关键技术对类似吸力筒型结构及常规导管架基础结构都具有典型的工程实际参考价值。

关键词：吸力筒型基础；导管架基础；海上拆除；水下切割；气囊

0 引言

为满足我国社会经济发展对能源供应、海陆交通等多方面需求，近几十年来，我国已在中国近海投资建设了大量的海洋工程项目，海洋工程结构物服役年限达到设计寿命后需进行拆除，以减少对海洋生态环境的影响[1-2]。近年来，中国海油已开始在渤海油田实施拆除了数座废弃的海洋石油平台。导管架基础海洋平台是中国浅海油气钻采平台最普遍采用的基础形式，使用历史最久，拆除项目已实施较多，拆除方案也较为成熟[3]，但吸力筒型基础形式海洋平台因其应用历史较短，拆除案例较罕见。

香港中华电力有限公司投资建设了1座海上测风塔平台，该平台采用吸力筒型基础，由海洋石油工程股份有限公司于2012年4月建成并交付，设计寿命5 a，按服役寿命要求，该测风塔应在建成后5 a内拆除。海洋石油工程股份有限公司研究并提出了3种拆除方案，方案所采用的某些创新技术，可为常规导管架基础形式平台的拆除提供重要的参考。

该测风塔结构总质量约850 t，其中3个尺寸为φ7 000×50×13 100的吸力筒总质量约350 t。其电仪设备都安装在上部结构中，通过远程无线数据采集系统传输至陆地。测风塔主要结构形式如图1所示。

图1 测风塔三维模型
Fig.1 3D model of the met mast

1 装船及海上安装过程

测风塔下部结构采用滑移装船工艺，其总拖拉滑移重量约1 000 t，使用2台45 t拉力的卷扬机将其拖拉至载重量15 000 t的大型驳船上。

在执行海上运输工作之前对驳船稳性进行计算，对测风塔下部结构进行运输状态计算，并对海上固定结构进行局部受力分析，根据海上固定图纸完成对测风塔下部结构运输前的焊接固定工作。海上运输前保证未来48 h天气良好，以满足海上运输和吊装至指定位置所需作业时间。

测风塔运输至香港海域指定安装地点后，采用4 000 t海上全回转式浮吊进行安装作业，整个安装过程主要包括以下步骤。

1）安装3台吸力泵，然后将测风塔下部结构起吊离开驳船，下放到海上指定位置；

2）检查电气设备正常后，关闭泄流阀，打开吸力泵。在吸力筒缓慢下降过程中实时监测3个筒的水平度，以保证各筒体底部受力均匀；

3）测风塔在吸力泵作用下下降至指定深度后，移除吸力泵，关闭阀门；

4）施工人员登上测风塔平台B，将浮吊索具与主吊点分离；

5）吊装测风塔上部设备；

6）移除临时结构，油漆修补，完成电气仪表设备调试工作。

2 拆除方案

2.1 方案一：常规整体拆除

通常的拆除方案，是使用与安装方案同样的施工船舶和相关资源，按照安装方案的逆序进行。

该项目在进行安装设计时，已经考虑了常规整体拆除时的施工工艺要求，例如如何保留安装时的吊点等，为今后低成本实施整体拆除的方案预留了技术后门。因此从安全稳妥的角度考虑，方案一是最可靠的选择。

技术要点一：水下安装3台吸力泵的技术。与安装时不同，安装时是在水面以上完成吸力泵设备的安装，使用完毕后在水下进行拆除，而拆除时需要在水下安装吸力泵设备。水下就位安装比水下拆除的工艺难度大。在水下安装吸力泵撬，需要准确地将其定位在吸力筒顶部的入水口之上。虽然在测风塔建造时已经预留了限位导向装置，但由于限位导向装置在海底静置了数年，表面已长满海生物，有可能对定位工作造成较大的影响。即使只是工期的拖延，对项目的成败也非常关键。

技术要点二：整体提升技术。由于结构已经在海底静置数年，吸力筒本体与周围土壤已经形成稳态结构，其产生的吸附力相当大。虽然在3台吸力泵的选型时已经充分考虑了拆除时克服水下压力和吸附力的需求，但实际情况通常比理论计算更加复杂。

技术要点三：整体出水后的装船技术。整体出水后结构装船时的装船固定设计以及对突发恶劣海况的应对措施也是项目成败的关键。结构整体出水时重量大尺寸大，吊高要求也很高，浮吊作业难度相当大，因此对装船固定设计的要求及对海况分析的要求都很高。

2.2 方案二：水下分体拆除

水下分体拆除的方法为：使用水下切割设备将整个结构分解为若干部分[4-5]，然后使用较小的起重船将其逐个拆解出水装船。具体拆除工序参见图2所示。

采用水下分体拆除方案，对海上施工技术来说，是个非常大的挑战，具体体现如下：

技术要点一：水下切割工艺及设备的选择。香港特区政府环境保护法对水下施工的噪声控制和施工消耗品的排放要求非常严格，因此用于该项目的水下切割工艺及设备必须满足低噪声、无毒无害的要求。

图2 分体拆除工序示意图
Fig.2 Sketch of the separate demolition process

技术要点二：水下切割顺序及潜水作业时间的优化。以该项目为例，在拆除中央立柱时，水下有6道口需要切割。这6道口的切割顺序，不仅和被切割部分的重量重心有关，还和船舶就位方位、水流方向、潮汐时间等环境因素相关。同时，为了加快工程进度，有必要对潜水作业人员、作业时间及切割顺序进行统筹分析与优化。

技术要点三：水下作业安全保护设计。水下切割拆除作业对潜水员来说是一项高危作业。如果安全保护设计考虑不周全，会导致难以估量的严重后果。

2.3 方案三：使用气囊辅助整体拆除

使用气囊辅助技术进行整体拆除的方法为：使用小型浮吊，在水下安装3组共18个气囊（每个气囊提供净浮力58 t，共计可提供1 044 t净浮力，浮力储备超过25%），同时借助3台吸力泵和浮吊的起重能力，将吸力筒基础结构整体从海底拔出，然后湿拖至近岸浅水区域进行进一步拆解[6]。参见图3。

图3 气囊辅助拆除方案示意图
Fig.3 Sketch of the demolition proposal with assistance of air bags

采用这一方案，需要解决一系列的技术难题。

技术难点一：气囊水下安装及固定技术。气囊在水下进行安装时的状态与最终充满气的状态不一致，对气囊之间的连接以及气囊与水下结构之间的连接设计形成挑战。由于在吸力筒基础设计制造之初并未考虑到使用气囊辅助拆除的手段，因此气囊与吸力筒结构之间的连接设计是方案成败的关键。

技术难点二：气囊安全性及可靠性设计与验证技术。气囊在海底充满气后上浮，至海面时内外压力差增大，气囊存在爆裂的可能。因此在气囊的设计上需要予以充分考虑，并进行必要的样品试验，确保安全性和可靠性。

技术难点三：气囊组的集中控制技术。要保证吸力筒基础结构平稳上拔和上浮，对18个气囊进行集中分组控制是必要的。因此需要研究一套集中控制各个气囊充气量和压力的中央控制系统，用于现场操作。由于大量零部件将随气囊下水，因此其使用的可靠性也是十分重要的。

技术难点四：结构整体湿拖时的稳性分析。为了防止结构在湿拖过程中发生倾覆，湿拖稳性分析是必要的。同时由于该结构属于异形结构物，各气囊是松散型连接的离散浮体，因此其稳性分析方法又不同于常规的拖航稳性分析。

3 拆除技术的可行性比较

下面仅就技术可行性和可操作性方面对3种拆除技术进行比较。该比较研究不涉及经济性方面的考量。

方案一是从吸力筒结构基础设计建造之初就已经考虑并在具体设计中也有具体体现的方案，同时，这也是业界普遍采用的成熟方案之一，因此其技术可行，操作可靠。

方案二也是业界普遍采用的成熟方案之一，但由于在结构设计建造之初并未予以考虑，同时水下需要切割的口数较多，耗时较长，因此该方案的实施效果将严重依赖于天气海况和潜水作业的效率。该方案技术可行，但操作难度较大、风险较高。

方案三是一个全新的技术方案，无论是从设计层面还是从施工层面，都需要深入研究和论证。目前该方案还处于概念设计阶段，有些施工风险可能还未考虑到，因此还需要更深入的研究。

4 结语

以上所论述的3种方案，在技术实现上均可行，但在操作风险上差异较大，若不考虑经济性差异，方案一目前是最优的选择。若综合考虑技术可行性、安全性和经济性，三种方案仍需做深入研究。

海洋工程结构物的结构形式不同，其拆除工艺也存在较大差异。我国自20世纪80年代以来建设的近海海洋工程结构物已逐渐接近了设计寿命，海洋工程结构物拆除项目将逐年增多，工程项目的实施也将推动技术研究和技术进步，综合检验技术成果。

参考文献：

[1]周愫承，张太佶.海上石油平台拆除技术和工程的研究[J].中国海洋平台，2002，17（2）：1-6. ZHOU Su-cheng,ZHANG Tai-ji.A study on the decommissioning and abandonment technology and engineering of offshore oil platform[J].China Offshore Platform,2002,17(2):1-6.

[2]郝静辉，杨树耕.海上石油平台拆除技术的发展现状[J].中国港湾建设，2004（4）：51-54. HAO Jing-hui,YANG Shu-geng.Decommissioning and removal of offshore platforms a state of art[J].China Harbor Engineering,2004 (4):51-54.

[3]陈继红.浅海导管架采油平台拆除方法初探[J].石油规划设计，2003，14（6）：29-31. CHEN Ji-hong.A primary study on the demolition of jacket type production platform for the shallow water sea[J].Petroleum Planning&Engineering,2003,14(6):29-31.

[4]钟德理，潘东民，吴谊山，等.高压水研磨料水下切割设备在番禺30-1 DPP导管架安装浮筒拆除项目中的应用 [J].中国造船，2006，47（S）：406-410. ZHONG De-li,PAN Dong-min,WU Yi-shan,et al.The usage of high pressure abrasive subsea cutting equipment in buoyancy removing projectfor Panyu30-1 DPP jacketinstallation[J]. Ship Building of China,2006,47(S):406-410.

[5]陶杰，毛丽娟，惠胜利，等.海上废弃平台钢桩水下切割方法[J].石油和化工设备，2013（6）：42-43. TAO Jie,MAO Li-juan,HUI Sheng-li,et al.Offshore abandoned platform steel pile underwater cutting method[J].Petro&Chemical Equipment.2013(6):42-43.

[6]辛晓辉，张孝卫，刘玉玺，等.气囊助浮大型导管架下水可行性研究[J].石油工程建设，2014，40（5）：26-30. XIN Xiao-hui,ZHANG Xiao-wei,LIU Yu-xi,et al.Feasibility study of large jacket launch aided with gasbags[J].Petroleum Engineering Construction,2014,40(5):26-30.

Offshore removal techniques of suction can foundation

GAO Ben-jin,HAO Jun
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.,Tianjin 300461,China）

Abstract：China offshore oil and gas resources development went into a rapid developing period since 1980s,the offshore oil platforms early constructed are already close to the design life,they will be retired and removed in the future.Steel jacket foundation offshore platform was built in a great number;the installation and removed scheme is mature.Suction can foundation was used since 1990s with rare remove case.Based on an offshore meteorological mast remove project,we introduced 3 kinds of suction can foundation offshore removed schemes combining with the exiting offshore platform remove technologies,carried out the comparative analysis from the technical feasibility and operational safety.All three technical schemes are generally feasibility,but with different operability which needs to be deep studied.The key techniques mentioned in this paper have typical and practical value for other similar suction can structures and jacket foundation structures.

Key words：suction can foundation;jacket foundation;offshore removal;under-water cutting;air bag

中图分类号：U656.6

文献标志码：B

文章编号：2095-7874（2017）01-0050-04

doi：10.7640/zggwjs201701011

收稿日期：2016-08-25

修回日期：2016-10-10

作者简介：高本金（1984— ），男，山东聊城人，经济师，从事海洋工程项目管理工作。E-mail：gaobj@mail.cooec.com.cn