用于海洋平臺拆除的樁腿耦合頂升裝置設計研究

劉富有，劉登輝，阮志豪

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300457

2.能威（天津）海洋工程技術有限公司，天津 300457

隨著海洋油氣資源的開發日益擴大，越來越多的海上采油平臺出現在海洋中。一般海洋石油平臺的設計壽命為20年，雖然部分平臺壽命到期后經過評估和維修繼續服役，但大量平臺面臨退役是不可改變的事實。據估算，未來十年在渤海灣至少有50座海上棄置平臺將要被拆除。

棄置平臺的拆除方法主要有吊裝拆除和浮托拆除。吊裝拆除是將平臺的整個上部組塊與導管架分離后，直接吊裝到駁船上運輸至碼頭。該方法的優點是海上切割工作量小，但需要使用具有足夠起重能力的大型浮吊船，并且由于拆除時無法對組塊的重量和重心做出精確計算，整體起吊的風險非常大。浮托拆除是采用雙船浮托法整體拆除上部組塊，整體運輸至碼頭。為了使雙船浮托法在整體拆除組塊時每個支撐點都具備可調性，以解決上部組塊重量和重心無法精確計算的問題，設計了樁腿耦合頂升裝置[1-4]。

1 樁腿耦合頂升裝置的構成

樁腿耦合頂升裝置由三個關鍵部件構成：球體轉動結構、橡膠緩沖單元和頂升液壓油缸，見圖1。

圖1 樁腿耦合頂升裝置構成示意

1.1 球體轉動結構

球體轉動機構的上部結構為不銹鋼球面，下部為耐磨板或四氟板，兩者形成低摩擦的摩擦副，摩擦系數為0.003～0.007，轉動力極小，因此球體轉動機構具有承載力大、傳力可靠、轉動靈活、轉角大的特點。

1.2 橡膠緩沖單元

橡膠緩沖單元內部分為豎向減振單元和水平向減振單元，豎向壓縮單元的壓縮曲線是變剛度曲線，在壓縮初期，彈性體變形大，反力小，在接近目標位移時，曲線的斜率增加，彈性體提供的反力增加；水平壓縮單元的測試曲線與豎向壓縮單元的壓縮曲線線型一致。橡膠緩沖單元的豎向變形是為了避免鋼與鋼的接觸，通過載荷的轉移，保證穩定的配合和載荷轉移；水平方向的位移，可以消除風浪等外界因素的影響，保證豎向載荷的平穩。豎向緩沖件在壓縮初期，彈性體變形大，反力小，在接近目標位移時，曲線的斜率增加，彈性體提供的反力增加。這種壓力-位移曲線的好處是：拆除的棄置平臺年代久遠，有一些后續施工項目造成重量與理論值存在誤差，或平臺在拆除過程中有一定的晃動，而彈性體的彈性變形具有很小的變量，可保證整體拆除結構的穩定性、拆除過程的安全性[5-6]。

1.3 頂升液壓油缸

頂升液壓油缸用于提供足夠的頂升力而使平臺與樁腿分離，在頂升過程初期，橡膠緩沖單元可以為頂升油缸與平臺的接觸提供足夠的緩沖，球面轉體提供載荷傳遞。待上部載荷全部轉移，橡膠緩沖單元壓縮達到了最大，油缸與平臺之間可視為由剛性的橡膠緩沖單元連接，通過PLC位移控制，保證各頂升油缸頂升高度的同步均勻增加，從而保證平臺被平穩頂升起來。油缸的控制系統采用雙系統控制，即位移控制和液壓控制的雙系統控制模式，同時各油缸設計有兩套油路（其中的一套為手動備用系統）。控制系統以位移控制系統為主，液壓控制系統則時時進行監測，兩個控制系統均設定上限預警功能，均具備急停功能。控制系統配套有油壓傳感器，可校核上部結構的頂升力，監測上部結構的操作，避免出現超壓工作，因此安全性非常高。

2 樁腿耦合頂升裝置的強度校核

由于被拆除上部組塊的重量只能估算，在樁腿耦合頂升裝置設計中選用1 000 kN規格的液壓油缸，以確保具有較高的安全系數。內部應用的緩沖單元設計要求按照下述設計要求進行計算，同時在設計中確保緩沖單元在達到設計載荷時緩沖單元應力低，緩沖單元自身的安全系數高。對于其他鋼結構的強度核算，均采用承載力1 000 kN進行計算，以保證產品的使用壽命和安全系數[7-9]。

2.1 假定的設計參數

（1） 液壓缸頂升力1 000 kN，行程300 mm，頂升速度5～10 mm/min。

（2）垂向緩沖單元設計載荷壓縮量為150 mm。

（3） 橫向緩沖單元設計載荷150 kN，壓縮量60 mm（含安裝間隙）。

（4）轉動結構設計轉角5°。

2.2 轉動結構強度校核

轉動結構分為上球體轉動結構與下接受體部分，應確保兩者能夠直接進行轉動以及能夠轉動一定的角度，因此需降低兩者之間的摩擦力，以及校核轉動角度和轉動過程中的有無干涉。為了降低兩者之間的摩擦力，在兩者之間設置了一層低摩擦系數的滑板。有限元分析的邊界條件為：接受體與垂向緩沖單元鋼板接觸面為固定面，上球面與平臺接觸面施加1 000 kN力。計算產生的最大應力為103 MPa，按照鋼結構的許用應力為0.9×材料屈服強度=0.9×325 MPa=292.5 MPa，其應力在可接受范圍之內，見圖2。

圖2 轉動結構的最大應力云圖/Pa

2.3 鋼筒結構強度校核

采用有限元分析方法，邊界條件為鋼筒外面固定，在液壓缸承載面施加1 000 kN的力。計算結果顯示最大應力和最大的變形均位于鋼筒內部隔板最中心，計算應力值為180 MPa，按照鋼結構的許用應力為0.9×材料屈服強度=0.9×325MPa=292.5 MPa，其應力在可接收范圍之內，見圖3。計算的最大變形為0.65mm。

圖3 鋼筒結構最大應力云圖

2.4 支撐導向板強度校核

采用有限元分析時邊界條件為：支撐板上面施加載荷1 000 kN，下板與油缸活塞桿接觸面作為固定支點。計算結果顯示最大應力在油缸與活塞桿接觸位置上，計算應力值為235.6 MPa，按照鋼結構的許用應力為0.9×材料屈服強度=0.9×325 MPa=292.5 MPa，其應力在可接受范圍之內，見圖4。最大變形在支撐板邊緣位置，計算的最大變形為0.83 mm。

圖4 支撐板最大應力云圖/Pa

2.5 垂向橡膠緩沖單元剛度校核

垂向橡膠緩沖單元性能設計參數為：當設計載荷分別為250、450、550 kN時，單塊橡膠設計變形均為150 mm/4=37.5 mm，誤差范圍均為-10%～10%。

采用有限元分析時邊界條件為：固定垂向緩沖單元下鋼板，在上鋼板施加250、450、550 kN載荷。計算結果表明，載荷550 kN時垂向緩沖單元應力最大，為11 MPa，小于橡膠的拉伸強度21.37 MPa，其應力在可接受范圍內。450 kN時垂向緩沖單元應變最大，為105%，小于橡膠的扯斷伸長率500%。

2.6 橫向橡膠緩沖單元剛度校核

橫向橡膠緩沖單元性能設計參數為：水平載荷150 kN，設計總變形60 mm（含間隙10 mm），單塊位移50 mm，誤差范圍-10%～10%。

有限元分析邊界條件為：固定外套筒，橫向緩沖單元與接受體鋼樁綁定，接受體鋼樁水平位移60 mm。計算結果為橫向緩沖單元聚氨酯部分最大應力為16 MPa，小于聚氨酯的拉伸強度44 MPa；橫向緩沖單元內部加筋板最大應力為155.7MPa，按照鋼結構的許用應力為0.9×材料屈服強度=0.9×325 MPa=292.5MPa，其應力在可接受范圍之內，見圖5。

圖5橫向緩沖單元最大應力云圖/MPa

3 樁腿耦合頂升裝置的系統設計

樁腿耦合頂升裝置分為兩個總成系統，單個總成系統內包含3套頂升裝置。總成系統的控制為位移控制，單個總成系統集成為一個面板。總成系統之間數據互通（相對位移數據）。集成面板上顯示位移測定數據（相對位移、兩個油缸位移數據）、油缸力值數據、控制按鈕、手動控制按鈕（補壓、泄壓）。控制系統設定上限預警功能，具備急停功能。相對位移測定采用在直徑72 in（1 in=25.4 mm）的鋼筒頂部與頂升物之間安裝4個位移傳感器，測量數據去掉最小值和最大值，取剩余兩個數據的平均值為一組數據，一套內3組位移偏差不得超過3 mm，由PLC控制頂升位移偏差。兩個總成系統之間的位移偏差根據實際工況判定。

油缸配套有壓力表、液壓監測系統（讀取系統內部壓力值，數據傳輸到控制面板，控制面板將油壓數值轉換成頂升力值），每個油缸外接一個壓力表，雙油路設計（一套手動控制操作），在筒外側設置油壓傳感器，配套液壓鎖。油缸頂升力1 000 kN，行程300 mm，速度5～10 mm/min。兩個位移傳感器，一個記錄油缸行程，另一個用于系統頂升標定位移，兩數據傳輸至控制面板。

4 結束語

樁腿耦合頂升裝置具有操作程序簡單、設計承載強度高、各部件安全系數高、操作精準、系統安全可靠等特點。本文設計的樁腿耦合頂升裝置為國內首創，可以滿足工程項目的需求，也為后續項目提供可借鑒的經驗。

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