（水利工程专业论文）天津港石化码头升级改造研究.pdf

中文摘要 随着我国原油需求量的不断攀升，以及国家战略石油储备计划的逐步实施， 各地港口纷纷加大了对大型石化泊位的开发建设力度。外贸进口原油的经济船型 将以1 0 - 3 0 万吨级为主，为了适应世界油轮的大型化趋势，满足腹地对原油的需 求，除了新建3 0 万吨级原油码头，对原有码头进行升级改造，使之具备接卸3 0 万吨减载油轮的能力，是各地原有石化码头亟待解决的问题。 对已建泊位的结构和设备进行改造扩容，从而扩大泊位规模、完善码头功能、 提高作业效率，是世界各国港口解决泊位资源紧张、装卸能力不足的基本方法。 1 0 万吨级泊位升级3 0 万吨减载泊位，在国内外尚未有先例。天津港石化码头的4 个泊位，最大的南l # 泊位等级为1 0 万吨级兼顾1 5 万吨，而国际主流原油船船型 为3 0 万吨级。天津港石化码头在接卸超大型油轮方面并不具备优势。本题结合 天津港南一泊位3 0 万吨油轮减载靠泊改造工程，旨在对相关环节进行分析研究， 寻找提升泊位能力、实现原有码头升级的可行方案，并为类似项目提供经验。 本文主要论述了改造过程中涉及的泊位码头泊位长度、船舶靠泊设施间距、 码头前沿停泊水域、船舶回旋水域、航道、船舶荷载( 船舶靠泊撞击力、船舶横 摇产生的撞击力、系缆力) 、结构( 系缆墩、靠船墩) 、登船梯、快速脱缆钩装置、 原油输油臂、消防设施、施工工艺等问题。大型石化码头的生产效益一般较好， 因此在制定升级改造方案时更应该强调加快工期。因此，必须因地制宜，充分利 用现有条件，才能做到又好又快地建设。同时，对码头部分设备设施进行更新， 进行更为科学的运营管理，是保证改造项目正常运行的重要措施。从实施结果来 看，本课题在工程得到了成功的应用。文章最后总结并探讨了该课题在实际应用 中的值得注意的若干问题。 总之，本课题扩展了大型石化码头升级改造的思路，在后续的工程中应进 一步研究推广，将会产生良好的经济和社会效益。 关键词：天津港，石化码头，改造 a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fl a r g ep e t r o c h e m i c a l st e r m i n a l sa r ei n c r e a s i n gi nal o to f p o r t s ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fd e m a n df o rd o m e s t i cc r u d eo i l ，a n dt h ei m p l e m e n t o fd o m e s t i cc r u d eo i ld e p o s i t e dp r o j e c ti nc h i n a t h ee c o n o m i c a ls i z eo fi m p o r to i l t a n k e rw i l lb e10 0 - 3 0 0t h o u s a n dt o n sg r a d e f o rt h es a k eo fa d a p t i n gt h et r e n do f l a r g e ro i lt a n k e ri nt h ew o r l d a n dt of i l lt h ed e m a n df o rd o m e s t i cc r u d eo i li nc h i n a , w es h o u l db u i l dal o to fn e w3 0 0t h o u s a n dt o n sg r a d et e r m i n a l s a n di t i sa d e s i d e r a t i n gp r o b l e mf o rt h eo l dp e t r o c h e m i c a l st e r m i n a l si nc h i n a ，t ou p g r a d et h e o l d t e r m i n a l ss oi tc a nb e r t ht h e3 0 0t h o u s a n dt o n sg r a d es h i p s i nt h et e r m i n a l sa l lo v e rt h ew o r l d ，i ti sab a s i cm e t h o dt of i l lt h ei n s t a n td e m a n d o fb e r t h sa n dl o a d i n gc a p a b i l i t i e sb yu p g r a d i n gt h es t r u c t u r e sa n df a c i l i t i e so ft h eo l d t e r m i n a l s t h e r e b yt h es c a l eo ft h eb e r t hw o u l db ee n l a r g e d ，t h ef u n c t i o no ft h e t e r m i n a lw o u l db ep e r f e c t ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h el o a d i n g p r o c e s sw o u l db e e n h a n c e d i nc h i n a , i ti st h ef i r s tt i m et ou p g r a d ea10 0t h o u s a n dt o n sg r a d eb e r t ht oa 3 0 0t h o u s a n do n e t h e r ea r e4b e r t h si nt i a n j i np e t r o c h e m i c a l st e r m i n a l ，t h el a r g e s t o n ei sn o 1b e r t h ，a n di ti s10 0 15 0t h o u s a n dt o n sg r a d e b u tt h em a i no i lt a n k e rs c a l e i s3 0 0t h o u s a n dt o n sg r a d ei nt h ew o r l d ，s ot h e r ei sn os u p e d o d t yt ol o a du l t r a - l a r g e c r u d ec a r d e ri nt i a n j i np e t r o c h e m i c a l st e r m i n a l i nt h i sp a p e r , w ew a n tt or e s e a r c h t h ep r o j e c to fn o 1b e r t hu p g r a d i n g ，f i n dt h ef e a s i b l em e t h o d ，a n dp r o v i d es o m e e x p e r i e n c et os i m i l a ri t e m s i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s s e dal o to fp r o b l e m s ，s u c ha st h el e n g t ho f t h eb e r t h ，t h e s p a c eb e t w e e nt h ef a c i l i t i e s ，t h ew a t e ra r e ao fb e r t he d g e ，t h ew a t e ra r e ao fs h i p c o n v o l u t i n g ，t h es e a - r o u t e ，e t c i ng e n e r a l ，t h eb e n e f i t so fl a r g ep e t r o c h e m i c a l s t e r m i n a l sa r ee x c e s s i v e ，s ot h et i m el i m i tf o rt h eu p g r a d i n gp r o j e c ti sm o r ei m p o r t a n t a n di tw i l lb ea ni m p o r t a n tm e a s u r et oe n s u r et h ep r o c e s so ft h ep r o j e c t ，b yc h a n g i n g s o m ef a c i l i t i e sa n di m p l e m e n t i n gs c i e n t i f i cm a n a g e m e n t i ti sas u c c e s s f u la p p l i c a t i o n i nt h i sp r o j e c t ，a n dw ea l s od i s c u s s e ds o m eq u e s t i o n sa b o u ti ti nt h i sp a p e r i nc o n c l u s i o n ，t h i sp a p e re n l a r g e dt h et h i n k i n gr a n g eo fu p g r a d i n gt h el a r g e p e t r o c h e m i c a l st e r m i n a l s i ft h e s em e t h o d sc o u l db eg e n e r a l i z e di nt h es i m i l a rp r o j e c t s l a t t e r l y , i tw i l lb r i n gal o to fa p p r o v e db e n e f i t st ot h ee c o n o m ya n ds o c i e t y k e yw o r d s ：t i a n j i np o r t ，p e t r o c h e m i c a lt e r m i n a l s ，u p g r a d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 蟊芜 签字日期：砂7 年7 月i目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 r 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：浅光 签字目期：p 7 年弓月1 日 导师签名： 签字日期：工唧年夕月 目 ， 第一章绻论 1 1 选晨背景 1 1 1 我国油品需求形势 第一章绪论 进入新千年后，国内油田生产量增长放缓，而高速增长的经济对能源的需要 量逐年扩大，国内原油供需失衡已成为不争的事实，2 0 0 2 年权威专家的预测到 2 0 i o 年全国原油进口量将达到一亿吨，但这一数字在不到两年的时间内就被打 破2 0 0 4 年全年进口原油1 2 2 8 15 5 万吨，2 0 0 6 年高达1 4 5 1 8 3 万吨。每年中国还需 一定数量的5 硝燃料油，其中的2 3 是被地方炼油企业作为麒油的替代品，2 0 0 6 年5 7 # 燃料油的进口量达2 6 0 0 万吨，如果再将此因素考虑进去，2 0 0 6 年中国的原 油进口量应在16 亿以上( 详见表1 1 ) 。2 0 0 7 年专家预钡i 报告称中国原油年需求 量预计将在接下来的数年内继续高速增长，2 0 l o 年之前年增长率可能将达到 65 ，预计2 0 1 0 年前中国每年的原油总需求将达到45 5 亿吨，相当于每天9 l o 万 桶，其中有25 亿吨原油将来自进口( 详见图1 - 1 ) 。中国已成为仅次于美国的世界 第二大石油进口国和消费国。 曲 囤卜i 中国原油需求与供给情况示意图 摹蕾 第一章绪论 表1 - 12 0 0 3 - 2 0 0 6 年海关分关区进口燃料油统计表 鳓 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 关区 天津 1 6 7 86 3 5 07 2 6 91 8 9 3 l 青岛 2 6 0 2 75 1 2 35 2 4 1 96 3 0 9 8 全国 2 3 7 8 9 3 0 5 3 9 2 6 0 1 2 2 7 9 3 1 能源发展十一五规划指出：以应对石油天然气供应中断等为核心，我国 将建立完善的能源安全预警机制和应急机制，除政府石油储备外，将适时建立企 业义务储备，鼓励发展商业石油储备。中国从2 0 0 4 年开始启动战略石油储备计 划，第一批战略储备基地是由国家发改委代表国家出资，分别在浙江镇海、浙江 舟山、辽宁大连和山东黄岛成立了4 家“国家石油储备基地公司”，并负责4 个 石油储备基地的建设和运营管理。首批这4 个石油储备基地预计于2 0 1 0 年全面 建成。根据国家发改委等部门的初步规划，我国将用1 5 年时问分3 期完成石油 储备基地的硬件设施建设，预计总投资将超过1 0 0 0 亿元。储量安排大致为：第 一期1 0 0 0 万至1 2 0 0 万吨；第二期2 8 0 0 万吨；第三期2 8 0 0 万吨。 1 1 2 世界油轮发展现状 油轮是大小吨位齐全的船型，根据航线、载重量的不同，世界油轮船队可划 分为6 种类型，见表1 2 。 表1 2油船类型表( 万吨) 油船类型吨级 灵便型3 5 巴拿弓型 6 8 阿芙拉型8 1 2 5 苏伊： ：型 1 5 v l c c2 0 3 0 u l c c 3 0 根据克拉克森2 0 0 0 2 0 0 5 年世界油船船队的统计，到2 0 0 5 年底，世界油船 船队规模达到3 7 5 9 艘、3 2 l 亿载重吨，分别比2 0 0 0 年同期增长1 0 7 5 、1 1 4 2 。 同时近几年吨位增长快于艘数增长，说明世界油船吨位向大型化发展的趋势( 详 见图1 2 ) 【1 1 。 中国目前原油进口主要来源于中东和西非两大远程原油出口地区，分别约占 2 第一章绪论 总进口量的5 0 和2 5 ，而根据船舶投资经济评价，v l c c 是远距离运输原油经 济效益最佳船型。因此油船进一步大型化将仍是中国乃至世界油船船队的发展趋 势。 罾 k v 茸 裂 8 0 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 隧 瀚 豳 銎 因 _一 瘸 嘲 一 圈 嘲网阕黝豳 幽豳幽豳圈一一 幽豳圈 量 嚷嘎 璧壑量量奄量 萑叫 。“ “ 2 1” 色o t 船舶吨级( d w t ) 图卜2 世界油轮运力分布图 1 1 3 我国石化码头发展状况 石油化工码头是装卸原油、成品油、化工品等散装液体货物的专业性码头。 它距普通货( 客) 码头和其他固定建筑物要有一定的防火安全距离。这类码头的 一般特点是货物载荷小，装卸设备比较简单，在油船不大时( 如内河系统) ， 般轻便型式的码头都可适应。由于近代海上油轮巨型化，根据油轮抗御风浪能力 大、吃水深的特点，对码头泊稳条件要求不高。目前有四种装卸原油的深水码头 ( 或设施) ，即：单点系泊、多点系泊、岛式码头和栈桥式码头。 1 ) 油码头规模 随着海上油轮的巨型化发展，石油化工码头的规模也随之扩大。 我国沿海规划的进口原油码头选址大都布置在水域开阔、水深条件好、地质 条件适宜的岸线。根据4 0 万5 0 万吨级u l c c 资料统计，其满载吃水范围2 4 2 5 米，比3 0 万吨级油轮满载吃水多2 3 米。如能结合工程海区条件，对码头平面 布置、水工结构、装卸工艺方案进行优化，在投资增加不多的情况下可考虑兼顾 接卸4 0 万5 0 万吨级u l c c 油轮的条件，提高码头运营的灵活性和前瞻性。 从我国进口油来源、航线及运距、海峡限制条件、世界及我国原油船队、原 油运输战略合作、船舶经济性等方面分析比较，我国沿海进口原油码头建设规模 可根据港口条件适当提高等级，以3 0 万吨级v l c c 油轮为主力船型，兼顾4 0 万5 0 万吨级油轮靠泊作业【2 | 。 第。章绪论 2 ) 油码头建设热潮 巨大的石油进口量，蕴含着石化码头发展的无限商机。2 0 0 3 年下半年，在 我国东部沿海，从渤海湾到北部湾，众多港口城市掀起了一阵兴建港口的热潮。 大连、天津、青岛、南通、宁波、舟山、茂名、湛江等沿海城市纷纷将发展港口、 特别是建设大型油品泊位作为其城市发展战略的重要组成部分，并希望借此带动 本地石化、物流产业的迅速发展，他们纷纷勾勒起自己的“油品大港”之梦【3 】： ( 1 ) 大连港3 0 万吨级原油码头已于2 0 0 4 年建成投产。该码头与原有的原油、 成品油码头构成了油品码头群，鲇鱼湾将成为年通过能力在5 5 0 0 万吨以上的全 国最大的油品转运中心。此外还将启动5 0 万吨级原油码头项目。 ( 2 ) 2 0 0 5 年中国进口原油近三分之一从宁波口岸登陆，其中宁波大榭实华原 油码头功不可没，该码头是全长6 6 6 公里的甬沪宁进口原油输送管线的起点，当 年就接卸原油2 2 9 4 万吨。大榭实华原油码头在接卸方面的出色表现，印证了港 口发展大型油码头的重要性，茂名、湛江、泉州等地港务局也表示，将依托本地 大型炼油企业，大力发展本港的油品运输能力，相关的规划已陆续出台。 ( 3 ) 2 0 0 5 年底，年加工8 0 0 万吨的广西北海炼油异地改造项日进展顺利。这 一备受关注的炼油项目由中国石油化工股份有限公司投资，是于目前位于市区内 的年加工6 0 万吨北海炼油厂搬迁异地改造，总投资11 9 6 亿元。由于西部的广 西、云南、贵州3 省区目前只有不到1 0 0 万吨的两个小型炼油企业，到2 0 1 0 年 这一地区市场缺口将达7 0 0 万吨以上，国内三大石油公司对在北部湾沿海建设大 型炼油厂均情有所钟，这一项目的筹建备受各方关注。 ( 4 ) 2 0 0 6 年2 月，国家重点工程舟山册子岛3 0 万吨级码头顺利实现靠船投油。 册子岛原油码头及油库项目为分期建设，其一期工程由6 座1 0 万立方米储油罐、 1 座3 0 万吨级原油码头及相关配套设施组成。是中国石化自行组织设计、施工 建设和管理的第一个大型原油码头。该码头油库东衔舟山岙山方向而来的原油管 道，西连宁波镇海的海底管道，位于岙镇管道的咽喉部位，是国家“十五”重点 建设项目中国石化甬沪宁管网工程的重要组成部分。 ( 5 ) 中石化8 0 0 万吨炼油异地改造项目选址距北海市区5 0 公里的铁山港区， 并将在涠洲岛修建原油码头及原油库区，通过海底管线连接生产厂区。有人认为， 涠洲岛西北侧海域天然水深2 2 2 5 米，可建设3 0 5 0 万吨原油码头，是西南沿海 深海岸线中难得的大型原油码头资源。 ( 6 ) 2 0 0 7 年9 月，河北曹妃甸3 0 万吨级原油码头水工工程提前竣工，并于2 0 0 8 年8 月开始通航使用。中石化将通过该码头增加原油进口，以供应附近的燕山炼 油厂，并在北方建立商业原油储备中心。 4 第一章绪论 ( 7 ) 2 0 0 8 年1 月，青岛港3 0 万吨级原油码头靠船投产，该项目是青岛市重点 港口建设项目之一，总投资5 亿元。泊位水深2 4 米，长5 2 0 米，在结构上预留 可停靠4 5 万吨级超级油轮。码头与后方陆域间通过8 5 2 米引桥相连，卸船主管 线采用d n l 0 0 0 管道通至黄岛油库和大炼油，在水深、泊位长度上都超过大连港 的3 0 万吨级原油码头。 ( 8 ) 2 0 0 8 年1 0 月，天津港实华3 0 万吨级原油码头投产。天津港将在2 0 1 0 年 前投资1 5 4 亿元，完成港内原油泊位、深水航道等十大工程，构建起一套完整的 现代物流体系，2 0 1 0 年建成第二座3 0 万吨级原油码头以及一系列规模不等的油 品码头，实现油品运能的倍增。 1 2 国内外研究动态 在相同最大装卸能力条件下，高效率的作业具有较大的优势，其平均在港时 间要小于泊位多但效率低的情况。可见在港口发展中通过更新设备、优化调度等 手段来提高效率，对提升港口作业能力和提高港口竞争力是很有效的，甚至会超 过增建码头的效果。从经济方面来分析，运用相同的投入达到相同的作业能力的 增加值，通过技术改造提高装卸效率的方式将优于新建泊位。 因此，充分利用现有岸线和泊位资源，在投入少、工程量小的前提下，对已 建泊位的结构和设备进行改造扩容，从而扩大泊位规模、完善码头功能、提高作 业效率，已成为世界各国港口解决泊位资源紧张、装卸能力不足的基本方法，加 拿大、澳大利亚【4 】等国均有成功先例。在中国港口中，也先后有镇海【5 】、南京【6 】、 大连【7 j 等多个码头通过改扩建提升了靠泊能力。 以镇海算山撑7 泊位为例，该泊位原为5 万吨级成品油码头，可靠泊1 万5 万吨级油轮1 艘，或可同时靠泊1 0 0 0 5 0 0 0 吨级油轮2 艘，设计年吞吐能力3 6 2 万吨。镇海炼化公司为了充分挖掘现有码头的潜力，适应生产发展的需要，缓解 算山码头油品装卸的压力，拟在撑7 泊位兼靠5 万1 0 万吨级油轮。经过对码头泊 位长度、船舶靠泊设施间距、码头前沿停泊水域、船舶回旋水域、航道、船舶荷 载( 船舶靠泊撞击力、船舶横摇产生的撞击力、系缆力) 、结构( 系缆墩、靠船 墩) 等数据进行复核计算，算山码头对原有登船梯、快速脱缆钩装置、围油栏进 行了改造和更换；原油输油臂由d n 3 5 0 换成d n 4 0 0 ，相应配管换大；码头前沿 的4 门消防炮和消防泡沫罐换大；新增设l 台激光测速仪及相应的便携式显示仪。 从而成功提升了泊位的装卸能力。 通过改造，拌7 泊位的年设计吞吐能力由3 6 2 万吨提高到4 5 0 万吨，有效地 缓解了算山码头油品装卸的压力。整个工程已于2 0 0 4 年6 月通过竣工验收并投 第一章绪论 入使用。 1 3 研究的目的意义和主要研究内容 1 3 1 目的意义 随着我国原油需求量的不断攀升，以及国家战略石油储备计划的逐步实施， 各地港口纷纷加大了对大型石化泊位的开发建设力度。大连、青岛、秦皇岛、曹 妃甸等地的3 0 万吨级原油码头，特别是2 0 0 8 年1 0 月投产的天津港实华原油码 头( 3 0 万吨级) ，都给天津港石化码头带来了巨大的竞争压力。 原油是天津港石化码头接卸货类的支柱，占总吞吐量的7 5 9 5 ，近三年， 原油的增幅平均达到3 4 6 。2 0 0 7 年完成的2 0 0 8 万吨吞吐量中，原油己达到了 1 5 2 5 万吨。但受航道及码头功能所限，天津港石化码头在接卸超大型油轮方面 并不具备优势。受泊位等级限制，中石油、中石化两大客户在天津上岸的进口原 油需要在青岛、宁波等地换1 0 万吨以下的船舶运输，每吨原油成本上升4 0 元。 为提升天津港石化码头在原油货源中的竞争优势，满足大型原油船舶的进港接卸 要求，通过进行3 0 万吨油轮减载靠泊技术研究和适当的泊位改造，实现大型油 轮减载靠泊接卸，提高了天津港油品码头吞吐能力，降低了货主的中转成本，避 免了货源流失。在对现有泊位进行升级改造后，天津港石化码头可进行3 0 万吨 减载靠泊，安全接卸v l c c 油轮( 2 0 3 0 万吨超大型油轮) 。 本文旨在结合天津港南一泊位3 0 万吨减载靠泊改造工程，对大型石化码头 升级改造涉及的各环节进行分析研究，寻找提升泊位能力的可行方案，增强企业 竞争力，确保天津港石化码头整体战略目标的顺利实施。 1 3 2 主要研究内容 1 ) 石化码头经营环境分析：对企业外部环境( 如区域规划、行业前景、竞争 对手、周边库区、输油管线、疏运情况等) 和内部环境( 如码头地理位置、自然 环境、航道条件、泊位布局、通过能力、市场潜力、发展瓶颈等) 相关数据进行 分析。 2 ) 码头升级改造：分析码头升级存在的问题，力求在原有码头主要结构和整 体布局不进行大的变动基础上，利用部分调整和增加水工结构及设施、设备以满 足泊位能力提升要求。 3 ) 实施码头升级需要注意的问题：对实施中可能出现的问题进行预测，提出 控制措施，保证项目正常进行。 6 第二章天津港石化码头升级改造各选方案 第二章天津港石化码头升级改造备选方案 天津港的石化码头，均为高桩码头i 】。高桩码头足我国港口建设5 0 多年来采 用最早、应用最广泛的码头型式，在渤海湾西侧、长江三角洲和珠海、湛江等地 都建有众多的高桩码头。在2 0 世纪7 0 年代后，世界上大型港口普遍加深到1 2m 以 上，现已有5 0 多个港口能接纳吃水1 5 m 的1 0 万吨级的船舶，2 0 多个港口能接纳吃 水1 8m 的2 0 万吨级船舶。目前国内外新建的大型油港，水深具备2 2 5 - - 2 4i l l 。 船舶大型化、专业化，货物散装化和集装箱化是适应海运量持续增长和航运市场 激烈竞争的必然结果，成为新一轮航运革命的标志，而深水港口和高效专用泊位 的建设是航运业竞争的必然要求。 随着国民经济持续发展。经济结构逐步调整和产业结构升级、国际航运船 舶向大型化、专业化发展的趋势，我国港口码头功能结构性不平衡和效率低下已 成为一个不断上和升的主要矛盾。老码头资源配置小尽合理尤其不适应运输结 构调整的需要【1 0 】。面对新形势，原有码头的突出问题是设施老化，装卸效率低下， 因此必须进行升级改造才能适应形势的需要。同时，国家未来燃料需求的发展， 也将带动港口专业泊位的建设和改造工作。在可行的情况下，改造码头工程常常 比建全新的工程费用低、用时短，改造老码头势在必行。 已建码头结构形式多种多样，对其进行升级改造的可行性以高桩码头为最 优。这主要是高桩码头的承载力是利用深层地基承载力及桩与地基土的侧摩阻力 来实现的。由于港池表层地基土基本不起重要作用，因而浚深码头前沿泊位水深， 不会对码头整体安全性有影响，但却解决了升级后靠泊大型船舶的吃水这一关键 要求。这是重力式码头不可能直接解决的，也是板桩码头由于板桩墙变形及踢脚 稳定要求制约不易实现的。 由于改造、升级的码头往往是新老结构的重新组合，其各分部分项构件的安 全度及耐久性差异较大，对码头整体而言的安全性、耐久性、适用性应仍以最薄 弱的部位为控制要素。 2 1 天津港南1 泊位3 0 万吨减载靠泊改造工程概况 本次在天津港南一泊位进行的3 0 万吨减载改造，与以往有相比，改造等级的 跨度更大，涉及专业更多，特别是采用大直径灌注桩对靠船结构进行加固，充分利 用原有设施条件，取得了预期的效果，达到了国内领先水平。下面对该工程的背景 作简要介绍。 第二章天津港石化码头升级改造备选方案 本工程位于天津港南疆港区南一泊位，是在天津港南一泊位原有状况基础 上，适当进行改造接卸减载至吃水约1 6 8 m 后的3 0 万吨原油船。由于南一泊位 原设计船型为1 0 万吨级油船，兼顾1 5 万吨油船，因此码头的尺度、水工结构、 现有卸船设备及消防能力等均无法满足靠泊减载后3 0 万吨油船的靠泊使用要 求，需进行相应的改造i 引。 泊位改造内容为：对现有南一西泊位西侧靠船墩、南一东泊位两个系船墩、 两个靠船墩及南二泊位西侧靠船墩共计6 个墩台实施加固改造，原有登船梯移位 并加高，增加两台输油臂，更换两门消防炮等。实施改造后的天津港南一泊位可 停靠3 0 万吨减载至吃水一1 6 8m 的油轮，泊位能力由原来的8 5 0 万吨年，提高 到现在的1 0 5 0 万吨年p j 。 2 2 工程自然条件 1 ) 码头区的地质情况 码头区的地质情况主要为第层灰褐灰色海相沉积层，以淤泥、淤泥质粘 土为主，底部有粉质粘土混贝壳海相沉积标志层；第层灰灰黄色海陆交互沉 积层，包括l 粉质粘土、2 粉土；第层褐黄色陆相冲积粉砂层。各土层性 质为： 淤泥：灰褐灰色，软流塑状，中中上塑性，土质均匀，该层分布连 续，厚度8 9 m ，平均标贯击数n i ； 2 淤泥质粘土：灰灰褐色，软塑状，中中上塑性，含少碎贝壳砂斑、 该层分布连续，厚度2 - - - 3 m ，平均标贯击数n i ； 粉质粘土混贝壳：灰深灰色，以粉质粘土、粉土为主，混多量碎贝壳、 砂斑、该层分布连续，厚度1 - - - 2 m ，为海相沉积标志层： 1 粉质粘土：灰灰黄色，可塑状，中塑性，含少量砂斑、该层分布连续， 厚度2 3 m ； 2 粉土：灰黄色，可塑状，含砂斑，粉质粘土，土质不均，分布连续，在 3 粉质粘土混贝壳与1 粉质粘土之间局部夹有粘土，粉土透镜体。 粉砂：褐黄色，密实状为柱，局部为中密状，夹粘性土薄层，平均标贯击 数n = 4 6 ，该层出露顶标高- 2 4 - 3 0 m 之间。 2 ) 陆域地质情况 陆域地质情况主要为： 叵l 填层：1 素填土、2 淤泥质粘土；海相沉积层：l 粉土、2 淤泥质 8 第二章天津港石化码头升级改造备选方案 粘土、3 粘土、粘性土混贝壳；海陆交互相沉积层：1 粉质粘土、2 粘 土、1 粉质粘土、2 粉土、3 粉细砂。具体性质为： 1 素填土：褐色褐黄色、可塑硬塑状，局部软塑状，表层0 5 m 左右 厚的硬壳，夹砂斑、砂团，土质不均匀，分布在表层，厚约1 7 2 o m 不等，为 人工回填形成。 2 淤泥质粘土：褐灰色、灰色，软塑状，中上塑性，夹少量碎贝壳、砂 斑，局部夹有淤泥、粉质粘土和粉土薄层，分布连续，厚度1 6 6 o m 不等，为 吹填形成。 1 粉土：褐灰色，松散状，局部中密状，夹粉砂斑、少量粉砂薄层，土 质不均，分布连续，厚度0 5 2 o m 不等，底标高- 2 7 1 m - 5 o m 2 淤泥质粘土：褐灰色，软塑状，中上塑性，夹少量碎贝壳、砂斑。局部 夹有淤泥薄层，分布连续，厚约4 0 - - 9 o m 不等，底标高一7 8 6 - - - 13 5 3 m 。 3 粘土：褐灰色，软塑状，局部可塑状，高速状，夹少量碎贝壳、砂斑， 分布不连续，在部分钻孔中出露，厚度约0 8 4 o m 不等，底标高一1 2 4 9 - - 一1 3 2 6 m 。 粘性土混贝壳：褐灰色，粉质粘土、粘土为主，混夹碎贝壳，数量不均， 软塑可塑状，中塑性，厚度较小，分布底标高一1 3 4 9 , - 一一1 4 7 6 m 。 1 粉质粘土：褐灰色，夹粉砂斑，土质不均，可塑状，局部呈应硬塑状， 分布不连续，底标高- 1 4 8 6 一1 5 9 0 m 。 2 粘土：褐灰色，夹粉砂斑，土质较均匀，可塑硬塑状，分布不连续， 与1 粉质粘土呈互层状分布。 1 粉质粘土：褐、褐黄色，可塑硬塑状，中塑性，夹砂斑和粉土薄层， 分布底标高一1 8 8 6 一2 3 2 7 m 。 2 粉土：褐、褐黄色，中密密实状，夹粉砂薄层，分布不连续，底标 高- 2 1 2 6 一2 5 2 7 m 。 3 粉细砂：褐、褐黄色，密实状，分布稳定，平均标准贯入击数n = 4 9 5 击。 2 3 利用现有设施直接升级的方案 现有设施结构能满足升级后大型船舶靠泊的前提下，可以利用现有设施直接 升级。 第一章天津港石化码头升级改造备选方案 2 3 1 仅浚深泊位港池不改变装卸工艺 仅浚深泊位港池，不改变装卸工艺、使用荷载和靠泊船型，只起到增加备淤水 深、靠泊船舶的有效作业时间及降低维护费用的作用，达到既不改变码头原有设 施和功能又能增加泊位经济效益的目的。 2 0 0 4 年9 月1 2 月进行了天津港2 2 2 4 段码头泊位浚深工程。该工程将泊 位水深由- 1 0 o o m 浚深到一1 1 o o m 。该项目实施后，仅花费了正常的年维护清淤 费，并可每2 年节省一次年维护清淤费，还使到港船只每天增加了4 h 作业时间，提 高了作业效率，相当于增加了1 6 6 7 吞吐作业效益。这是典型的不花钱、挖潜增 效的举措。 2 3 2 根据需要进行浚深，严格按原使用工艺及设计荷载控制使用而 进行的码头泊位升级 本方法在丹东港码头升级中得到过应用，可为本工程借鉴。丹东大东港于 1 9 9 6 年将大东港原万吨级钢桩栈桥高桩码头3 # 泊位的原- 1 0m 水深浚深到 - 1 3 o m 后，改为5 万t 级泊位，使用时严格限制靠船速度、限制码头卸货荷载不 超过3 t 群。泊位升级后桩力能否适应的问题，在调查考证施工单位竣工资料及打 桩贯入度与试桩结果后表明，现有桩力完全满足升级后荷载效应下的桩力要求。 但原结构在升级后船型作用下，验算表明系靠船力及码头整体横向刚度不能抵抗 5 0 0 0 0 t 级船舶作用力。由于靠船力与撞击物的质量和速度成正比，故只要将靠船 速度降至一定数量级时，则靠船力也可满足要求。由此派生出升级后必须要限制 靠船速度的作业要求，并应尽可能用港作拖轮协助运货船只靠泊码头的工艺。装 卸作业仍然维持原装卸工艺并严格限制码头堆货在原设计3 t 寸之内。这种改造 工程体现了尽量少花钱，采用有条件限制使用下的“小马拉大车”升级改造项目。 该泊位1 9 9 6 年改造投产后即收到了可观的成倍增长效益。 该改造项目，在营运6 年后进行了后评估工作及对码头使用现状进行了检测工 作。检测结果表明，改造升级后的3 # 泊位取得了明显的经济效益。但码头作业中 出现了控制不严，上部结构破损比较严重的情况。3 # 泊位在卸货区间8 0 以上的 主横梁出现裂缝，后排水平连续梁9 0 以上出现裂缝，明显反映出竖向荷载及水平 荷载均超出了改造后的允许值。实践证明，这种用限制使用荷载的办法解决升级 改造中的安全性问题是不可靠的，而且稍有不慎就要付出“伤筋动骨”的“内伤” 代价【1 2 】。 l o 第二章天津港石化码头升级改造备选方案 2 3 3 大型浮式护舷法 在保持原有水下地基土坡度的情况下船舶和码头之间设置大型浮式护舷， 使前沿水深增加，日照港东港区# 9 泊位浚深改造工程采用此方洲1 3 】。这种方法投 资小，设施简单，但是使用时有一定限制，存在着输油臂外伸距增加的问题以及 上下船舶的跳板问题。 2 3 4 固定式钢箱体护舷法 在船舶与码头之间加设一固定式箱体，码头埋设锚固螺栓固定箱体，再将橡 胶护舷固定在箱体外侧，意即护舷向外侧平移。秦皇岛港某码头采用此法，使护 舷向外侧平移出2 2 m ，水深增) j i l l 5 m ，使3 5 ：f i 吨级码头改造成5 万吨级泊位。 2 4 新建码头的方案 在现有设施结构无法满足升级后大型船舶作业时，可以采用新建设施的方式 提高泊位等级。 2 4 1 局部新建的方式 在原有码头外建新的设施，在充分利用原有设施的前提下，新老设施构成一 个崭新的深水泊位，是“大马拉大车”，避免了“小马拉大车”的弊端。尽管新、 老设施寿命不一致，但仍能快速发挥最大经济效益，比全部新建一同类型深水泊 位要节省得多。 1 9 9 3 年镇海炼化股份有限公司决定将原为1 5 万吨级的算山码头1 泊位升级 改造为2 5 万吨级原油码头，改造后的1 泊位，增设了2 个首尾缆墩、泊位长度增加 j ! u 5 1 4 m ，增设了2 组7 根1 5 0 c m 钢管柔性靠船钢簇桩、配置了快速脱缆钩和钢桩应 力测试系统，新设计了渡压式登船群等设施该工程于1 9 9 4 年1 2 月竣工，经2 年多 时问运行，各设施运行正常，取得了较好的经济效益和社会效益。该工程已于1 9 9 7 年3 月2 1 日正式通过验收【1 4 】。 烟台港1 - 3 # 码头改造工程，将原有5 0 0 0 吨级方块码头改造为2 0 0 0 0 吨级码头。 基桩采用1 2 0 c m 直径灌注桩。该工程的实施使码头年通过能力由5 0 万吨提高至! l j 9 0 万i l i 电 1 5 。 2 4 2 拆除重建的方式 此方法是拆除码头原有不符合较大承载要求的陈旧的结构，新建更高等级 第二章天津港石化码头升级改造备选方案 的泊位，也是升级改造的重要方法。采用此方法升级泊位，适应主流船舶的需要， 操作性好。这种改造方式虽能改善码头现况，提高码头承载力，但对港区装卸生 产有较大影响。表现为施工条件复杂、施工空间受到制约。重建工程的特点是既 要新建又要停产，在考虑是否采用拆除重建时，工期长短往往是关键因素，对经 济效益好的泊位应更为慎重。 天津港一港池西侧码头是日伪时期建造，为8 米宽承台的高桩梁板码头。改 造工程在拆除老码头截掉旧桩的条件下，在3 6 0 米长的岸线上建两个万吨级泊位， 基桩采用6 0 0 r a m 6 0 0 r a m 预应力钢筋混凝土空心桩，上部由预应力梁板及面层组 成。码头前沿高程一9 0 米。该工程1 9 9 7 年5 月开工，1 9 9 8 年1 2 月竣工。 2 5 对现有结构加固的方案 2 5 1 加固边坡的方法 泊位升级浚深后引起岸坡不稳定时，应对岸坡进行加固。 1 ) c d m 法 在已有码头前沿坡脚的地基土内建造水泥土挡土墙的结构设施，或者在岸坡 处用水泥浆或代用品进行土壤灌浆，以便获得边坡稳定性。这种方法费用昂贵， 且施工技术较复杂。该方法国外应用实例比较多，也不乏对原有岸坡加固处理后 直接浚深的工程实践。例如，塞浦路斯l a r n a c e ，美国罗艾兰卅 p r o v i d e n c e 港 的改造工程都采用这种方法，使码头前沿水深由l i 7m ，1 0 o m ，9 9m 分别增 加到1 4 7 m ，1 2 o m ，1 2 o m ，这些码头岸坡加固处理的措施是地基灌浆、钻孔灌 浆整体固化或设置钻孔灌注桩支护等【1 6 】。 2 ) 前板桩结构法 在已有码头前沿建造板桩墙。如果采用无锚板桩，施工时使用潜水液压振动 打桩锤或水下打桩的方法，把桩顶打至泥面处以确保码头岸坡稳定和港池疏浚作 业安全；如果采用有锚板桩，贴近码头前沿筑打一排钢板桩墙或钢筋砼板桩墙， 利用老码头锚碇，或者采用工字钢锚杆，斜度1 ：1 3 ，由打桩船打入。1 9 9 7 年1 2 月东莞海腾5 0 0 0 吨级集装箱码头，高桩梁板结构，在靠近码头前沿施打一排挡泥 钢板桩墙，板桩顶打至水下，使码头前沿水深增加和浚深时边坡稳定。2 0 0 2 年蛇 口港集装箱码头二期工程3 号泊位与原有2 号泊位过渡段，水深由一1 3 2m 增至 1 7 01 1 1 ，采用直径1 o m 灌注桩组成一列锚板桩墙，墙前后的泥面高差最大处达 3 8 m ，原边坡稳定。 1 2 第二章天津港石化码头升级改造备选方案 2 5 2 加固码头结构的方法 1 ) 增大结构加固法 本方法是指利用原有桩基，或适当补桩加固，并新浇注上部混凝土结构。新 老结构形成整体共同工作。这种改造方式能显著改善码头现况，提高码头承载 力。本方法的设计和施工中，应努力加强新老结构之间的结合和联系，使之能整 体工作f 17 】。 2 ) 结构粘钢加固法 结构粘钢加固是一种建筑结构工程的加固技术。用特制的结构胶粘剂，将钢 板粘贴在钢筋混凝土结构的表面，使钢板与混凝土构件共同工作，达到加固及 增强原结构强度和刚度的目的。针对码头泊位承接装卸任务繁忙，以及码头梁、 柱局部受损这一特点，引进科技含最较高的结构枯钢专业技术，恢复码头承载 力，已成为码头改造重要方法之一。 粘钢加固施工工艺及操作要求先对混凝土表面裂缝进行灌浆修复形成封闭。 再将混凝土待贴表面打毛，清除表面污垢、尘土后，用丙酮擦拭干净。 然后将钢板粘贴面除锈、打磨，并用丙酮擦拭干净。按比例将结构胶与固化剂进 行配置，并搅拌至无色差、无气泡，充分均匀的结构胶。将配好的结构胶，分别 均匀涂抹于钢板及混凝土待贴表面，然后将钢板粘贴到混凝土面上，并通过预 留孔，用膨胀螺栓及角铁固定加压。最后在钢板表面涂刷防锈漆。 建于上世纪年代初的上海港共青号泊位码头加固改造工程，即采用粘钢技 术。该码头为高桩梁板式结构，由于混凝土结构自然老化、不均匀沉降，以及使 用管理不当等多方面的原因，有些混凝土构件均有不同程度的损坏，特别是码 头横梁，多处产生裂缝。因此，采用粘钢加固法用粘结剂将钢板粘贴到构件 摇要加固的部位，以恢复结构承载力，从目前使用情况来看，外贴钢板抑制裂 缝产生和限制裂缝扩展的作用是明显的。但是，由于枯贴钢板长期处于水位变动 区，所以，需经常加强对钢板的维修、保养工作。 3 ) 碳纤维布加固法 该方法是一种新型的结构加固技术。它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘 贴于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度达到增强构件承载能 力及刚度的目的。 施工工艺及操作要求： 表面预处理先以环氧树脂灌注对裂缝封闭，使其达到强度硬化后，用磨光 第章天津港石化码头升级改造各选方案 机把碳纤维加固面积范围内的混凝土磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成 园弧状，园弧半径不小于毫米。对于裂缝修补区域周边混凝土表面破损的地方， 凿除后用环氧砂浆填补平整。粘结剂配粘结剂和粘结底涂的配工，须严格按使用 说明和相关试验配比操作，配里器皿和工具不得沾水和油污，搅拌器应以低速 搅拌，充分搅合，尽量不要出现气泡，并保持颜色统一。涂胶、粘贴碳纤维布将 混凝土表面灰尘清除后用丙酮擦拭干净，均匀地涂上一层底胶环氧树脂。待固化 后用细砂纸轻轻打毛表面，再用丙酮擦拭干净，涂上粘结剂然后尽快地把裁好 的碳纤维布彼贴上去，在横梁底及二个侧面分别横向粘贴碳纤维布一层，滚压 密实无气泡，使环氧树脂充分渗透碳纤维布。第一层碳纤维布硬化后，用丙酮把 表面擦拭干净，再涂上枯结剂，按型粘贴纵向碳纤维布。再次滚压密实，最后， 在碳纤维布