逄仁德李亞東丁 彬?qū)O 濤李云峰劉 鵬

(1. 山東海洋工程裝備有限公司，青島 266580；2. 山東海洋工程裝備研究院有限公司，青島 266580)

0 引 言

隨著海洋油氣資源開發(fā)力度不斷加大，油氣開采不斷由淺海向深海邁進(jìn)，固定海洋平臺(tái)不斷向大型化、綜合化的方向發(fā)展，尺寸也在不斷加大，隨之而來的拆解難度也不斷加大。以前使用的在海上進(jìn)行設(shè)備拆解施工的方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，浮托技術(shù)也日益完善，采用浮托法海上拆解工藝是海上大型平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。浮托法解決了組塊建造受起重能力的限制無法做大的矛盾，提高了平臺(tái)建造效率，減少了海上作業(yè)時(shí)間，降低了海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。在浮托作業(yè)過程中，針對(duì)不同的平臺(tái)結(jié)構(gòu)選擇不同的舉升作業(yè)方式，對(duì)于能否高效完成廢棄平臺(tái)的拆解非常重要。

1 大型海上固定式平臺(tái)分類

目前，全球現(xiàn)存超過7 000個(gè)固定式海洋油氣鉆采平臺(tái)，每年數(shù)量還在持續(xù)增加。這些平臺(tái)的管理者和擁有者，既有世界五大石油公司，也有新興的國(guó)家石油公司(如印度、印度尼西亞、泰國(guó)和越南等)。在全球固定式海洋油氣鉆采平臺(tái)中，約1 000個(gè)重量超過4 000 t，預(yù)計(jì)其中每年有35～50個(gè)需要被拆解；另外，全球每年拆解超過300個(gè)新的海洋平臺(tái)，其中約100個(gè)重量超過4 000 t，目前以及以后海上油氣設(shè)施拆除工作量巨大。

1.1 重力式平臺(tái)

重力式平臺(tái)一般用鋼或鋼筋混凝土建成，靠本身重力就能穩(wěn)定地坐在海底，重力式平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)由以下部分組成：

(1) 基礎(chǔ)部分： 直接接觸海底，是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)；它的形式及尺度是否合理是平臺(tái)能否穩(wěn)定的關(guān)鍵。在海上拖航時(shí)，基礎(chǔ)提供足夠的浮力把整個(gè)平臺(tái)托起，起到浮筏的作用。

(2) 甲板部分： 是進(jìn)行石油生產(chǎn)時(shí)的生產(chǎn)場(chǎng)地、設(shè)備場(chǎng)地和生活場(chǎng)地。

重力式平臺(tái)一般分布在挪威大陸架和英國(guó)大陸架等地區(qū)，重量一般為10 000～40 000 t。例如，如圖1所示，英國(guó)北海SPUR平臺(tái)上部模塊重量為15 000 t，如圖2所示，挪威大陸架的Gullfaks A油田的Condeep平臺(tái)上部模塊重量為27 000～50 000 t，英國(guó)北海的Brent Delta的上部模塊重量為24 000 t。

圖1 SPUR平臺(tái)上部模塊

圖2 Condeep平臺(tái)上部模塊

1.2 導(dǎo)管架平臺(tái)

導(dǎo)管架平臺(tái)主要由三部分組成： 上部甲板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架和樁腿。對(duì)于拆解作業(yè)來說，影響最顯著的是上部甲板結(jié)構(gòu)形式以及導(dǎo)管架樁腿數(shù)量及尺寸。

(1) 上部甲板結(jié)構(gòu)形式： 上部甲板支承結(jié)構(gòu)要承受所有上部結(jié)構(gòu)的載荷，包括所有模塊載荷及工作時(shí)產(chǎn)生的各種動(dòng)載荷。由于平臺(tái)上層結(jié)構(gòu)的總強(qiáng)度由該結(jié)構(gòu)承受，因此其強(qiáng)度要求較高。甲板支承結(jié)構(gòu)形式分為箱形、板桁及桁架三種，由于桁架式結(jié)構(gòu)較箱形和板桁型結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度好。因此，大多數(shù)模塊式上層結(jié)構(gòu)的上部支承結(jié)構(gòu)為三維空間桁架，其構(gòu)件布置形式類似導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的桁架形式。

(2) 導(dǎo)管架樁腿： 導(dǎo)管架樁腿主要承受重力、風(fēng)浪流力及橫向彎矩。樁腿一般采用4個(gè)或8個(gè)，分別稱為四樁腿導(dǎo)管架、八樁腿導(dǎo)管架，樁腿一般布置成兩排，水平為長(zhǎng)方形，腿直徑的選擇至關(guān)重要。甲板上部模塊的布置和重量直接影響上部甲板的尺寸，進(jìn)而影響樁的根數(shù)及尺寸大小。

隨著深海油氣開發(fā)需求的不斷加大，平臺(tái)上部模塊的重量也呈現(xiàn)加大的趨勢(shì)，在5 000～35 000 t不等，廣泛分布于中國(guó)南海、東海，英國(guó)北海，墨西哥灣等海域，如墨西哥灣水深189.5 m的Lauea油田導(dǎo)管架平臺(tái)，高度為196 m，導(dǎo)管架重量為8 100 t；中國(guó)南海荔灣3-18腿導(dǎo)管架平臺(tái)，浮托重量約為20 000 t；如圖3所示，英國(guó)北海的TARTAN A四腿導(dǎo)管架平臺(tái)，主體重量約為28 490 t；如圖4所示，英國(guó)北海的Johan Sverdrup八腿導(dǎo)管架平臺(tái)，浮托重量約為26 000 t[3]。

圖3 TARTAN A導(dǎo)管架平臺(tái)

圖4 Johan Sverdrup導(dǎo)管架平臺(tái)

2 浮托拆解作業(yè)方式分析

浮托拆解法通過潮汐變化、駁船壓載調(diào)節(jié)等方式來實(shí)現(xiàn)上部組塊結(jié)構(gòu)的起降，采用整體拆除方案，操作靈活、安全、高效，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)參與浮托作業(yè)駁船的形式和數(shù)量，主要分為單船浮托拆解法和雙船浮托拆解法兩種。對(duì)于大開口式導(dǎo)管架，宜采用單船浮托法；對(duì)于組塊重量較大且開口較小的導(dǎo)管架，則可考慮采用雙船浮托法。

2.1 單船浮托法

單船浮托拆解法(見圖5)通過將作業(yè)駁船駛?cè)霕?biāo)的導(dǎo)管架平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)槽口的正下方，通過系泊系統(tǒng)以及調(diào)載使船上臨時(shí)支撐與上部組塊樁腿對(duì)接，通過調(diào)節(jié)駁船壓載水艙的水位或者依靠潮汐水位變化，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)與下部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的分離，當(dāng)組塊頂升離開導(dǎo)管架樁腿一定高度后，浮托船駛出導(dǎo)管架并將組塊運(yùn)至指定地點(diǎn)。

浮托法拆解步驟：

作為意指實(shí)踐的文化：斯圖亞特·霍爾的文化表征理論及其評(píng)價(jià) ………………………………… 張 謖（2.87）

(1) 進(jìn)船階段： 氣候窗滿足設(shè)計(jì)安裝條件，安裝船通過錨泊系統(tǒng)、縱向纜、交叉纜以及拖船等拖拉進(jìn)入主腿槽。在此階段，工程設(shè)計(jì)除了要考慮待機(jī)階段的所有因素外，還須考慮以下幾個(gè)方面： 進(jìn)船時(shí)組塊插尖與其樁腿禍合緩沖器之間的垂向距離、船首進(jìn)入導(dǎo)管架主腿槽時(shí)的橫向運(yùn)動(dòng)，以避免發(fā)生碰撞。抵達(dá)安裝位置時(shí)，組塊插尖的水平運(yùn)動(dòng)。

(2) 對(duì)接階段： 通過壓載系統(tǒng)、升降裝置等始終保持安裝船的前后吃水一致，均勻壓載，將組塊重量從駁船逐漸轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架上；載荷轉(zhuǎn)移完畢后，繼續(xù)壓載，使組塊支撐單元和組塊分離并保持一定的間隙。

(3) 退船階段： 通過錨泊系統(tǒng)、縱向纜、交叉纜以及拖船等拖拉退船。在此退船階段，其工程設(shè)計(jì)需要考慮橫蕩護(hù)舷和縱向護(hù)舷的受力情況、錨泊系統(tǒng)、縱向纜和交叉纜的強(qiáng)度、組塊支撐單元與組塊之間的間隙、駁船底部與導(dǎo)管架橫梁之間的間隙。

圖5 單船浮托法

單船浮托拆解技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，它通過海上拆解成功地將整體上部組塊拆解到不同的固定式結(jié)構(gòu)或浮式海洋平臺(tái)上。應(yīng)用浮托技術(shù)進(jìn)行拆解的海洋平臺(tái)種類越來越多，主要包括導(dǎo)管架平臺(tái)、重力式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、半潛平臺(tái)以及Spar平臺(tái)等結(jié)構(gòu)形式。

在2000年之前，國(guó)內(nèi)大型的海洋平臺(tái)上部組塊都采用吊裝法進(jìn)行海上拆解。近年來，浮托法由于拆解迅速、海上調(diào)試時(shí)間短以及可彌補(bǔ)起重船資源不足等優(yōu)勢(shì)得到了大力發(fā)展，其應(yīng)用也逐漸從環(huán)境友善的封閉海域發(fā)展到了海況相對(duì)劇烈的開闊海域。

2.2 雙船浮托法

對(duì)于難以開槽的SPAR平臺(tái)以及槽口較小的導(dǎo)管架平臺(tái)，其上部模塊的拆解無法通過常規(guī)浮托法實(shí)施，因此提出雙船浮托法。雙船浮托法可以避免下部結(jié)構(gòu)開槽，使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有更大的自由。在國(guó)際上，出現(xiàn)過很多與雙船浮托法類似的可用于海洋平臺(tái)上部組塊整體拆除的海洋工程裝備和海洋工程解決方案。下面主要介紹以下兩種方案。

(1)Pioneering Spirit號(hào)雙體船舉升系統(tǒng)。

ALLSEA公司耗資31億美元建造了Pioneering Spirit號(hào)雙體船。這是目前全球最大的平臺(tái)拆解與拆裝船。Pioneering Spirit號(hào)船長(zhǎng)382 m，寬124 m，船體之間間距為59 m。這是世界上首艘集合整體平臺(tái)拆裝與管道鋪設(shè)于一體的超大型工程船，搭載大型起重機(jī)，該起重機(jī)能夠吊起重達(dá)4.8萬噸的成套設(shè)備。該船是一艘雙體船，有兩個(gè)船首與船身及船尾相連，其首部形成一個(gè)U字形，以便實(shí)施平臺(tái)的拆卸、安裝工作(見圖6)。

圖6 雙體船浮托法

Pioneernig Spirit船艏U形空槽區(qū)域拆解有兩套共計(jì)16根起重臂，通過液壓控制，這些起重臂可以實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向的移動(dòng)，用以補(bǔ)償船舶運(yùn)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)快速浮托拆除工作。這套系統(tǒng)類似于主動(dòng)浮托系統(tǒng)，可以在5 s內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)載荷轉(zhuǎn)移，大大提高了海上環(huán)境適應(yīng)能力和拆解能力。

(2)TML雙船舉升系統(tǒng)。

SeaMetric公司創(chuàng)新提出了TML系統(tǒng)，這套系統(tǒng)由三艘配備定位系統(tǒng)的半潛船組成，一艘負(fù)責(zé)運(yùn)輸，兩艘負(fù)責(zé)拆解，通過安裝于兩艘起重船上的8～10根巨型起重臂以及三級(jí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海上2萬噸的超大起重能力，是世界最大的雙體海洋起重船。比起傳統(tǒng)的重型起重船，雙體起重船系統(tǒng)在大中型平臺(tái)安裝拆除的費(fèi)用要少近一半，并具備縮短操作時(shí)間、適應(yīng)惡劣海況、可淺海操作等優(yōu)勢(shì)。兩艘拆解半潛船配有多個(gè)起重裝置，最大起重能力為34 000 t。

雙體起重船主要通過浮力艙、壓載艙、起重臂和船體實(shí)現(xiàn)起吊。每個(gè)起重臂通過一個(gè)支撐部件連接在駁船上，每根吊臂上船體與被吊物體之間設(shè)置一個(gè)浮力艙，吊臂的另一端設(shè)置一個(gè)壓載艙。起吊前兩艘駁船分列被吊物體兩側(cè)，拋錨系泊，被吊物體與吊臂連接，通過在浮力艙釋放壓載水，在壓載艙加壓載水實(shí)現(xiàn)起吊，產(chǎn)生一個(gè)起吊力矩，實(shí)現(xiàn)物體起吊(見圖7)。

圖7 雙船浮托法

在作業(yè)過程中，在兩條相同起重船上配備多套舉升臂，以安裝于舉升臂上的浮艙和壓載艙為基礎(chǔ)。它的目的就在于通過移動(dòng)位于舉升臂上的壓載物來產(chǎn)生起重力，同時(shí)通過在重力卸載作用下的快速壓載排出和海水泵的使用來達(dá)到此目的。當(dāng)起重力達(dá)到目標(biāo)要求時(shí)，兩艘起重船將對(duì)象物體從平臺(tái)兩側(cè)的底部聯(lián)合抬起并放置到第三艘駁船上，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)的平臺(tái)的拆解和運(yùn)移。

3 結(jié) 語

(1) 單船浮托法是從平臺(tái)底部正下方托舉施工的，而雙船浮托法是從平臺(tái)兩側(cè)底部抬舉施工的，這為海洋工程的施工提供了一種新的思路。從以上優(yōu)勢(shì)可知，雙船浮托法是未來海洋石油工程施工市場(chǎng)的一種不可忽視的新工藝

(2) 拆解對(duì)氣候窗的要求嚴(yán)格，其可操作性主要取決于拆解地點(diǎn)的環(huán)境條件、拆解氣候窗的選取以及浮托拆解方向等。拆解船的運(yùn)動(dòng)性能、導(dǎo)管架、主塊樁腿和拆解設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，對(duì)拆解設(shè)計(jì)環(huán)境條件有約束作用，從而影響到拆解的可操作性。

(3)與雙體船浮托法相比，雙船浮托法不受“U”形口的寬度影響，標(biāo)的平臺(tái)橫向尺寸理論上可以很大。