章仲怡,王佐強(qiáng),翁祖航,朱曉宇,唐友剛
(1.海洋能源發(fā)展股份有限公司 管道工程公司,天津 300450;2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300350)
近年來,我國拆除包括導(dǎo)管架平臺在內(nèi)的海洋設(shè)施日益受到關(guān)注。2012年中國石油集團(tuán)海洋工程公司對冀東-老南堡油田進(jìn)行了吊裝拆除,2013年和2014年又分別拆除了遼河油田和勝利油田平臺,2014年,我國拆除了曹妃甸1-6油田SPM導(dǎo)管架[1]。渤海90年代安裝的導(dǎo)管架平臺等,5~10年后達(dá)到棄置期,其質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到萬噸級,無法采用起重船法拆除。因此著眼于導(dǎo)管架平臺棄置的現(xiàn)狀與未來,研究具有經(jīng)濟(jì)效益、操作性強(qiáng)、安全可靠的海洋平臺拆除技術(shù)與裝備,對海洋石油工業(yè)持續(xù)發(fā)展及海洋環(huán)境保護(hù)具有一定的戰(zhàn)略意義。
本文考慮拆除作業(yè)裝備的不同,將拆除技術(shù)分為起重船法、浮托內(nèi)插法、浮托外插法、雙船抬升臂法及雙體船抬升臂法,分析了各自的系統(tǒng)組成、技術(shù)特點(diǎn)、施工流程及經(jīng)濟(jì)性能,對于我國發(fā)展拆除技術(shù)和裝備提出了建議。
起重船法拆除技術(shù)是利用大型浮吊起吊平臺上部組塊和導(dǎo)管架的技術(shù)。該技術(shù)發(fā)展較早,受到吊重能力、平臺尺寸、水深、起重船租賃困難及租金高昂等因素的限制。
起重船法拆除過程關(guān)鍵是吊點(diǎn)的選擇,必須保證吊耳與結(jié)構(gòu)的可靠連接、吊點(diǎn)強(qiáng)度滿足起吊要求,此外吊點(diǎn)的數(shù)量和位置也必須精心計算布置,保證提吊過程組塊不發(fā)生旋轉(zhuǎn)和脫落。因此,起重船作業(yè)一般要求浪高不能大于1.5 m, 且作業(yè)量大風(fēng)險大[2-3]。鑒于設(shè)備的限制,目前我國拆除的導(dǎo)管架平臺質(zhì)量范圍一般在300~2 000 t,普遍使用了起重船提吊,但是在5 000~10 000 t以上的大型導(dǎo)管架平臺拆除中采用起重船提吊受到多種因素制約,且費(fèi)用高、風(fēng)險大。
浮托法拆除技術(shù)主要使用特殊改造過的運(yùn)輸駁船進(jìn)行作業(yè),配合必要的定位裝置、對接裝置及壓載調(diào)節(jié)裝置等,即可完成導(dǎo)管架平臺的拆除作業(yè)[3-4]。基于作業(yè)船從導(dǎo)管架樁腿之間插入和從導(dǎo)管架樁腿外部插入,分為浮托內(nèi)插法和浮托外插法,圖1為浮托內(nèi)插法,圖2為浮托外插法。
圖1 浮托內(nèi)插法
圖2 浮托外插法
1)作業(yè)船進(jìn)入和定位。駁船通過艉進(jìn)式拖拉進(jìn)入導(dǎo)管架底部。通過縱向纜和錨機(jī),將駁船慢慢拉向?qū)Ч芗軜锻戎g的空檔。確認(rèn)駁船到達(dá)預(yù)定位置后,啟動所有絞盤制動系統(tǒng)進(jìn)行定位。
2)載荷轉(zhuǎn)移及退船。作業(yè)駁船排水上升,作業(yè)駁船上的減振裝置與上部組塊接觸并進(jìn)行接觸固定,而后切割臨時固定支撐位置的樁腿,繼續(xù)排水,使樁腿抬離固定支撐區(qū)域,作業(yè)駁船達(dá)到預(yù)定高度后,托起組塊。作業(yè)駁船在拖船牽引下外移離開導(dǎo)管架。結(jié)束組塊拆除過程。
浮托內(nèi)插法已經(jīng)被廣泛用于安裝導(dǎo)管架組塊。對于導(dǎo)管架樁腿間距較大的導(dǎo)管架平臺,采用浮托內(nèi)插法;而對于導(dǎo)管架樁腿間距小的平臺,采用浮托外插法。
優(yōu)點(diǎn):①適合于拆除大尺度、大重量的導(dǎo)管架平臺上部組塊,解決起重船設(shè)備不足的問題;②與大型起重船拆除費(fèi)用比較,費(fèi)用較低。缺點(diǎn):①僅能拆除上部組塊,不能用于拆除導(dǎo)管架;②作業(yè)環(huán)境要求嚴(yán)苛,縮短了海上的作業(yè)窗口期。
(4)可以在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求指標(biāo)下,在焊接材料采購時,可進(jìn)一步降低C含量以及S、P、Si等雜質(zhì)元素的含量,以降低產(chǎn)生熱裂紋的傾向,提高操作性;提高Al、Ti元素的含量,達(dá)到細(xì)化晶粒、提高焊縫金屬的塑性。
抬升臂安裝在作業(yè)船甲板上,以進(jìn)行抬升組塊拆除作業(yè)。抬升臂法拆除作業(yè)技術(shù)包括的雙船抬升臂法拆除技術(shù)(如圖3所示)和雙體船抬升臂法拆除技術(shù)(如圖4所示)。
圖3 雙船抬升臂法拆除技術(shù)
圖4 雙體船抬升臂法拆除技術(shù)
1)雙船抬升臂法拆除技術(shù)。單體船甲板上安裝抬升臂,這種船作業(yè)時,需要2條船同時通過抬升臂起重組塊或?qū)Ч芗埽砸脖环Q為雙船提吊技術(shù)[5]。拆除作業(yè)時,作業(yè)船位于導(dǎo)管架平臺兩側(cè)進(jìn)行抬升起重作業(yè)。
2)雙體船抬升臂法拆除技術(shù)。先鋒號 (Pioneering Spirit)雙體船,該船尾部開槽,槽口兩側(cè)配備4個抬升臂。先鋒號總長 382 m,寬度 124 m,主甲板下型深 30 m,其上部組塊(安裝或拆除)抬升臂的起重能力約為 48 000 t[5]。
1)雙船抬升臂起重裝備的系統(tǒng)組成和作業(yè)流程如下。
(1)系統(tǒng)組成。① 2艘安裝抬升臂的駁船,2艘駁船船體結(jié)構(gòu)為大型平底船,上層建筑和直升機(jī)甲板等位于艏部以增大抬升臂空間;②2套抬升臂,每艘起重駁船安放1套,每套8~10根抬升臂;③1套控制及檢測系統(tǒng),用于檢測船體吃水及壓載水水位。
(2)作業(yè)流程。①啟動抬升臂接近導(dǎo)管架平臺組塊下甲板的支撐點(diǎn),托住預(yù)先設(shè)好的支撐結(jié)構(gòu),切斷組塊與樁腿的連接后,抬升臂壓載艙注入壓載水,產(chǎn)生抬升力矩,組塊被緩慢抬起離開導(dǎo)管架;②組塊抬升至一定高度,兩側(cè)抬升臂托起組塊緩慢移動到運(yùn)輸駁船甲板上方,雙船系統(tǒng)抬升臂的壓載艙進(jìn)行排水,抬升力矩逐漸減小,組塊下放到運(yùn)輸船甲板上,雙船抬升臂系統(tǒng)起重施工結(jié)束。
2)雙體船抬升臂系統(tǒng)組成和施工流程。
(2)施工流程。①作業(yè)準(zhǔn)備之后,8個抬升臂托住平臺上部組塊的下甲板;②船舶排出壓載水,船體上浮,托起組塊;③組塊在抬升臂托舉下,緩慢駛離導(dǎo)管架。
1)優(yōu)點(diǎn)。①施工抬升能力強(qiáng),托舉的質(zhì)量可達(dá)到數(shù)萬噸,只要抬升臂強(qiáng)度和船體浮態(tài)滿足要求,托舉能力就沒有限制;②適應(yīng)海洋環(huán)境能力強(qiáng),可在惡劣海況下進(jìn)行拆除施工;③可以同時拆除組塊和導(dǎo)管架,作業(yè)效率高。
2)缺點(diǎn)。設(shè)備建造費(fèi)用較高,技術(shù)難度較大。
1)起重船法拆除技術(shù)。系統(tǒng)組成包括船體、吊臂和提吊索具。吊臂和提吊索具既是關(guān)鍵部件又是起重船的薄弱部件,提吊過程受風(fēng)浪流載荷影響極為顯著,對于風(fēng)載荷敏感。
2)浮托法拆除技術(shù)。該施工技術(shù)裝備包括船體及導(dǎo)管架下甲板的減振裝置(LMU)[6-7],作業(yè)船舶承受的載荷主要是來自組塊的重量。浮托施工過程中作業(yè)船在波浪作用下運(yùn)動,浮托船具有與兩側(cè)導(dǎo)管架樁腿發(fā)生碰撞的風(fēng)險。采用浮托法拆除施工,在組塊下甲板需要安裝特殊的減振插頭,在切割樁腿施工前,該插頭插入浮托駁船上的LMU,以便緩沖船體與組塊甲板之間的碰撞[4]。
3)抬升臂法拆除技術(shù)。抬升臂法包括雙船抬升臂法和雙體船抬升臂法。
(1)雙船抬升臂法。導(dǎo)管架兩側(cè)船抬升過程保持運(yùn)動同步,存在一定技術(shù)難度和風(fēng)險。
(2)雙體船抬升臂法。雙體船抬升臂起重系統(tǒng)包括船體及抬升臂,抬升過程載荷主要是組塊重量。抬升過程中,兩側(cè)抬升臂的動作必須保持同步。雙體船抬升過程可以在惡劣的海況下作業(yè)。
拆除小型平臺(小于2 000 t)時,起重船法拆除是一種可行的方法。但是根據(jù)拆除大型平臺的費(fèi)用來看,浮托法拆除技術(shù)施工費(fèi)用明顯高于抬升臂法拆除技術(shù)施工費(fèi)用,表1為浮托法與抬升臂法拆除技術(shù)施工費(fèi)用比較[7]。
表1 浮托法與抬升臂法拆除技術(shù)施工費(fèi)用比較 百萬美元
起重船法拆除技術(shù)過程受海洋環(huán)境影響大,提吊物的重量受限,施工難度大,存在安全隱患。
浮托法拆除技術(shù)包括浮托內(nèi)插法拆除和浮托外插法拆除,作業(yè)周期選擇困難,船體舷側(cè)與樁腿易發(fā)生碰撞,托舉組塊過程風(fēng)險較大。
雙船抬升臂法拆除技術(shù)利用2艘同型駁船同步托舉上部組塊,制約因素少、適用噸位大,可在淺水和深水區(qū)作業(yè)。雙體船抬升臂法拆除技術(shù)的施工過程安全,尤其適合大體積、大重量的導(dǎo)管架平臺拆除,具有抬升臂的作業(yè)船既可以拆除組塊,也可以拆除導(dǎo)管架。不同拆除技術(shù)適應(yīng)性比較見表2。
表2 不同拆除技術(shù)適應(yīng)性比較
綜上所述,抬升臂法是最有競爭力的導(dǎo)管架平臺拆除技術(shù),具有抬升臂的作業(yè)船裝備抗風(fēng)浪能力強(qiáng),適合大重量平臺的拆除,是在深海拆除大重量導(dǎo)管架平臺最合理的選擇。對于海洋環(huán)境良好的海域,浮托法適合拆除大重量導(dǎo)管架平臺組塊,但是不能拆除導(dǎo)管架;起重船法適合拆除中小型導(dǎo)管架平臺,要求海域海況良好。抬升臂法拆除技術(shù)用于大型平臺時,具有拆除成本低、作業(yè)能力強(qiáng)、作業(yè)時間短、適用范圍廣、操作安全方便等特點(diǎn),因此對于深水大尺度萬噸級導(dǎo)管架平臺拆除,提供了新的技術(shù)和裝備。對于我國而言,渤海灣的平臺大部分屬于中小型平臺,適合于起重船法拆除,而對于東海和南海海域的導(dǎo)管架平臺的拆除,適合采用抬升臂法拆除技術(shù),在海況良好海域可采用浮托法拆除導(dǎo)管架平臺組塊。