田華勇，李福建，楊 玥

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著國際油價在低位徘徊，海上老舊平臺拆除市場需求旺盛。在環(huán)保、法律、法規(guī)方面，海上環(huán)境保護是平臺拆除的出發(fā)點，拆解老舊、閑置平臺對保證作業(yè)區(qū)域的海洋環(huán)境、通航和漁業(yè)生產(chǎn)等具有重要意義。然而，日益高漲的成本支出成為平臺報廢時所面臨的重要挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，北海的大型平臺拆解費用從10年前的750萬英鎊上升至目前的3 000萬英鎊。市場的波動、關鍵人員成本的上升、供應鏈的通貨膨脹等因素也增加了平臺報廢成本的不確定性。對平臺拆除項目技術方案進行合理評估并采用合理的拆解裝備和拆解方式，不僅有利于作業(yè)時間和成本的控制，而且有利于功能模塊和設備的再利用，在帶來更多經(jīng)濟利益的同時，也有利于平臺拆解產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

半潛式起重拆解平臺因其多功能和高規(guī)格的特點，非常適合在全球主要海域(如英國北海、美國墨西哥灣、巴西、東南亞及中國南海等)應用，特別在海況十分復雜的海域，在起吊大噸數(shù)平臺及模塊設備時，半潛型式具有非常高的作業(yè)穩(wěn)定性，同時具備起重和生活住宿的雙重功能且使得海上作業(yè)成本大幅降低，從而顯著地加強競爭力。

本文基于招商局重工開發(fā)建造的半潛式起重拆解平臺的技術特點，從海況和作業(yè)能力適應性等方面分析目標平臺在海上拆除作業(yè)的適應性。

1 目標平臺主要技術參數(shù)

目標平臺總長為137.75 m，型寬為81.00 m，型深為43.35 m，最大可變甲板載荷為6 300 t，額定居住750人。該平臺采用無橫撐非對稱主船體結構，拖航阻力和動力定位載荷小，航速可達 12 kn。該平臺配置DP 3動力定位系統(tǒng)。2 臺獨立的 2 200 t重型全回轉起重機布置于船舶右舷，并且為適應起重作業(yè)工況下平臺浮態(tài)的控制，右舷下浮體和立柱體積大于左舷，使平臺呈現(xiàn)不對稱的特點。目標平臺外形如圖1和圖2所示。

圖1 目標平臺外形側視圖

圖2 目標平臺外形正視圖

2 不同海域的平臺拆除市場

2.1 東南亞海域

東南亞海域于20世紀八九十年代開始進行海上石油開采，目前各型采油平臺總計1 772座。其中固定式平臺1 759 座，50%使用年限超過20年，面臨棄置拆解。在上述超過20年的平臺中，90%的導管架質量不超過1 000 t，80%的上部組塊質量不大于2 000 t。該海域的平臺拆除對2 000～4 000噸級的起重船需求較大。

2.2 北海海域

根據(jù)Oil &Gas UK 2017年發(fā)表的報告[1]，2017—2025年，北海4國專屬區(qū)域的349個油田將迎來拆除作業(yè)，主要包括：丹麥專屬區(qū)的6個油田，挪威專屬區(qū)的23個油田，荷蘭專屬區(qū)的106個油田，英國大陸架(UK Continental Shelf，UKCS)區(qū)域的214個油田。上述棄置油田預計總共需拆除206座平臺，關閉2 500口油井并拆除約7 800 km海底管線。在需拆除平臺中，UKCS 98座，荷蘭77座，挪威14座，丹麥17座。UKCS是北海海域最大的平臺拆除市場，2016年平臺拆除支出達12億英鎊。2016—2025年，UKCS區(qū)域的平臺拆除投入預計達170億英鎊。從市場容量方面看，2017年起5年內(nèi)，北海海域的平臺拆除支出為英國每年17.0億～20.0億英鎊、挪威每年4.0億～8.0億英鎊、荷蘭每年1.3億～1.6億英鎊。

2.3 墨西哥灣

墨西哥灣油氣開發(fā)約始于1947年，陸續(xù)有7 000多座平臺安裝在該海域3～1 830 m的水深范圍內(nèi)。隨著1973年導管架平臺拆除，墨西哥灣已拆除平臺數(shù)量和現(xiàn)有平臺數(shù)量均世界領先。受北美超強颶風和油價低迷的影響，近幾年墨西哥灣平臺拆除業(yè)務較為繁忙。2015年、2016年和2017年平臺拆除數(shù)量分別為128座、200座和108座。根據(jù)美國安全和環(huán)境執(zhí)法局(Bureau of Safety and Environmental Enforcement，BSEE)數(shù)據(jù)，目前該海域內(nèi)超過65%的平臺的運營時間超過30年，有約813座平臺處于閑置狀態(tài)。根據(jù)油田運營狀態(tài)和油價走勢估計，未來5年內(nèi)平均每年仍有約100座平臺需要拆除。據(jù)IHS Markit報告分析，墨西哥灣平臺拆除支出將由2015年的5億美元/年提高至2035年的20億美元/年，其中淺水平臺拆除費用支出不會低于10億美元/年。該區(qū)域內(nèi)為數(shù)龐大的待拆除導管架平臺將是本項目船舶的又一目標市場。

2.4 中東海域

中東地區(qū)是全球石油儲量最多的地區(qū)，其海上石油主要集中在波斯灣。據(jù)Scottish Enterprise Report信息，截至目前，該地區(qū)約有固定式石油平臺1 426座，使用超過20年的889座，其中82%的上部組塊質量不超過2 000 t，82%的導管架質量不超過1 000 t。

油氣產(chǎn)業(yè)為該地區(qū)周邊國家主要經(jīng)濟支柱，為了降低成本、增加收入，許多油田導管架平臺雖已到設計壽命，但大部分通過技術評估仍在進行延期使用。即便該地區(qū)眾多導管架平臺進行了延壽，但仍存在大量導管架平臺需棄置拆除。目前我國海洋石油工程股份有限公司已經(jīng)開始參與該地區(qū)導管架平臺的拆除項目。

3 海況適應性

3.1 現(xiàn)有起重船情況

基于克拉克森統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前已投入使用的全回轉起重能力在4 000 t以上的海上起重裝備約15臺，如表1所示，其中半潛式占比約33%，起重能力在4 000～5 000 t的起重裝備一般采用單船體型式，起重能力在10 000 t以上的起重裝備一般采用半潛型式。北海海域因波高較高并且水深較大，對半潛式起重裝備需求較大，不適宜采用單船體起重裝備作業(yè)，因此單船體起重裝備幾乎集中于中東和東南亞海域。墨西哥灣區(qū)域的平臺拆除作業(yè)一般采用小型起重船舶進行分塊拆除，起重能力一般不大于2 000 t。

表1 全回轉起重能力在4 000 t以上的海上起重裝備統(tǒng)計

續(xù)表1 全回轉起重能力在4 000 t以上的海上起重裝備統(tǒng)計

3.2 半潛式起重平臺優(yōu)勢

目標平臺采用半潛型式，在作業(yè)狀態(tài)下，水線面是4個立柱的截面，初穩(wěn)心高度較低，平臺橫搖運動固有周期較大，遠超波浪周期，平臺在波浪中運動響應較小。為說明4 000噸級不同型式起重裝備的耐波性差異，對比分析居住工況和起重工況下的運動幅值，如表2所示。

表2 目標平臺與單船體型式起重裝備不同工況下橫搖最大值對比

目標平臺設計環(huán)境條件為起重作業(yè)2.5 m波高、居住條件6 m有義波高。對比表2數(shù)據(jù)可知：在起重工況下，目標平臺橫搖值可減小44%；在居住工況下，目標平臺的橫搖值只有單船體型式的19%。目標平臺在起重準備工況2下的橫搖幅值一般為2.00°，對應的有義波高為4.0 m，而單船體型式在2.5 m有義波高時，通過減搖措施才能滿足起重機作業(yè)條件。

目標平臺采用半潛型式，耐波性能更佳，有利于增大作業(yè)窗口期。基于《全球海域波浪統(tǒng)計集》的波浪散布圖，目標平臺在不大于4.0 m有義波高時，可在90%北海海況下實現(xiàn)起重作業(yè)，在95%的北海海況下滿足居住作業(yè)要求，具體如表3所示。因此，目標平臺在惡劣海況下具有良好的適應性。

表3 全球不同海域波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總表(68%表示波高低于有義波高海況全年出現(xiàn)概率)

根據(jù)海上拆除市場分析，全球主要海域的海上油田拆除需求較大，在海況相對惡劣的北海海域，目標平臺在耐波性上更有優(yōu)勢，海況適應性更佳，可有效地開拓難度較大的拆除市場。

4 拆除作業(yè)適應性分析

4.1 起重能力

對奧斯陸和巴黎公約委員會(Oslo and Paris Conventions Commission，OSPAR Commission)提供的北海區(qū)域導管架平臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析可知：平臺上部模塊質量m小于4 000 t的數(shù)量占比約75%，導管架質量小于4 000 t的數(shù)量占比約71%，導管架質量大于8 000 t的數(shù)量占比約19%，如圖3和圖4所示。由此可見，北海區(qū)域平臺拆除市場呈兩極化發(fā)展：一方面急需大型起重裝備，用于拆除大型平臺；另一方面需要大量的經(jīng)濟性起重船，用于拆除質量較小的導管架平臺。

單位：t圖3 北海海域導管架平臺上部模塊質量統(tǒng)計情況

單位：t圖4 北海海域導管架平臺導管架質量統(tǒng)計情況

根據(jù)OIL &GAS UK[1]統(tǒng)計，在2017—2025年北海海域206座待拆平臺所在區(qū)域中，北海南部和愛爾蘭海域水深較淺，其中：愛爾蘭海域水深為18～73 m；丹麥海域水深為37～60 m；荷蘭海域水深為22～50 m。因水深有限，以愛爾蘭海域為例，在67座需拆除平臺中，上部模塊質量不超過3 000 t的平臺占比約91%[2]。

目標平臺可實現(xiàn)約4 000 t的起重，對于北海海域，可實現(xiàn)75%導管架平臺上部模塊和71%導管架的直接起吊移除，市場空間較大，并且目標平臺造價相對于萬噸級半潛式起重平臺，有比較大的優(yōu)勢。因此，目標平臺比較適合海上拆除市場，更經(jīng)濟可行，有利于平臺拆除作業(yè)的成本控制。

4.2 雙機聯(lián)合起重

不同于新建平臺，在進行上部模塊或導管架拆除時，廢棄平臺需拆除模塊的尺寸和重心較難準確計算確定，并且吊點設置復雜，若使用單鉤，在模塊重心估計不準的情況下，在起重過程中易出現(xiàn)模塊傾斜，難以滿足吊裝需求。因此，在拆除作業(yè)中建議采用多鉤頭設置。對于單起重機配置，一般采用雙主鉤設置，并盡可能加大雙鉤頭沿吊臂寬度方向的橫向距離，以增大吊點布置靈活性，并通過2個鉤頭受力的分別調(diào)節(jié)來保證鉤頭在起重過程中能承受模塊重心的估算偏差從而避免出現(xiàn)傾斜，減小吊裝作業(yè)事故風險。在進行導管架拆除時，受單起重機雙主鉤鉤頭外傾角的限制，可進行翻身作業(yè)的導管架尺寸受到局限。目標平臺采用雙起重機配置，并且起重機彼此相對遠離，導管架翻身作業(yè)簡單安全，并且可有效規(guī)避風險，更適用于導管架拆除作業(yè)。單起重機及雙起重機配置下導管架翻身如圖5所示。

圖5 單起重機及雙起重機配置下導管架翻身示例

4.3 非對稱型式

對于一般的半潛式起重平臺，采用起重機布置于尾部兩舷并采取對稱下浮體的型式。以北海海域比較典型的半潛式起重船Thialf為例，2臺約7 000 t起重機分別布置于平臺尾部兩舷部分，尾部立柱截面積相對于其他立柱更大，但是下浮體呈縱向布置。由于下浮體尾部區(qū)域可以提供的浮力有限，因此平臺浮心位置偏向平臺中部，在起重過程中主要靠首尾壓載調(diào)載來實現(xiàn)平臺浮態(tài)控制。

目標平臺起重機位于平臺右舷側，下浮體采用非對稱型式，右舷下浮體和立柱均大于左舷(見圖6)，以實現(xiàn)浮心與重心的匹配，從而在起重過程中盡可能減少調(diào)載壓載水量的需求，可節(jié)省準備時間，提高作業(yè)效率。

圖6 目標平臺立柱以及下浮體示例

如果目標平臺也采用對稱型式，起重機布置于尾部兩舷，通過初步核算，在4立柱情況下，即使增大尾部立柱的截面積，也難以滿足起重穩(wěn)性的要求，需要增加立柱的數(shù)量以擴大水線面積，進而要求更大的縱向尺度。立柱和尺度的增加會造成建造成本的明顯增加。目標平臺采用起重機布置于同側和非對稱下浮體的平臺型式，可在4立柱設置下實現(xiàn)雙起重機功能，可有效控制建造成本。基于非對稱型式，吊重距目標平臺重心更近，產(chǎn)生的力矩更小，目標平臺總縱彎矩狀態(tài)較一般半潛型式更優(yōu)，該目標平臺可實現(xiàn)無橫撐設計。進一步通過下浮體線型設計可提高目標平臺的快速性，有利于平臺的調(diào)遣航行。

4.4 居住能力

海上平臺拆除總支出費用包含項目管理、封井、上層建筑拆除準備、平臺移除、水下及管線系統(tǒng)拆除和岸上拆解等[3]，具體各項占比如圖7所示。

圖7 平臺拆作業(yè)支出組成 (數(shù)據(jù)來源：OIL &GAS UK)

起重作業(yè)(含平臺移除作業(yè)和上部模塊拆除準備作業(yè))支出費用約占21%。海上平臺拆除作業(yè)比較特殊，起重作業(yè)雖然占據(jù)核心地位，但是作業(yè)時間較短，大部分時間用于作業(yè)準備和水下封井等作業(yè)。拆除作業(yè)準備內(nèi)容主要包括立管及井架拆除、溢油防護等復雜作業(yè)，人工需求較高，作業(yè)現(xiàn)場居住需求較大。目標平臺除了配置2臺2 200 t起重機外，還有充裕的甲板面積，可設置大量居住艙室，滿足750人居住需求，在滿足起重作業(yè)需求下，還可作為居住支持平臺，減少平臺拆除項目中居住平臺的租用，提升目標平臺的利用率，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟效益。

5 總 結

半潛式起重拆解平臺具有良好的耐波性，可適應全球海域拆除作業(yè)需求。目標平臺配置2臺2 200 t的起重機，通過雙機聯(lián)合起重作業(yè)，可實現(xiàn)約4 000 t的起重。在全球最大的平臺拆除市場北海海域，目標平臺可整體拆除上部模塊和導管架的平臺數(shù)量占比超過70%，具有廣闊的市場空間，并且通過雙機聯(lián)合起重作業(yè)，可解決平臺拆除模塊重心不確定和導管架翻身等技術問題，拆除起重作業(yè)更具安全性和可靠性。目標平臺起重機布置于同一舷側，采用非對稱結構形式，造價相對于一般萬噸級半潛式起重平臺有較大的優(yōu)勢。從海況適應性、起重作業(yè)可靠性和居住功能實現(xiàn)等方面可以看出，目標平臺非常適用于海上拆除市場，并且通過起重能力的合理切入，平臺造價相對較低，有利于海上拆除作業(yè)的成本控制。

基于拆解市場的旺盛需求和國內(nèi)海上拆解裝備的缺乏，研發(fā)、建造海上拆解裝備是非常有必要的，從功能、實用、投資、收益和國內(nèi)技術基礎角度考慮，半潛式起重拆解平臺具有優(yōu)勢。