李 新 超

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

1 項目簡介

20世紀60年代以來，在全球53個國家海域中，投資建設(shè)的油氣生產(chǎn)設(shè)施共有7 270多座。平臺設(shè)計壽命一般約為10年～30年，根據(jù)有關(guān)部門調(diào)研數(shù)據(jù)，現(xiàn)已投產(chǎn)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施中的60%～70%，將陸續(xù)退役并進行廢棄處置。目前，國內(nèi)已投產(chǎn)平臺達到400多座，其中萬噸級大型組塊39座，包括荔灣3-1CEP組塊，其重量更是達到30 000 t級，未來10年國內(nèi)至少有90多座海上平臺達到服役期限。廢棄平臺拆除成為目前國際海洋工程界的熱點研究問題。

目前，國外常用的平臺拆除手段有常規(guī)單船吊裝法、雙體起重船吊裝法等。瑞典Pioneering Spirit DP3起重鋪管雙體船，長382 m、寬124 m、船體間距59 m，裝備8個升沉補償能力Yoke Beam,起重能力達48 000 t。2016年8月，完成了北海海域重約13 500 t Yme平臺的拆除作業(yè)；2017年4月，完成了北海重達23 500 t的Brent Delta平臺的拆除作業(yè)。另外，美國的VB10000雙體船，起重能力7 500 t，已在墨西哥灣完成多個數(shù)千噸級海上平臺結(jié)構(gòu)拆除工作。

我國平臺拆除起步較晚，目前拆除方法均為常規(guī)單船吊裝法，范圍為幾百噸至幾千噸。例如，2014年6月整體拆除的錦州21-1WHPA平臺重量僅為1 550 t。對于萬噸級大型平臺的拆除，受浮吊資源、平臺重量、費用等限制，并無法采用吊裝方式完成。需考慮其他新方法，針對超大型萬噸級海上結(jié)構(gòu)物進行雙船整體拆除研究。

2 示例平臺、駁船信息

2.1 示例平臺信息

示例平臺地處于中國南海，位于香港東南方約240 km、距離惠州21-1油氣田約140 km。平臺中心坐標為E114°56′28.299″，N20°14′41.888″，海域平均水深199.02 m，平均海平面MSL=0.82 m，示例平臺的上部組塊重量達20 000 t。

2.2 駁船信息

將基于兩艘載重量16 800 t的協(xié)同作業(yè)浮托駁船和載重量57 800 t的長距離運輸駁船以及重量為20 000 t級的南海某平臺為示例平臺及示例駁船進行研究，主要參數(shù)見表1。

表1 示例駁船主要參數(shù)表 m

3 雙船浮托法整體拆除平臺關(guān)鍵技術(shù)

雙船浮托法整體拆除平臺組塊的主要技術(shù)內(nèi)容包括：1)海上油田設(shè)施一體化拆解作業(yè)模式；2)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)，包括基于檢測和調(diào)研數(shù)據(jù)通過對平臺組塊雙船拆除分析建模，對雙船拆除組塊的支撐結(jié)構(gòu)以及平臺自身結(jié)構(gòu)加強進行設(shè)計優(yōu)化；3)作業(yè)過程的安全環(huán)保評價技術(shù)；4)船舶與起重系統(tǒng)協(xié)同壓載耦合控制技術(shù)；5)多船協(xié)對平臺組塊一體化拆除后的雙船過駁至單船及卸船方案等。

適用作業(yè)工況為首浪Hs=1.50 m，斜浪Hs=1.00 m，橫浪Hs=0.50 m～0.75 m；風速V1MIN，EL+10 m=10.0 m/sec；流速Vc= 0.6 m/sec。

3.1 海上油田設(shè)施檢測技術(shù)

對于廢棄的平臺，其檢測內(nèi)容及測點的選取并沒有明確的法律法規(guī)規(guī)定，需要根據(jù)不同的平臺結(jié)構(gòu)形式，可能采取的拆解方案等，對平臺整體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、關(guān)鍵節(jié)點等進行檢測。具體的檢測內(nèi)容、檢測技術(shù)方法等需根據(jù)平臺的具體情況確定。

3.2 超大型海上油田設(shè)施一體化拆解工藝

超大型海上油田設(shè)施一體化拆解工藝主要技術(shù)內(nèi)容包括：平臺一體化拆解工藝、油田設(shè)施檢測技術(shù)、平臺清洗工藝、平臺上岸處理技術(shù)等。國內(nèi)在這方面的研究是空白，只能通過搜集國外相關(guān)拆解資料，結(jié)合之前小型海上油田設(shè)施拆解研究成果及工程經(jīng)驗，綜合國內(nèi)外平臺拆除案例及相關(guān)法律法規(guī)等資料，并通過搜集研究相關(guān)資料，總結(jié)出一套完整的油田設(shè)施一體化拆解作業(yè)模式。典型的雙船浮托法拆除平臺示意圖如圖1所示。

典型的雙船浮托法拆除平臺關(guān)鍵步驟如下：

浮托作業(yè)—進船。

在進行進船靠泊作業(yè)前，應(yīng)該完成以下工作：1)檢查浮托駁船準備工作。應(yīng)完成支撐框架的固定、錨系系統(tǒng)布設(shè)以及各設(shè)備狀態(tài)確認等所有準備工作。2)按照計劃切除平臺組塊與下部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)物之間的連接。此項工作完成后，開始向?qū)Ч芗芤苿觾伤腋⊥写?)平臺組塊插尖與浮托駁船上LMU上端的凈間隙不應(yīng)小于0.5 m(考慮駁船運動)。4)確認駁船動態(tài)運動及插尖加速度符合進船要求。

浮托作業(yè)—荷載轉(zhuǎn)移。

在進行過駁作業(yè)荷載轉(zhuǎn)移作業(yè)前，應(yīng)該確認組塊插尖的水平運動在LMU接收器范圍內(nèi)。

浮托作業(yè)—退船。

駁船退船前，必須保證組塊底部與下部導(dǎo)管架頂部之間的凈間隙不應(yīng)小于0.5 m。如果水位允許，可以采用更大的凈間隙。

在整個作業(yè)過程中，應(yīng)始終保持駁船最大干舷不應(yīng)小于1.0 m。

3.3 雙船浮托水動力非線性時域分析及對接耦合分析

使用SESAM等工程設(shè)計分析軟件進行浮托拆除過程分析，包括進船、對接以及退船等階段的LMU水平和垂向載荷、DSU垂向載荷、駁船和導(dǎo)管架之間靠墊的碰撞力、駁船縱向帶纜以及系泊系統(tǒng)載荷等，以全面考察浮托拆除過程中所可能出現(xiàn)的相對運動和載荷大小，為工程方案的確定提供參考和驗證[1]。

進行雙船浮托一體化拆除棄置平臺組塊的計算分析(包括水動力非線性時域分析、雙船浮托對接耦合碰撞分析、雙船浮托拆除法所需支撐結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計、船與組塊的強度分析等)；建立雙船浮托一體化拆除工況非線性時域分析水動力力學模型，分析鉸接式支撐連接形式對接耦合裝置與壓載耦合控制和多船協(xié)同拆解作業(yè)相互影響，通過數(shù)值模擬和水池試驗相結(jié)合的手段，確立雙船浮托一體化拆除作業(yè)海況。

3.4 多船協(xié)同拆解作業(yè)控制技術(shù)

多船協(xié)同拆解作業(yè)控制技術(shù)的關(guān)鍵是通過兩艘船舶同時上浮的浮力實現(xiàn)對超大型海上油田設(shè)施實現(xiàn)同步起重作業(yè)，即在作業(yè)過程中兩艘上浮船舶的浮態(tài)及上浮速度需要時刻保持一致。作業(yè)船舶自身調(diào)載系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的壓排水能力，確保對超大型海上結(jié)構(gòu)物的起重要求；且應(yīng)具備抗橫傾能力，以克服抬升目標結(jié)構(gòu)物時對船舶單側(cè)產(chǎn)生的橫傾力矩。應(yīng)具備一定的升沉補償能力，以防止海上風浪對船舶浮態(tài)造成的影響。

通過建立多目標控制數(shù)學模型，對多目標控制系統(tǒng)需要采用仿真和/或模擬等技術(shù)手段進行驗證和優(yōu)化，建立可靠有冗余的信息傳輸機制。通過確定作業(yè)海域環(huán)境條件，利用CFD手段進行雙船的運動響應(yīng)預(yù)報，利用試驗進行雙船的運動響應(yīng)預(yù)報，通過以上途徑完成多船協(xié)同拆解作業(yè)控制。典型雙船浮托法拆除平臺過駁示意圖如圖2所示。

過駁作業(yè)—長距離運輸船待命狀態(tài)系泊。

運輸船到達現(xiàn)場連接預(yù)布系泊纜前，以下作業(yè)條件應(yīng)該得到滿足：1)系泊系統(tǒng)安裝完全并且檢驗有足夠的系泊能力。2)業(yè)主批準進入施工現(xiàn)場。3)到達現(xiàn)場前，一旦VHF波段可以聯(lián)系上海域主管單位，應(yīng)該與其盡快取得聯(lián)系。4)沒有主管單位的批準，任何船舶不得進入控制海域1.5海里范圍內(nèi)。

過駁作業(yè)—進船。

在進行過駁作業(yè)前，應(yīng)該完成以下工作：1)檢查浮托駁船準備工作，應(yīng)完成除去切割斜支撐固定外的所有準備工作。2)按照計劃開始切除第一批2/3的斜支撐，細節(jié)參照切除裝船固定圖紙。此項工作完成后，開始向運輸船移動兩艘浮托船。3)組塊底部與DSU頂部的凈間隙不應(yīng)小于0.5 m(考慮駁船運動)。4)確認駁船動態(tài)運動及插尖加速度符合進船要求。

過駁作業(yè)—荷載轉(zhuǎn)移。

在進行過駁作業(yè)荷載轉(zhuǎn)移作業(yè)前，應(yīng)該完成以下工作：1)確認組塊插尖的水平運動在LMU接收器范圍內(nèi)。2)組塊處于荷載轉(zhuǎn)移狀態(tài)時，切除剩余斜支撐。

浮托作業(yè)—退船。

駁船退船前，必須保證運輸船上上組塊插尖與浮托駁船支撐框架之間的凈間隙不應(yīng)小于0.5 m。如果水位允許，可以采用更大的凈間隙。

在整個作業(yè)過程中，應(yīng)始終保持駁船最大干舷不應(yīng)小于1.0 m。

3.5 適用于支撐緩沖系統(tǒng)和起重系統(tǒng)的協(xié)同作用控制技術(shù)

雙船浮托拆除組塊支撐緩沖裝置是緩沖系統(tǒng)和起重系統(tǒng)的協(xié)同作用系統(tǒng)，確保能夠在多個裝置內(nèi)的兩獨立系統(tǒng)形成同步操作結(jié)果是關(guān)鍵技術(shù)難點。在兩個系統(tǒng)內(nèi)部分別設(shè)計位移監(jiān)測系統(tǒng)和應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)；調(diào)配系統(tǒng)和超限報警系統(tǒng)；用一套控制系統(tǒng)進行壓載功能調(diào)配，控制系統(tǒng)具有自動或手動獨立操作功能，保證系統(tǒng)工作的有效性[2]。典型的雙船浮托拆除組塊支撐緩沖裝置如圖3所示。

3.6 適用于起重系統(tǒng)的重心轉(zhuǎn)角調(diào)整技術(shù)

組塊在使用過程中發(fā)生不同程度的改造，可能引起結(jié)構(gòu)重心變化，因此在拆除組塊中的起重系統(tǒng)應(yīng)具有重心調(diào)整適應(yīng)機構(gòu)。根據(jù)公司多年設(shè)計橋梁工程用支座的設(shè)計經(jīng)驗可在組塊與起重系統(tǒng)的接觸部位設(shè)計成單維度或多維度轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。單維度或多維度轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)為一對具有較低摩擦系數(shù)的摩擦副，使得轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動力矩較小且可控。

3.7 適用于起重系統(tǒng)的安全裝置鎖定技術(shù)

起重系統(tǒng)的安全裝置鎖定技術(shù)，確保浮托產(chǎn)品在承載頂升過程中，若出現(xiàn)異常情況，依然能起承重作用。起重系統(tǒng)采用液壓油缸頂升，在液壓油缸內(nèi)部設(shè)置多道密封確保壓力密封，在油路上設(shè)計閥門和液壓鎖安全裝置，避免異常情況發(fā)生。

4 結(jié)語

海上油田設(shè)施為人類帶來了能源和財富，也在一定程度上改變了、破壞了海洋環(huán)境。隨著資源的枯竭，平臺也就完成了它的使命，為保護海洋環(huán)境，并使海洋環(huán)境恢復(fù)原貌，這些海上油田設(shè)施均需拆除。目前，我們對于超大型海上油田設(shè)施的拆解還是空白，如何將這些超大型的設(shè)施安全高效地拆除，是我們將要面臨的一大難題。通過對國外技術(shù)研究，對本項目關(guān)鍵技術(shù)進行自主研發(fā)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超大型海上油田設(shè)施一體化拆解技術(shù)。雙船浮托法拆除技術(shù)的掌握，有助于突破國外技術(shù)壟斷，填補國內(nèi)技術(shù)空白，極大地提升我國在平臺拆除方面的作業(yè)能力，提高國際競爭力，并為國家海洋環(huán)境、通航和漁業(yè)生產(chǎn)等提供保障。本文基于雙船浮托方法，對該技術(shù)應(yīng)用大型組塊的整體拆除作業(yè)進行了部分研究，該技術(shù)既可解決大型平臺拆除難題，同時又減少了大型起重船等稀缺資源的使用?？蔀榻窈笸惞こ虒嵺`提供參考，使雙船浮托法用于大型組塊拆除作業(yè)的方法得到有效安全的實施。