田華勇，李福建，楊 玥

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著國(guó)際油價(jià)在低位徘徊，海上老舊平臺(tái)拆除市場(chǎng)需求旺盛。在環(huán)保、法律、法規(guī)方面，海上環(huán)境保護(hù)是平臺(tái)拆除的出發(fā)點(diǎn)，拆解老舊、閑置平臺(tái)對(duì)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(tái)報(bào)廢時(shí)所面臨的重要挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北海的大型平臺(tái)拆解費(fèi)用從10年前的750萬(wàn)英鎊上升至目前的3 000萬(wàn)英鎊。市場(chǎng)的波動(dòng)、關(guān)鍵人員成本的上升、供應(yīng)鏈的通貨膨脹等因素也增加了平臺(tái)報(bào)廢成本的不確定性。對(duì)平臺(tái)拆除項(xiàng)目技術(shù)方案進(jìn)行合理評(píng)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(shí)間和成本的控制，而且有利于功能模塊和設(shè)備的再利用，在帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)，也有利于平臺(tái)拆解產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

半潛式起重拆解平臺(tái)因其多功能和高規(guī)格的特點(diǎn)，非常適合在全球主要海域(如英國(guó)北海、美國(guó)墨西哥灣、巴西、東南亞及中國(guó)南海等)應(yīng)用，特別在海況十分復(fù)雜的海域，在起吊大噸數(shù)平臺(tái)及模塊設(shè)備時(shí)，半潛型式具有非常高的作業(yè)穩(wěn)定性，同時(shí)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(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

本文基于招商局重工開(kāi)發(fā)建造的半潛式起重拆解平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)，從海況和作業(yè)能力適應(yīng)性等方面分析目標(biāo)平臺(tái)在海上拆除作業(yè)的適應(yīng)性。

1 目標(biāo)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

目標(biāo)平臺(tái)總長(zhǎng)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(tái)采用無(wú)橫撐非對(duì)稱主船體結(jié)構(gòu)，拖航阻力和動(dòng)力定位載荷小，航速可達(dá) 12 kn。該平臺(tái)配置DP 3動(dòng)力定位系統(tǒng)。2 臺(tái)獨(dú)立的 2 200 t重型全回轉(zhuǎn)起重機(jī)布置于船舶右舷，并且為適應(yīng)起重作業(yè)工況下平臺(tái)浮態(tài)的控制，右舷下浮體和立柱體積大于左舷，使平臺(tái)呈現(xiàn)不對(duì)稱的特點(diǎn)。目標(biāo)平臺(tái)外形如圖1和圖2所示。

圖1 目標(biāo)平臺(tái)外形側(cè)視圖

圖2 目標(biāo)平臺(tái)外形正視圖

2 不同海域的平臺(tái)拆除市場(chǎng)

2.1 東南亞海域

東南亞海域于20世紀(jì)八九十年代開(kāi)始進(jìn)行海上石油開(kāi)采，目前各型采油平臺(tái)總計(jì)1 772座。其中固定式平臺(tái)1 759 座，50%使用年限超過(guò)20年，面臨棄置拆解。在上述超過(guò)20年的平臺(tái)中，90%的導(dǎo)管架質(zhì)量不超過(guò)1 000 t，80%的上部組塊質(zhì)量不大于2 000 t。該海域的平臺(tái)拆除對(duì)2 000～4 000噸級(jí)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(bào)告[1]，2017—2025年，北海4國(guó)專屬區(qū)域的349個(gè)油田將迎來(lái)拆除作業(yè)，主要包括：丹麥專屬區(qū)的6個(gè)油田，挪威專屬區(qū)的23個(gè)油田，荷蘭專屬區(qū)的106個(gè)油田，英國(guó)大陸架(UK Continental Shelf，UKCS)區(qū)域的214個(gè)油田。上述棄置油田預(yù)計(jì)總共需拆除206座平臺(tái)，關(guān)閉2 500口油井并拆除約7 800 km海底管線。在需拆除平臺(tái)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(tái)拆除市場(chǎng)，2016年平臺(tái)拆除支出達(dá)12億英鎊。2016—2025年，UKCS區(qū)域的平臺(tái)拆除投入預(yù)計(jì)達(dá)170億英鎊。從市場(chǎng)容量方面看，2017年起5年內(nèi)，北海海域的平臺(tái)拆除支出為英國(guó)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(kāi)發(fā)約始于1947年，陸續(xù)有7 000多座平臺(tái)安裝在該海域3～1 830 m的水深范圍內(nèi)。隨著1973年導(dǎo)管架平臺(tái)拆除，墨西哥灣已拆除平臺(tái)數(shù)量和現(xiàn)有平臺(tái)數(shù)量均世界領(lǐng)先。受北美超強(qiáng)颶風(fēng)和油價(jià)低迷的影響，近幾年墨西哥灣平臺(tái)拆除業(yè)務(wù)較為繁忙。2015年、2016年和2017年平臺(tái)拆除數(shù)量分別為128座、200座和108座。根據(jù)美國(guó)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(guò)65%的平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過(guò)30年，有約813座平臺(tái)處于閑置狀態(tài)。根據(jù)油田運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和油價(jià)走勢(shì)估計(jì)，未來(lái)5年內(nèi)平均每年仍有約100座平臺(tái)需要拆除。據(jù)IHS Markit報(bào)告分析，墨西哥灣平臺(tái)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(tái)拆除費(fèi)用支出不會(huì)低于10億美元/年。該區(qū)域內(nèi)為數(shù)龐大的待拆除導(dǎo)管架平臺(tái)將是本項(xiàng)目船舶的又一目標(biāo)市場(chǎng)。

2.4 中東海域

中東地區(qū)是全球石油儲(chǔ)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(tái)1 426座，使用超過(guò)20年的889座，其中82%的上部組塊質(zhì)量不超過(guò)2 000 t，82%的導(dǎo)管架質(zhì)量不超過(guò)1 000 t。

油氣產(chǎn)業(yè)為該地區(qū)周邊國(guó)家主要經(jīng)濟(jì)支柱，為了降低成本、增加收入，許多油田導(dǎo)管架平臺(tái)雖已到設(shè)計(jì)壽命，但大部分通過(guò)技術(shù)評(píng)估仍在進(jìn)行延期使用。即便該地區(qū)眾多導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行了延壽，但仍存在大量導(dǎo)管架平臺(tái)需棄置拆除。目前我國(guó)海洋石油工程股份有限公司已經(jīng)開(kāi)始參與該地區(qū)導(dǎo)管架平臺(tái)的拆除項(xiàng)目。

3 海況適應(yīng)性

3.1 現(xiàn)有起重船情況

基于克拉克森統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前已投入使用的全回轉(zhuǎn)起重能力在4 000 t以上的海上起重裝備約15臺(tái)，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(duì)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(tái)拆除作業(yè)一般采用小型起重船舶進(jìn)行分塊拆除，起重能力一般不大于2 000 t。

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

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

3.2 半潛式起重平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

目標(biāo)平臺(tái)采用半潛型式，在作業(yè)狀態(tài)下，水線面是4個(gè)立柱的截面，初穩(wěn)心高度較低，平臺(tái)橫搖運(yùn)動(dòng)固有周期較大，遠(yuǎn)超波浪周期，平臺(tái)在波浪中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小。為說(shuō)明4 000噸級(jí)不同型式起重裝備的耐波性差異，對(duì)比分析居住工況和起重工況下的運(yùn)動(dòng)幅值，如表2所示。

表2 目標(biāo)平臺(tái)與單船體型式起重裝備不同工況下橫搖最大值對(duì)比

目標(biāo)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(duì)比表2數(shù)據(jù)可知：在起重工況下，目標(biāo)平臺(tái)橫搖值可減小44%；在居住工況下，目標(biāo)平臺(tái)的橫搖值只有單船體型式的19%。目標(biāo)平臺(tái)在起重準(zhǔn)備工況2下的橫搖幅值一般為2.00°，對(duì)應(yīng)的有義波高為4.0 m，而單船體型式在2.5 m有義波高時(shí)，通過(guò)減搖措施才能滿足起重機(jī)作業(yè)條件。

目標(biāo)平臺(tái)采用半潛型式，耐波性能更佳，有利于增大作業(yè)窗口期?；凇度蚝Ｓ虿ɡ私y(tǒng)計(jì)集》的波浪散布圖，目標(biāo)平臺(tái)在不大于4.0 m有義波高時(shí)，可在90%北海海況下實(shí)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(biāo)平臺(tái)在惡劣海況下具有良好的適應(yīng)性。

表3 全球不同海域波浪統(tǒng)計(jì)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(chǎng)分析，全球主要海域的海上油田拆除需求較大，在海況相對(duì)惡劣的北海海域，目標(biāo)平臺(tái)在耐波性上更有優(yōu)勢(shì)，海況適應(yīng)性更佳，可有效地開(kāi)拓難度較大的拆除市場(chǎng)。

4 拆除作業(yè)適應(yīng)性分析

4.1 起重能力

對(duì)奧斯陸和巴黎公約委員會(huì)(Oslo and Paris Conventions Commission，OSPAR Commission)提供的北海區(qū)域?qū)Ч芗芷脚_(tái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：平臺(tái)上部模塊質(zhì)量m小于4 000 t的數(shù)量占比約75%，導(dǎo)管架質(zhì)量小于4 000 t的數(shù)量占比約71%，導(dǎo)管架質(zhì)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(jiàn)，北海區(qū)域平臺(tái)拆除市場(chǎng)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(tái)；另一方面需要大量的經(jīng)濟(jì)性起重船，用于拆除質(zhì)量較小的導(dǎo)管架平臺(tái)。

單位：t圖3 北海海域?qū)Ч芗芷脚_(tái)上部模塊質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況

單位：t圖4 北海海域?qū)Ч芗芷脚_(tái)導(dǎo)管架質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況

根據(jù)OIL &GAS UK[1]統(tǒng)計(jì)，在2017—2025年北海海域206座待拆平臺(tái)所在區(qū)域中，北海南部和愛(ài)爾蘭海域水深較淺，其中：愛(ài)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(ài)爾蘭海域?yàn)槔?7座需拆除平臺(tái)中，上部模塊質(zhì)量不超過(guò)3 000 t的平臺(tái)占比約91%[2]。

目標(biāo)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)約4 000 t的起重，對(duì)于北海海域，可實(shí)現(xiàn)75%導(dǎo)管架平臺(tái)上部模塊和71%導(dǎo)管架的直接起吊移除，市場(chǎng)空間較大，并且目標(biāo)平臺(tái)造價(jià)相對(duì)于萬(wàn)噸級(jí)半潛式起重平臺(tái)，有比較大的優(yōu)勢(shì)。因此，目標(biāo)平臺(tái)比較適合海上拆除市場(chǎng)，更經(jīng)濟(jì)可行，有利于平臺(tái)拆除作業(yè)的成本控制。

4.2 雙機(jī)聯(lián)合起重

不同于新建平臺(tái)，在進(jìn)行上部模塊或?qū)Ч芗懿鸪龝r(shí)，廢棄平臺(tái)需拆除模塊的尺寸和重心較難準(zhǔn)確計(jì)算確定，并且吊點(diǎn)設(shè)置復(fù)雜，若使用單鉤，在模塊重心估計(jì)不準(zhǔn)的情況下，在起重過(guò)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(shè)置。對(duì)于單起重機(jī)配置，一般采用雙主鉤設(shè)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(diǎn)布置靈活性，并通過(guò)2個(gè)鉤頭受力的分別調(diào)節(jié)來(lái)保證鉤頭在起重過(guò)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(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行導(dǎo)管架拆除時(shí)，受單起重機(jī)雙主鉤鉤頭外傾角的限制，可進(jìn)行翻身作業(yè)的導(dǎo)管架尺寸受到局限。目標(biāo)平臺(tái)采用雙起重機(jī)配置，并且起重機(jī)彼此相對(duì)遠(yuǎn)離，導(dǎo)管架翻身作業(yè)簡(jiǎn)單安全，并且可有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，更適用于導(dǎo)管架拆除作業(yè)。單起重機(jī)及雙起重機(jī)配置下導(dǎo)管架翻身如圖5所示。

圖5 單起重機(jī)及雙起重機(jī)配置下導(dǎo)管架翻身示例

4.3 非對(duì)稱型式

對(duì)于一般的半潛式起重平臺(tái)，采用起重機(jī)布置于尾部?jī)上喜⒉扇?duì)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(tái)約7 000 t起重機(jī)分別布置于平臺(tái)尾部?jī)上喜糠?，尾部立柱截面積相對(duì)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(tái)浮心位置偏向平臺(tái)中部，在起重過(guò)程中主要靠首尾壓載調(diào)載來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)浮態(tài)控制。

目標(biāo)平臺(tái)起重機(jī)位于平臺(tái)右舷側(cè)，下浮體采用非對(duì)稱型式，右舷下浮體和立柱均大于左舷(見(jiàn)圖6)，以實(shí)現(xiàn)浮心與重心的匹配，從而在起重過(guò)程中盡可能減少調(diào)載壓載水量的需求，可節(jié)省準(zhǔn)備時(shí)間，提高作業(yè)效率。

圖6 目標(biāo)平臺(tái)立柱以及下浮體示例

如果目標(biāo)平臺(tái)也采用對(duì)稱型式，起重機(jī)布置于尾部?jī)上?，通過(guò)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(kuò)大水線面積，進(jìn)而要求更大的縱向尺度。立柱和尺度的增加會(huì)造成建造成本的明顯增加。目標(biāo)平臺(tái)采用起重機(jī)布置于同側(cè)和非對(duì)稱下浮體的平臺(tái)型式，可在4立柱設(shè)置下實(shí)現(xiàn)雙起重機(jī)功能，可有效控制建造成本。基于非對(duì)稱型式，吊重距目標(biāo)平臺(tái)重心更近，產(chǎn)生的力矩更小，目標(biāo)平臺(tái)總縱彎矩狀態(tài)較一般半潛型式更優(yōu)，該目標(biāo)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)無(wú)橫撐設(shè)計(jì)。進(jìn)一步通過(guò)下浮體線型設(shè)計(jì)可提高目標(biāo)平臺(tái)的快速性，有利于平臺(tái)的調(diào)遣航行。

4.4 居住能力

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

圖7 平臺(tái)拆作業(yè)支出組成 (數(shù)據(jù)來(lái)源：OIL &GAS UK)

起重作業(yè)(含平臺(tái)移除作業(yè)和上部模塊拆除準(zhǔn)備作業(yè))支出費(fèi)用約占21%。海上平臺(tái)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(shí)間較短，大部分時(shí)間用于作業(yè)準(zhǔn)備和水下封井等作業(yè)。拆除作業(yè)準(zhǔn)備內(nèi)容主要包括立管及井架拆除、溢油防護(hù)等復(fù)雜作業(yè)，人工需求較高，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)居住需求較大。目標(biāo)平臺(tái)除了配置2臺(tái)2 200 t起重機(jī)外，還有充裕的甲板面積，可設(shè)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(tái)，減少平臺(tái)拆除項(xiàng)目中居住平臺(tái)的租用，提升目標(biāo)平臺(tái)的利用率，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 總 結(jié)

半潛式起重拆解平臺(tái)具有良好的耐波性，可適應(yīng)全球海域拆除作業(yè)需求。目標(biāo)平臺(tái)配置2臺(tái)2 200 t的起重機(jī)，通過(guò)雙機(jī)聯(lián)合起重作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)約4 000 t的起重。在全球最大的平臺(tái)拆除市場(chǎng)北海海域，目標(biāo)平臺(tái)可整體拆除上部模塊和導(dǎo)管架的平臺(tái)數(shù)量占比超過(guò)70%，具有廣闊的市場(chǎng)空間，并且通過(guò)雙機(jī)聯(lián)合起重作業(yè)，可解決平臺(tái)拆除模塊重心不確定和導(dǎo)管架翻身等技術(shù)問(wèn)題，拆除起重作業(yè)更具安全性和可靠性。目標(biāo)平臺(tái)起重機(jī)布置于同一舷側(cè)，采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，造價(jià)相對(duì)于一般萬(wàn)噸級(jí)半潛式起重平臺(tái)有較大的優(yōu)勢(shì)。從海況適應(yīng)性、起重作業(yè)可靠性和居住功能實(shí)現(xiàn)等方面可以看出，目標(biāo)平臺(tái)非常適用于海上拆除市場(chǎng)，并且通過(guò)起重能力的合理切入，平臺(tái)造價(jià)相對(duì)較低，有利于海上拆除作業(yè)的成本控制。

基于拆解市場(chǎng)的旺盛需求和國(guó)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(shí)用、投資、收益和國(guó)內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)角度考慮，半潛式起重拆解平臺(tái)具有優(yōu)勢(shì)。