海洋平臺結構形式與浮托舉升方式適應性分析

逄仁德李亞東丁 彬孫 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力度不斷加大，油氣開采不斷由淺海向深海邁進，固定海洋平臺不斷向大型化、綜合化的方向發展，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行設備拆解施工的方法已遠遠不能滿足要求。隨著科學技術的不斷進步，浮托技術也日益完善，采用浮托法海上拆解工藝是海上大型平臺的發展趨勢。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，提高了平臺建造效率，減少了海上作業時間，降低了海上作業風險[1-2]。在浮托作業過程中，針對不同的平臺結構選擇不同的舉升作業方式，對于能否高效完成廢棄平臺的拆解非常重要。

1 大型海上固定式平臺分類

目前，全球現存超過7 000個固定式海洋油氣鉆采平臺，每年數量還在持續增加。這些平臺的管理者和擁有者，既有世界五大石油公司，也有新興的國家石油公司(如印度、印度尼西亞、泰國和越南等)。在全球固定式海洋油氣鉆采平臺中，約1 000個重量超過4 000 t，預計其中每年有35～50個需要被拆解；另外，全球每年拆解超過300個新的海洋平臺，其中約100個重量超過4 000 t，目前以及以后海上油氣設施拆除工作量巨大。

1.1 重力式平臺

重力式平臺一般用鋼或鋼筋混凝土建成，靠本身重力就能穩定地坐在海底，重力式平臺的主要結構由以下部分組成：

(1) 基礎部分： 直接接觸海底，是整個平臺的基礎；它的形式及尺度是否合理是平臺能否穩定的關鍵。在海上拖航時，基礎提供足夠的浮力把整個平臺托起，起到浮筏的作用。

(2) 甲板部分： 是進行石油生產時的生產場地、設備場地和生活場地。

重力式平臺一般分布在挪威大陸架和英國大陸架等地區，重量一般為10 000～40 000 t。例如，如圖1所示，英國北海SPUR平臺上部模塊重量為15 000 t，如圖2所示，挪威大陸架的Gullfaks A油田的Condeep平臺上部模塊重量為27 000～50 000 t，英國北海的Brent Delta的上部模塊重量為24 000 t。

圖1 SPUR平臺上部模塊

圖2 Condeep平臺上部模塊

1.2 導管架平臺

導管架平臺主要由三部分組成： 上部甲板結構、導管架和樁腿。對于拆解作業來說，影響最顯著的是上部甲板結構形式以及導管架樁腿數量及尺寸。

(1) 上部甲板結構形式： 上部甲板支承結構要承受所有上部結構的載荷，包括所有模塊載荷及工作時產生的各種動載荷。由于平臺上層結構的總強度由該結構承受，因此其強度要求較高。甲板支承結構形式分為箱形、板桁及桁架三種，由于桁架式結構較箱形和板桁型結構工藝簡單、強度好。因此，大多數模塊式上層結構的上部支承結構為三維空間桁架，其構件布置形式類似導管架結構的桁架形式。

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

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

圖3 TARTAN A導管架平臺

圖4 Johan Sverdrup導管架平臺

2 浮托拆解作業方式分析

浮托拆解法通過潮汐變化、駁船壓載調節等方式來實現上部組塊結構的起降，采用整體拆除方案，操作靈活、安全、高效，經濟優勢明顯。根據參與浮托作業駁船的形式和數量，主要分為單船浮托拆解法和雙船浮托拆解法兩種。對于大開口式導管架，宜采用單船浮托法；對于組塊重量較大且開口較小的導管架，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)通過將作業駁船駛入標的導管架平臺下部結構槽口的正下方，通過系泊系統以及調載使船上臨時支撐與上部組塊樁腿對接，通過調節駁船壓載水艙的水位或者依靠潮汐水位變化，實現導管架平臺上部結構與下部導管架結構的分離，當組塊頂升離開導管架樁腿一定高度后，浮托船駛出導管架并將組塊運至指定地點。

浮托法拆解步驟：

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

(1) 進船階段： 氣候窗滿足設計安裝條件，安裝船通過錨泊系統、縱向纜、交叉纜以及拖船等拖拉進入主腿槽。在此階段，工程設計除了要考慮待機階段的所有因素外，還須考慮以下幾個方面： 進船時組塊插尖與其樁腿禍合緩沖器之間的垂向距離、船首進入導管架主腿槽時的橫向運動，以避免發生碰撞。抵達安裝位置時，組塊插尖的水平運動。

(2) 對接階段： 通過壓載系統、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移至導管架上；載荷轉移完畢后，繼續壓載，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、縱向纜、交叉纜以及拖船等拖拉退船。在此退船階段，其工程設計需要考慮橫蕩護舷和縱向護舷的受力情況、錨泊系統、縱向纜和交叉纜的強度、組塊支撐單元與組塊之間的間隙、駁船底部與導管架橫梁之間的間隙。

圖5 單船浮托法

單船浮托拆解技術已經發展多年，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構或浮式海洋平臺上。應用浮托技術進行拆解的海洋平臺種類越來越多，主要包括導管架平臺、重力式平臺、張力腿平臺、半潛平臺以及Spar平臺等結構形式。

在2000年之前，國內大型的海洋平臺上部組塊都采用吊裝法進行海上拆解。近年來，浮托法由于拆解迅速、海上調試時間短以及可彌補起重船資源不足等優勢得到了大力發展，其應用也逐漸從環境友善的封閉海域發展到了海況相對劇烈的開闊海域。

2.2 雙船浮托法

對于難以開槽的SPAR平臺以及槽口較小的導管架平臺，其上部模塊的拆解無法通過常規浮托法實施，因此提出雙船浮托法。雙船浮托法可以避免下部結構開槽，使其結構設計具有更大的自由。在國際上，出現過很多與雙船浮托法類似的可用于海洋平臺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號雙體船舉升系統。

ALLSEA公司耗資31億美元建造了Pioneering Spirit號雙體船。這是目前全球最大的平臺拆解與拆裝船。Pioneering Spirit號船長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拆裝與管道鋪設于一體的超大型工程船，搭載大型起重機，該起重機能夠吊起重達4.8萬噸的成套設備。該船是一艘雙體船，有兩個船首與船身及船尾相連，其首部形成一個U字形，以便實施平臺的拆卸、安裝工作(見圖6)。

圖6 雙體船浮托法

Pioneernig Spirit船艏U形空槽區域拆解有兩套共計16根起重臂，通過液壓控制，這些起重臂可以實現水平方向和垂直方向的移動，用以補償船舶運動和實現快速浮托拆除工作。這套系統類似于主動浮托系統，可以在5 s內快速實現載荷轉移，大大提高了海上環境適應能力和拆解能力。

(2)TML雙船舉升系統。

SeaMetric公司創新提出了TML系統，這套系統由三艘配備定位系統的半潛船組成，一艘負責運輸，兩艘負責拆解，通過安裝于兩艘起重船上的8～10根巨型起重臂以及三級動態定位系統，實現海上2萬噸的超大起重能力，是世界最大的雙體海洋起重船。比起傳統的重型起重船，雙體起重船系統在大中型平臺安裝拆除的費用要少近一半，并具備縮短操作時間、適應惡劣海況、可淺海操作等優勢。兩艘拆解半潛船配有多個起重裝置，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、起重臂和船體實現起吊。每個起重臂通過一個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置一個浮力艙，吊臂的另一端設置一個壓載艙。起吊前兩艘駁船分列被吊物體兩側，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現起吊，產生一個起吊力矩，實現物體起吊(見圖7)。

圖7 雙船浮托法

在作業過程中，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。它的目的就在于通過移動位于舉升臂上的壓載物來產生起重力，同時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到此目的。當起重力達到目標要求時，兩艘起重船將對象物體從平臺兩側的底部聯合抬起并放置到第三艘駁船上，從而實現標的平臺的拆解和運移。

3 結 語

(1) 單船浮托法是從平臺底部正下方托舉施工的，而雙船浮托法是從平臺兩側底部抬舉施工的，這為海洋工程的施工提供了一種新的思路。從以上優勢可知，雙船浮托法是未來海洋石油工程施工市場的一種不可忽視的新工藝

(2) 拆解對氣候窗的要求嚴格，其可操作性主要取決于拆解地點的環境條件、拆解氣候窗的選取以及浮托拆解方向等。拆解船的運動性能、導管架、主塊樁腿和拆解設備的結構強度等，對拆解設計環境條件有約束作用，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，標的平臺橫向尺寸理論上可以很大。