雙船浮托法用于大型組塊拆除作業的應用研究

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，投資建設的油氣生產設施共有7 270多座。平臺設計壽命一般約為10年～30年，根據有關部門調研數據，現已投產海上油氣生產設施中的60%～70%，將陸續退役并進行廢棄處置。目前，國內已投產平臺達到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；2017年4月，完成了北海重達23 500 t的Brent Delta平臺的拆除作業。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千噸級海上平臺結構拆除工作。

我國平臺拆除起步較晚，目前拆除方法均為常規單船吊裝法，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構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的協同作業浮托駁船和載重量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，主要參數見表1。

表1 示例駁船主要參數表 m

3 雙船浮托法整體拆除平臺關鍵技術

雙船浮托法整體拆除平臺組塊的主要技術內容包括：1)海上油田設施一體化拆解作業模式；2)關鍵結構設計優化技術，包括基于檢測和調研數據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構以及平臺自身結構加強進行設計優化；3)作業過程的安全環保評價技術；4)船舶與起重系統協同壓載耦合控制技術；5)多船協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 海上油田設施檢測技術

對于廢棄的平臺，其檢測內容及測點的選取并沒有明確的法律法規規定，需要根據不同的平臺結構形式，可能采取的拆解方案等，對平臺整體結構、設備、關鍵節點等進行檢測。具體的檢測內容、檢測技術方法等需根據平臺的具體情況確定。

3.2 超大型海上油田設施一體化拆解工藝

超大型海上油田設施一體化拆解工藝主要技術內容包括：平臺一體化拆解工藝、油田設施檢測技術、平臺清洗工藝、平臺上岸處理技術等。國內在這方面的研究是空白，只能通過搜集國外相關拆解資料，結合之前小型海上油田設施拆解研究成果及工程經驗，綜合國內外平臺拆除案例及相關法律法規等資料，并通過搜集研究相關資料，總結出一套完整的油田設施一體化拆解作業模式。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鍵步驟如下：

浮托作業—進船。

在進行進船靠泊作業前，應該完成以下工作：1)檢查浮托駁船準備工作。應完成支撐框架的固定、錨系系統布設以及各設備狀態確認等所有準備工作。2)按照計劃切除平臺組塊與下部導管架結構物之間的連接。此項工作完成后，開始向導管架移動兩艘浮托船。3)平臺組塊插尖與浮托駁船上LMU上端的凈間隙不應小于0.5 m(考慮駁船運動)。4)確認駁船動態運動及插尖加速度符合進船要求。

浮托作業—荷載轉移。

在進行過駁作業荷載轉移作業前，應該確認組塊插尖的水平運動在LMU接收器范圍內。

浮托作業—退船。

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

在整個作業過程中，應始終保持駁船最大干舷不應小于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、駁船和導管架之間靠墊的碰撞力、駁船縱向帶纜以及系泊系統載荷等，以全面考察浮托拆除過程中所可能出現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構與其他結構的設計、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同拆解作業相互影響，通過數值模擬和水池試驗相結合的手段，確立雙船浮托一體化拆除作業海況。

3.4 多船協同拆解作業控制技術

多船協同拆解作業控制技術的關鍵是通過兩艘船舶同時上浮的浮力實現對超大型海上油田設施實現同步起重作業，即在作業過程中兩艘上浮船舶的浮態及上浮速度需要時刻保持一致。作業船舶自身調載系統應具備足夠的壓排水能力，確保對超大型海上結構物的起重要求；且應具備抗橫傾能力，以克服抬升目標結構物時對船舶單側產生的橫傾力矩。應具備一定的升沉補償能力，以防止海上風浪對船舶浮態造成的影響。

通過建立多目標控制數學模型，對多目標控制系統需要采用仿真和/或模擬等技術手段進行驗證和優化，建立可靠有冗余的信息傳輸機制。通過確定作業海域環境條件，利用CFD手段進行雙船的運動響應預報，利用試驗進行雙船的運動響應預報，通過以上途徑完成多船協同拆解作業控制。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—長距離運輸船待命狀態系泊。

運輸船到達現場連接預布系泊纜前，以下作業條件應該得到滿足：1)系泊系統安裝完全并且檢驗有足夠的系泊能力。2)業主批準進入施工現場。3)到達現場前，一旦VHF波段可以聯系上海域主管單位，應該與其盡快取得聯系。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。

過駁作業—進船。

在進行過駁作業前，應該完成以下工作：1)檢查浮托駁船準備工作，應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頂部的凈間隙不應小于0.5 m(考慮駁船運動)。4)確認駁船動態運動及插尖加速度符合進船要求。

過駁作業—荷載轉移。

在進行過駁作業荷載轉移作業前，應該完成以下工作：1)確認組塊插尖的水平運動在LMU接收器范圍內。2)組塊處于荷載轉移狀態時，切除剩余斜支撐。

浮托作業—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。

在整個作業過程中，應始終保持駁船最大干舷不應小于1.0 m。

3.5 適用于支撐緩沖系統和起重系統的協同作用控制技術

雙船浮托拆除組塊支撐緩沖裝置是緩沖系統和起重系統的協同作用系統，確保能夠在多個裝置內的兩獨立系統形成同步操作結果是關鍵技術難點。在兩個系統內部分別設計位移監測系統和應力監測系統；調配系統和超限報警系統；用一套控制系統進行壓載功能調配，控制系統具有自動或手動獨立操作功能，保證系統工作的有效性[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 適用于起重系統的重心轉角調整技術

組塊在使用過程中發生不同程度的改造，可能引起結構重心變化，因此在拆除組塊中的起重系統應具有重心調整適應機構。根據公司多年設計橋梁工程用支座的設計經驗可在組塊與起重系統的接觸部位設計成單維度或多維度轉向結構。單維度或多維度轉向結構為一對具有較低摩擦系數的摩擦副，使得轉向結構的轉動力矩較小且可控。

3.7 適用于起重系統的安全裝置鎖定技術

起重系統的安全裝置鎖定技術，確保浮托產品在承載頂升過程中，若出現異常情況，依然能起承重作用。起重系統采用液壓油缸頂升，在液壓油缸內部設置多道密封確保壓力密封，在油路上設計閥門和液壓鎖安全裝置，避免異常情況發生。

4 結語

海上油田設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，為保護海洋環境，并使海洋環境恢復原貌，這些海上油田設施均需拆除。目前，我們對于超大型海上油田設施的拆解還是空白，如何將這些超大型的設施安全高效地拆除，是我們將要面臨的一大難題。通過對國外技術研究，對本項目關鍵技術進行自主研發，形成具有自主知識產權的超大型海上油田設施一體化拆解技術。雙船浮托法拆除技術的掌握，有助于突破國外技術壟斷，填補國內技術空白，極大地提升我國在平臺拆除方面的作業能力，提高國際競爭力，并為國家海洋環境、通航和漁業生產等提供保障。本文基于雙船浮托方法，對該技術應用大型組塊的整體拆除作業進行了部分研究，該技術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。可為今后同類工程實踐提供參考，使雙船浮托法用于大型組塊拆除作業的方法得到有效安全的實施。