導(dǎo)管架平臺(tái)拆除技術(shù)及裝備分析

章仲怡，王佐強(qiáng)，翁祖航，朱曉宇，唐友剛

(1.海洋能源發(fā)展股份有限公司 管道工程公司，天津 300450；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

近年來，我國拆除包括導(dǎo)管架平臺(tái)在內(nèi)的海洋設(shè)施日益受到關(guān)注。2012年中國石油集團(tuán)海洋工程公司對(duì)冀東-老南堡油田進(jìn)行了吊裝拆除，2013年和2014年又分別拆除了遼河油田和勝利油田平臺(tái)，2014年，我國拆除了曹妃甸1-6油田SPM導(dǎo)管架[1]。渤海90年代安裝的導(dǎo)管架平臺(tái)等，5～10年后達(dá)到棄置期，其質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到萬噸級(jí)，無法采用起重船法拆除。因此著眼于導(dǎo)管架平臺(tái)棄置的現(xiàn)狀與未來，研究具有經(jīng)濟(jì)效益、操作性強(qiáng)、安全可靠的海洋平臺(tái)拆除技術(shù)與裝備，對(duì)海洋石油工業(yè)持續(xù)發(fā)展及海洋環(huán)境保護(hù)具有一定的戰(zhàn)略意義。

本文考慮拆除作業(yè)裝備的不同，將拆除技術(shù)分為起重船法、浮托內(nèi)插法、浮托外插法、雙船抬升臂法及雙體船抬升臂法，分析了各自的系統(tǒng)組成、技術(shù)特點(diǎn)、施工流程及經(jīng)濟(jì)性能，對(duì)于我國發(fā)展拆除技術(shù)和裝備提出了建議。

1 起重船法拆除技術(shù)

起重船法拆除技術(shù)是利用大型浮吊起吊平臺(tái)上部組塊和導(dǎo)管架的技術(shù)。該技術(shù)發(fā)展較早，受到吊重能力、平臺(tái)尺寸、水深、起重船租賃困難及租金高昂等因素的限制。

起重船法拆除過程關(guān)鍵是吊點(diǎn)的選擇，必須保證吊耳與結(jié)構(gòu)的可靠連接、吊點(diǎn)強(qiáng)度滿足起吊要求，此外吊點(diǎn)的數(shù)量和位置也必須精心計(jì)算布置，保證提吊過程組塊不發(fā)生旋轉(zhuǎn)和脫落。因此，起重船作業(yè)一般要求浪高不能大于1.5 m, 且作業(yè)量大風(fēng)險(xiǎn)大[2-3]。鑒于設(shè)備的限制，目前我國拆除的導(dǎo)管架平臺(tái)質(zhì)量范圍一般在300～2 000 t，普遍使用了起重船提吊，但是在5 000～10 000 t以上的大型導(dǎo)管架平臺(tái)拆除中采用起重船提吊受到多種因素制約，且費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大。

2 浮托法拆除技術(shù)

浮托法拆除技術(shù)主要使用特殊改造過的運(yùn)輸駁船進(jìn)行作業(yè)，配合必要的定位裝置、對(duì)接裝置及壓載調(diào)節(jié)裝置等，即可完成導(dǎo)管架平臺(tái)的拆除作業(yè)[3-4]。基于作業(yè)船從導(dǎo)管架樁腿之間插入和從導(dǎo)管架樁腿外部插入，分為浮托內(nèi)插法和浮托外插法，圖1為浮托內(nèi)插法，圖2為浮托外插法。

圖1 浮托內(nèi)插法

圖2 浮托外插法

2.1 浮托法拆除作業(yè)流程

1)作業(yè)船進(jìn)入和定位。駁船通過艉進(jìn)式拖拉進(jìn)入導(dǎo)管架底部。通過縱向纜和錨機(jī)，將駁船慢慢拉向?qū)Ч芗軜锻戎g的空檔。確認(rèn)駁船到達(dá)預(yù)定位置后，啟動(dòng)所有絞盤制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行定位。

2)載荷轉(zhuǎn)移及退船。作業(yè)駁船排水上升，作業(yè)駁船上的減振裝置與上部組塊接觸并進(jìn)行接觸固定，而后切割臨時(shí)固定支撐位置的樁腿，繼續(xù)排水，使樁腿抬離固定支撐區(qū)域，作業(yè)駁船達(dá)到預(yù)定高度后，托起組塊。作業(yè)駁船在拖船牽引下外移離開導(dǎo)管架。結(jié)束組塊拆除過程。

浮托內(nèi)插法已經(jīng)被廣泛用于安裝導(dǎo)管架組塊。對(duì)于導(dǎo)管架樁腿間距較大的導(dǎo)管架平臺(tái)，采用浮托內(nèi)插法；而對(duì)于導(dǎo)管架樁腿間距小的平臺(tái)，采用浮托外插法。

2.2 浮托法拆除技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①適合于拆除大尺度、大重量的導(dǎo)管架平臺(tái)上部組塊，解決起重船設(shè)備不足的問題；②與大型起重船拆除費(fèi)用比較，費(fèi)用較低。缺點(diǎn)：①僅能拆除上部組塊，不能用于拆除導(dǎo)管架；②作業(yè)環(huán)境要求嚴(yán)苛，縮短了海上的作業(yè)窗口期。

（4）可以在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求指標(biāo)下，在焊接材料采購時(shí)，可進(jìn)一步降低C含量以及S、P、Si等雜質(zhì)元素的含量，以降低產(chǎn)生熱裂紋的傾向，提高操作性；提高Al、Ti元素的含量，達(dá)到細(xì)化晶粒、提高焊縫金屬的塑性。

3 抬升臂法拆除技術(shù)

抬升臂安裝在作業(yè)船甲板上，以進(jìn)行抬升組塊拆除作業(yè)。抬升臂法拆除作業(yè)技術(shù)包括的雙船抬升臂法拆除技術(shù)(如圖3所示)和雙體船抬升臂法拆除技術(shù)(如圖4所示)。

圖3 雙船抬升臂法拆除技術(shù)

圖4 雙體船抬升臂法拆除技術(shù)

1)雙船抬升臂法拆除技術(shù)。單體船甲板上安裝抬升臂，這種船作業(yè)時(shí)，需要2條船同時(shí)通過抬升臂起重組塊或?qū)Ч芗埽砸脖环Q為雙船提吊技術(shù)[5]。拆除作業(yè)時(shí)，作業(yè)船位于導(dǎo)管架平臺(tái)兩側(cè)進(jìn)行抬升起重作業(yè)。

2)雙體船抬升臂法拆除技術(shù)。先鋒號(hào) (Pioneering Spirit)雙體船，該船尾部開槽，槽口兩側(cè)配備4個(gè)抬升臂。先鋒號(hào)總長 382 m，寬度 124 m，主甲板下型深 30 m，其上部組塊(安裝或拆除)抬升臂的起重能力約為 48 000 t[5]。

3.1 抬升臂法拆除技術(shù)的施工船作業(yè)流程

1)雙船抬升臂起重裝備的系統(tǒng)組成和作業(yè)流程如下。

(1)系統(tǒng)組成。① 2艘安裝抬升臂的駁船，2艘駁船船體結(jié)構(gòu)為大型平底船，上層建筑和直升機(jī)甲板等位于艏部以增大抬升臂空間；②2套抬升臂，每艘起重駁船安放1套，每套8～10根抬升臂；③1套控制及檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)船體吃水及壓載水水位。

(2)作業(yè)流程。①啟動(dòng)抬升臂接近導(dǎo)管架平臺(tái)組塊下甲板的支撐點(diǎn)，托住預(yù)先設(shè)好的支撐結(jié)構(gòu)，切斷組塊與樁腿的連接后，抬升臂壓載艙注入壓載水，產(chǎn)生抬升力矩，組塊被緩慢抬起離開導(dǎo)管架；②組塊抬升至一定高度，兩側(cè)抬升臂托起組塊緩慢移動(dòng)到運(yùn)輸駁船甲板上方，雙船系統(tǒng)抬升臂的壓載艙進(jìn)行排水，抬升力矩逐漸減小，組塊下放到運(yùn)輸船甲板上，雙船抬升臂系統(tǒng)起重施工結(jié)束。

2)雙體船抬升臂系統(tǒng)組成和施工流程。

(2)施工流程。①作業(yè)準(zhǔn)備之后，8個(gè)抬升臂托住平臺(tái)上部組塊的下甲板；②船舶排出壓載水，船體上浮，托起組塊；③組塊在抬升臂托舉下，緩慢駛離導(dǎo)管架。

3.2 抬升臂法拆除技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

1)優(yōu)點(diǎn)。①施工抬升能力強(qiáng)，托舉的質(zhì)量可達(dá)到數(shù)萬噸，只要抬升臂強(qiáng)度和船體浮態(tài)滿足要求，托舉能力就沒有限制；②適應(yīng)海洋環(huán)境能力強(qiáng)，可在惡劣海況下進(jìn)行拆除施工；③可以同時(shí)拆除組塊和導(dǎo)管架，作業(yè)效率高。

2)缺點(diǎn)。設(shè)備建造費(fèi)用較高，技術(shù)難度較大。

4 不同拆除技術(shù)和裝備的比較

4.1 系統(tǒng)組成和載荷的比較

1)起重船法拆除技術(shù)。系統(tǒng)組成包括船體、吊臂和提吊索具。吊臂和提吊索具既是關(guān)鍵部件又是起重船的薄弱部件，提吊過程受風(fēng)浪流載荷影響極為顯著，對(duì)于風(fēng)載荷敏感。

2)浮托法拆除技術(shù)。該施工技術(shù)裝備包括船體及導(dǎo)管架下甲板的減振裝置(LMU)[6-7]，作業(yè)船舶承受的載荷主要是來自組塊的重量。浮托施工過程中作業(yè)船在波浪作用下運(yùn)動(dòng)，浮托船具有與兩側(cè)導(dǎo)管架樁腿發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。采用浮托法拆除施工，在組塊下甲板需要安裝特殊的減振插頭，在切割樁腿施工前，該插頭插入浮托駁船上的LMU，以便緩沖船體與組塊甲板之間的碰撞[4]。

3)抬升臂法拆除技術(shù)。抬升臂法包括雙船抬升臂法和雙體船抬升臂法。

(1)雙船抬升臂法。導(dǎo)管架兩側(cè)船抬升過程保持運(yùn)動(dòng)同步，存在一定技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)。

(2)雙體船抬升臂法。雙體船抬升臂起重系統(tǒng)包括船體及抬升臂，抬升過程載荷主要是組塊重量。抬升過程中，兩側(cè)抬升臂的動(dòng)作必須保持同步。雙體船抬升過程可以在惡劣的海況下作業(yè)。

4.2 拆除施工費(fèi)用的比較

拆除小型平臺(tái)(小于2 000 t)時(shí)，起重船法拆除是一種可行的方法。但是根據(jù)拆除大型平臺(tái)的費(fèi)用來看，浮托法拆除技術(shù)施工費(fèi)用明顯高于抬升臂法拆除技術(shù)施工費(fèi)用，表1為浮托法與抬升臂法拆除技術(shù)施工費(fèi)用比較[7]。

表1 浮托法與抬升臂法拆除技術(shù)施工費(fèi)用比較 百萬美元

4.3 不同拆除技術(shù)和裝備的施工難度和安全性

起重船法拆除技術(shù)過程受海洋環(huán)境影響大，提吊物的重量受限，施工難度大，存在安全隱患。

浮托法拆除技術(shù)包括浮托內(nèi)插法拆除和浮托外插法拆除，作業(yè)周期選擇困難，船體舷側(cè)與樁腿易發(fā)生碰撞，托舉組塊過程風(fēng)險(xiǎn)較大。

雙船抬升臂法拆除技術(shù)利用2艘同型駁船同步托舉上部組塊，制約因素少、適用噸位大，可在淺水和深水區(qū)作業(yè)。雙體船抬升臂法拆除技術(shù)的施工過程安全，尤其適合大體積、大重量的導(dǎo)管架平臺(tái)拆除，具有抬升臂的作業(yè)船既可以拆除組塊，也可以拆除導(dǎo)管架。不同拆除技術(shù)適應(yīng)性比較見表2。

表2 不同拆除技術(shù)適應(yīng)性比較

5 結(jié)束語

綜上所述，抬升臂法是最有競(jìng)爭(zhēng)力的導(dǎo)管架平臺(tái)拆除技術(shù)，具有抬升臂的作業(yè)船裝備抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，適合大重量平臺(tái)的拆除，是在深海拆除大重量導(dǎo)管架平臺(tái)最合理的選擇。對(duì)于海洋環(huán)境良好的海域，浮托法適合拆除大重量導(dǎo)管架平臺(tái)組塊，但是不能拆除導(dǎo)管架；起重船法適合拆除中小型導(dǎo)管架平臺(tái)，要求海域海況良好。抬升臂法拆除技術(shù)用于大型平臺(tái)時(shí)，具有拆除成本低、作業(yè)能力強(qiáng)、作業(yè)時(shí)間短、適用范圍廣、操作安全方便等特點(diǎn)，因此對(duì)于深水大尺度萬噸級(jí)導(dǎo)管架平臺(tái)拆除，提供了新的技術(shù)和裝備。對(duì)于我國而言，渤海灣的平臺(tái)大部分屬于中小型平臺(tái)，適合于起重船法拆除，而對(duì)于東海和南海海域的導(dǎo)管架平臺(tái)的拆除，適合采用抬升臂法拆除技術(shù)，在海況良好海域可采用浮托法拆除導(dǎo)管架平臺(tái)組塊。