雙船浮托法用于大型組塊拆除作業(yè)的應(yīng)用研究

李 新 超

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

20世紀(jì)60年代以來，在全球53個(gè)國(guó)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(tái)設(shè)計(jì)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(jìn)行廢棄處置。目前，國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)平臺(tái)達(dá)到400多座，其中萬噸級(jí)大型組塊39座，包括荔灣3-1CEP組塊，其重量更是達(dá)到30 000 t級(jí)，未來10年國(guó)內(nèi)至少有90多座海上平臺(tái)達(dá)到服役期限。廢棄平臺(tái)拆除成為目前國(guó)際海洋工程界的熱點(diǎn)研究問題。

目前，國(guó)外常用的平臺(tái)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(zhǎng)382 m、寬124 m、船體間距59 m，裝備8個(gè)升沉補(bǔ)償能力Yoke Beam,起重能力達(dá)48 000 t。2016年8月，完成了北海海域重約13 500 t Yme平臺(tái)的拆除作業(yè)；2017年4月，完成了北海重達(dá)23 500 t的Brent Delta平臺(tái)的拆除作業(yè)。另外，美國(guó)的VB10000雙體船，起重能力7 500 t，已在墨西哥灣完成多個(gè)數(shù)千噸級(jí)海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)拆除工作。

我國(guó)平臺(tái)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(tái)重量?jī)H為1 550 t。對(duì)于萬噸級(jí)大型平臺(tái)的拆除，受浮吊資源、平臺(tái)重量、費(fèi)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(duì)超大型萬噸級(jí)海上結(jié)構(gòu)物進(jìn)行雙船整體拆除研究。

2 示例平臺(tái)、駁船信息

2.1 示例平臺(tái)信息

示例平臺(tái)地處于中國(guó)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(tái)中心坐標(biāo)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(tái)的上部組塊重量達(dá)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(zhǎng)距離運(yùn)輸駁船以及重量為20 000 t級(jí)的南海某平臺(tái)為示例平臺(tái)及示例駁船進(jìn)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(tái)關(guān)鍵技術(shù)

雙船浮托法整體拆除平臺(tái)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(jì)優(yōu)化技術(shù)，包括基于檢測(cè)和調(diào)研數(shù)據(jù)通過對(duì)平臺(tái)組塊雙船拆除分析建模，對(duì)雙船拆除組塊的支撐結(jié)構(gòu)以及平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)加強(qiáng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；3)作業(yè)過程的安全環(huán)保評(píng)價(jià)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(duì)平臺(tái)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(fēng)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(cè)技術(shù)

對(duì)于廢棄的平臺(tái)，其檢測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)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(tái)結(jié)構(gòu)形式，可能采取的拆解方案等，對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行檢測(cè)。具體的檢測(cè)內(nèi)容、檢測(cè)技術(shù)方法等需根據(jù)平臺(tái)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(tái)一體化拆解工藝、油田設(shè)施檢測(cè)技術(shù)、平臺(tái)清洗工藝、平臺(tái)上岸處理技術(shù)等。國(guó)內(nèi)在這方面的研究是空白，只能通過搜集國(guó)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(yàn)，綜合國(guó)內(nèi)外平臺(tái)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(tái)示意圖如圖1所示。

典型的雙船浮托法拆除平臺(tái)關(guān)鍵步驟如下：

浮托作業(yè)—進(jìn)船。

在進(jìn)行進(jìn)船靠泊作業(yè)前，應(yīng)該完成以下工作：1)檢查浮托駁船準(zhǔn)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(rèn)等所有準(zhǔn)備工作。2)按照計(jì)劃切除平臺(tái)組塊與下部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)物之間的連接。此項(xiàng)工作完成后，開始向?qū)Ч芗芤苿?dòng)兩艘浮托船。3)平臺(tái)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(yùn)動(dòng))。4)確認(rèn)駁船動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)及插尖加速度符合進(jìn)船要求。

浮托作業(yè)—荷載轉(zhuǎn)移。

在進(jìn)行過駁作業(yè)荷載轉(zhuǎn)移作業(yè)前，應(yīng)該確認(rèn)組塊插尖的水平運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)力非線性時(shí)域分析及對(duì)接耦合分析

使用SESAM等工程設(shè)計(jì)分析軟件進(jìn)行浮托拆除過程分析，包括進(jìn)船、對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)和載荷大小，為工程方案的確定提供參考和驗(yàn)證[1]。

進(jìn)行雙船浮托一體化拆除棄置平臺(tái)組塊的計(jì)算分析(包括水動(dòng)力非線性時(shí)域分析、雙船浮托對(duì)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(jì)、船與組塊的強(qiáng)度分析等)；建立雙船浮托一體化拆除工況非線性時(shí)域分析水動(dòng)力力學(xué)模型，分析鉸接式支撐連接形式對(duì)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(yàn)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(shí)上浮的浮力實(shí)現(xiàn)對(duì)超大型海上油田設(shè)施實(shí)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(shí)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(duì)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(biāo)結(jié)構(gòu)物時(shí)對(duì)船舶單側(cè)產(chǎn)生的橫傾力矩。應(yīng)具備一定的升沉補(bǔ)償能力，以防止海上風(fēng)浪對(duì)船舶浮態(tài)造成的影響。

通過建立多目標(biāo)控制數(shù)學(xué)模型，對(duì)多目標(biāo)控制系統(tǒng)需要采用仿真和/或模擬等技術(shù)手段進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，建立可靠有冗余的信息傳輸機(jī)制。通過確定作業(yè)海域環(huán)境條件，利用CFD手段進(jìn)行雙船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)，利用試驗(yàn)進(jìn)行雙船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)，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(tái)過駁示意圖如圖2所示。

過駁作業(yè)—長(zhǎng)距離運(yùn)輸船待命狀態(tài)系泊。

運(yùn)輸船到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)有足夠的系泊能力。2)業(yè)主批準(zhǔn)進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)。3)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)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(zhǔn)，任何船舶不得進(jìn)入控制海域1.5海里范圍內(nèi)。

過駁作業(yè)—進(jìn)船。

在進(jìn)行過駁作業(yè)前，應(yīng)該完成以下工作：1)檢查浮托駁船準(zhǔn)備工作，應(yīng)完成除去切割斜支撐固定外的所有準(zhǔn)備工作。2)按照計(jì)劃開始切除第一批2/3的斜支撐，細(xì)節(jié)參照切除裝船固定圖紙。此項(xiàng)工作完成后，開始向運(yùn)輸船移動(dòng)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(yùn)動(dòng))。4)確認(rèn)駁船動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)及插尖加速度符合進(jìn)船要求。

過駁作業(yè)—荷載轉(zhuǎn)移。

在進(jìn)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(rèn)組塊插尖的水平運(yùn)動(dòng)在LMU接收器范圍內(nèi)。2)組塊處于荷載轉(zhuǎn)移狀態(tài)時(shí)，切除剩余斜支撐。

浮托作業(yè)—退船。

駁船退船前，必須保證運(yùn)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(gè)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(gè)裝置內(nèi)的兩獨(dú)立系統(tǒng)形成同步操作結(jié)果是關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。在兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部分別設(shè)計(jì)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；調(diào)配系統(tǒng)和超限報(bào)警系統(tǒng)；用一套控制系統(tǒng)進(jìn)行壓載功能調(diào)配，控制系統(tǒng)具有自動(dòng)或手動(dòng)獨(dú)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(jī)構(gòu)。根據(jù)公司多年設(shè)計(jì)橋梁工程用支座的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可在組塊與起重系統(tǒng)的接觸部位設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)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(jì)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(cái)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(tái)也就完成了它的使命，為保護(hù)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(duì)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(duì)國(guó)外技術(shù)研究，對(duì)本項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)，形成具有自主知識(shí)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(guó)外技術(shù)壟斷，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，極大地提升我國(guó)在平臺(tái)拆除方面的作業(yè)能力，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，并為國(guó)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(duì)該技術(shù)應(yīng)用大型組塊的整體拆除作業(yè)進(jìn)行了部分研究，該技術(shù)既可解決大型平臺(tái)拆除難題，同時(shí)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(shí)踐提供參考，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(shí)施。