導管架平臺不同拆除裝備適用性分析

郭宇禮，王佐強，張 亮，翁祖航，朱曉宇，唐友剛

1.渤海石油航務建筑工程有限責任公司，天津 300450

2.天津大學建筑工程學院，天津 300350

3.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350

自從20世紀40年代美國在墨西哥灣建造第一個鋼質(zhì)導管架平臺以來，至今全世界已經(jīng)安裝了7 000余座導管架平臺。我國在渤海、東海和南海已安裝了近300座導管架平臺。這些海洋平臺結構歷經(jīng)數(shù)十年的運行，面臨兩個問題：一是結構及機電設施嚴重損毀，已經(jīng)不能安全有效工作，處于報廢狀態(tài)；二是所處海域經(jīng)過多年開采，海底石油已經(jīng)枯竭，不能維持生產(chǎn)，因此這兩種情況下的導管架平臺基于有關法規(guī)都需要棄置。根據(jù)文獻[1-2]，預計到2040年全球?qū)⒂? 000座海洋平臺停止生產(chǎn)，600余座平臺需要拆除；我國將要廢棄的油氣田達81個、平臺164座、海底管道3 240 km。導管架平臺每年的退役費用估計將從2015年的24億美元增加到2040年的130億美元。截至2020年，全球已有150個油氣田在過去30年因不斷減產(chǎn)而棄置，總拆解費用已達到3 400億美元。海洋平臺拆除既是龐大的技術產(chǎn)業(yè)，又是廣闊的經(jīng)濟市場，可產(chǎn)生的經(jīng)濟效益巨大。

1973年墨西哥灣拆除了第一座導管架平臺，我國拆除導管架平臺的工程始于上世紀80年代，至今世界范圍內(nèi)已經(jīng)拆除了導管架平臺約3 000座，主要集中在墨西哥灣和北海，其中我國不到20座。導管架平臺的拆除技術與拆除裝備密切相關，盡管我國的拆除工作已經(jīng)開展數(shù)十年，但拆除平臺的數(shù)量很少，技術和裝備方面與國外差距很大，尤其裝備上遠遠落后于國外。因此面對導管架平臺棄置的巨大市場和效益空間，我國應該創(chuàng)新開拓技術，研發(fā)裝備。本文針對我國目前導管架平臺拆除市場的需求，總結和分析了國內(nèi)外導管架平臺的拆除技術和裝備，指出裝備的優(yōu)缺點和適應性，以期為我國設計建造同類型海上拆除裝備提供參考。

1 海上導管架平臺拆除施工系統(tǒng)

1.1 背拉法拆除系統(tǒng)

背拉法拆除系統(tǒng)是通過布置在駁船上的滑輪及纜索系統(tǒng)，拖拉拆除小型導管架平臺的方法，該方法詳見文獻[3-4]。該方法不需要大型起重設備和起重船，依靠布置在駁船上的滑輪及纜索系統(tǒng)，即可提起導管架將其拖走。由于該技術起重能力有限，因此只適用于小型淺水平臺的拆除作業(yè)。

1.1.1 系統(tǒng)組成及功能

背拉法拆除系統(tǒng)主要由駁船、滑輪和絞車構成，共分為3部分，分別是提升系統(tǒng)A、制退系統(tǒng)B和旋轉系統(tǒng)C。系統(tǒng)A、C是主要作業(yè)系統(tǒng)，B為輔助系統(tǒng)，見圖1。

圖1 拆除導管架背拉法系統(tǒng)示意

圖1中的A、B、C分別代表3個不同的系統(tǒng)。各個系統(tǒng)安裝2套，兩舷對稱安裝。系統(tǒng)A的功能是向上提升導管架，在導管架提升初期，幾乎承受整個導管架的重量，是主要的工作系統(tǒng)。

系統(tǒng)B包括2個安裝在船舶甲板上的定滑輪和1個安裝在導管架上的定滑輪以及與拖拉絞車連接的鋼纜。主要是通過張緊和松弛來控制導管架的提升速度，防止導管架與駁船尾部撞擊而引起駁船船體損傷。

系統(tǒng)C包括2個定滑輪和鋼纜，其功能是提供使導管架旋轉的力矩，拉動導管架傾斜上船；在導管架傾斜度較小時，控制導管架下落到甲板的速度。

1.1.2 工作原理

背拉法是通過在駁船上安裝滑輪和絞車，形成背拉導管架作業(yè)系統(tǒng)，而后3個系統(tǒng)相互配合，完成導管架的上拔、提升與上船過程。在進行上拔作業(yè)準備過程中，駁船注水壓載使其下沉，達到設計吃水深度，將駁船尾部與導管架通過纜索連接在一起，此時需要導管架與船尾的連接十分可靠，以免上拔導管架過程產(chǎn)生松動，導致上拔導管架失敗。連接牢固后，排出駁船尾部壓載水，使駁船產(chǎn)生剩余浮力上拔導管架。導管架從土中拔出后，直立在泥面上，此時土的吸附力為零。而后進行裝船步驟，裝船提升過程中，系統(tǒng)A、系統(tǒng)B和系統(tǒng)C配合工作，拉動導管架向駁船甲板上移動，最終導管架平躺在甲板上。此種拆除導管架系統(tǒng)可達到的規(guī)模，取決于提拉絞車的拉力大小和鋼絲繩的強度。

1.1.3 工作流程

（1）提升剛開始時，系統(tǒng)A滑輪組將導管架重心提升到安全工作區(qū)間（從海平面上方水平線到過船尾滾筒中心的豎直線），系統(tǒng)B滑輪組不工作，系統(tǒng)C給導管架提供輔助水平力，抵消導管架自重引起的逆時針轉動力矩。

（2） 向上開始提升導管架，系統(tǒng)C絞車啟動，牽拉導管架開始提升。

（3）提升過程中，如果導管架傾斜過程中重心越過甲板，系統(tǒng)B絞車啟動，將導管架向下拉降低重心，保證重心不會越過船尾滾筒垂向中心線，防止導管架突然傾倒在甲板上。

（4）在提拉到導管架傾角很小時，導管架重心已經(jīng)越過了船尾滾筒垂向中心線，此時系統(tǒng)B和C啟動，卷筒將纜繩拉緊，導管架緩慢降落到甲板指定位置處。

（5）導管架落到甲板后，啟動系統(tǒng)C拉動導管架，將導管架放置到甲板上的合適位置并進行固定綁扎。

1.1.4 優(yōu)點

（1）適應于小型導管架平臺的拆除，設備改裝價格低，可以降低導管架平臺拆除施工的費用。

（2）整個系統(tǒng)沒有使用大型吊機起吊導管架，操作過程中導管架控制穩(wěn)定性好，吊物對于船舶的運動影響小，所以即使風浪較大的海況，也可以實施作業(yè)。

1.1.5 缺點

不適合拆解大型導管架平臺，使用范圍受限。

1.2 海上穿梭船 （Marine Shuttle）

海上穿梭船是一艘由MSO運營有限公司設計的海上U型船體鋼制穿梭船（見圖2），包括直徑為10 m的管狀結構以及壓載艙、壓載泵等設備，設計用于運輸、安裝和移除質(zhì)量達22 000 t的大型平臺上部組塊或者質(zhì)量達到10 000 t的導管架結構。穿梭船非自航，依靠拖輪拖帶到作業(yè)場地，由輔助船提供電力進行作業(yè)。

圖2 海上穿梭船示意

結構尺寸（型長×型寬×型深）為146.30m×85.344 m×60.96 m，設計吃水為10.97 m，排水量為20 555 t，提升組塊能力為22 000 t，提升導管架能力為10 000 t。

1.2.1 系統(tǒng)組成

海上穿梭船由3大部分組成。其一，穿梭船主體，穿梭船主體的作用是海上安裝或拆除作業(yè)，穿梭船主體包括提供浮力的浮體結構、壓載艙及實施抽排水的泵，作業(yè)過程中拆除目標位于U型船體結構上部。其二，輔助拖船，輔助拖船用于拖拉穿梭船到達作業(yè)海域，并提供電源等。其三，運輸駁船，用于運輸被拆除或者安裝的上部組塊及導管架結構。

1.2.2 工作原理

該系統(tǒng)主要通過壓載水的調(diào)整，下降或浮起U型船體，實現(xiàn)導管架平臺的浮托提升與下降。

1.2.3 工作流程

使用海上穿梭船拆除導管架平臺的工作流程：首先，穿梭船壓載下潛，U型開口部分通過壓載水調(diào)節(jié)到水線以下，在駁船牽引下通過樁腿之間的空檔插入到組塊下方，穿梭船排出壓載水上浮到導管架平臺的組塊下面，U型開口兩側結構從導管架下甲板樁腿的外側托住導管架，此時切斷樁腿；隨后，再次排出壓載水升起穿梭船，并攜帶導管架平臺組塊離開平臺，將組塊轉載到運輸駁船上。采用穿梭船拆除導管架組塊，導管架下甲板以下不能有斜撐等影響U型穿梭船插入的桿件，否則需要事先切斷，保證穿梭船U型開口可以插入組塊下方。

1.2.4 優(yōu)點

（1）實現(xiàn)上部組塊一次拆除，無需在每個組塊上重新安裝提吊點和索具。

（2）提升能力強，提升組塊能力為22 000 t，提升導管架能力為10 000 t。

（3）經(jīng)濟性、安全性較好，減少了海上作業(yè)的時間、成本和風險。

（4）使平臺的再利用成為可能。

1.2.5 缺點

（1）不能在一次提升中移除深水導管架。

（2）在繼續(xù)導管架拆除工作之前必須卸載上部結構。

（3）可能不容易移動和處理導管架部件。

（4）沒有住所，需要輔助船來容納工作人員。

1.3 Pioneering Spirit號雙體船

Pioneering Spirit號是目前用于導管架平臺拆除/安裝的最大的雙體船，排水量最大，尺度最大，功能最全[6-7]，如圖3所示。該船總長382 m，寬124 m，排水量達到1 000 000 t，型深30 m，上部組塊的起重能力可達到48 000 t。該船由瑞士的Allseas集團設計，韓國大宇造船與海洋工程公司2011—2014年建造，造價為26億歐元，2015年下水，2016年8月開始進行海上作業(yè)。

圖3 導管架拆除裝備Pioneering Spirit號雙體船

1.3.1 系統(tǒng)組成

該船船首處有一個長122 m、寬59 m的槽口，槽口兩側布置8組水平抬升臂，用于起重上部組塊。為了拆卸和安裝導管架，在船尾安裝了兩個170 m長的起重臂，它們可以在鉸鏈上旋轉。作為起重系統(tǒng)的補充，還有一臺5 000 t的特殊用途起重機，用于起吊其他設備，例如較輕的導管架和上部組塊、平臺組塊和橋梁等。

這艘雙體船配備有極其強大的動力定位系統(tǒng)，可以在極其惡劣的海洋環(huán)境下作業(yè)。該船配備了8臺20缸（20V32/44CR）MAN 11 200 kW柴油發(fā)電機，總裝機功率為95 MW，驅(qū)動12臺Rolls-Royce方位推進器，提供動態(tài)定位（DP3）和推進力。該船的最高航速為14 kn（26 km/h）。該船拆除導管架平臺后，可以一并完成組塊和導管架的運輸。

1.3.2 工作原理

船首處槽口兩側設置8個抬升臂，作業(yè)時抬升臂與導管架上部組塊相連，通過調(diào)節(jié)船體壓載水實現(xiàn)船體排水量的變化，使船舶升起或下沉，從而實現(xiàn)平臺上部組塊的拆卸、安裝。船尾處裝有一個擺動梁式起重機，其頂端裝有連接索，可與導管架相連，通過梁結構的收放實現(xiàn)導管架結構的拆除和安裝。

1.3.3 工作流程

以導管架平臺拆除為例說明上部組塊和導管架的拆除流程。

（1）上部組塊的拆除。完成拆除作業(yè)準備之后，船體首部移至平臺上部組塊下方，四對連接臂與平臺上部組塊的支撐腿相連（根據(jù)導管架平臺類型而確定用幾個連接臂），支撐腿保持組塊的穩(wěn)定性，此時進行樁腿的切割，組塊與樁腿切斷后，船體排出壓載水上浮，托起組塊，實現(xiàn)組塊與導管架分離，然后將上部組塊運走。

總而言之，上部組塊的拆除主要分為以下4步：“包圍”平臺上部組塊，起重設施與上部組塊連接，上部組塊拆除提升作業(yè)，作業(yè)船移位。

（2）導管架的拆除。平臺上部組塊拆除完成后，起重系統(tǒng)返回導管架平臺所在海域，實施導管架拆除作業(yè)。首先調(diào)整船體方向，使船尾與導管架同側，將船尾起重架撐起，置于導管架正上方，將連接結構與導管架相連，在船尾起重架的控制下，進行導管架泥面下樁腿的切割，切割完成后，起重架提起導管架，并上提到甲板的導軌上，甲板絞車拖拉導管架固定在甲板的預定位置，作業(yè)船駛離現(xiàn)場，完成拆除作業(yè)。

綜上可知，導管架拆除主要分為以下5步：作業(yè)船就位于平臺導管架上方；起重設施與導管架連接；從泥面以下處切割導管架樁腿；提升導管架；沿導軌拖拉導管架至甲板的預定位置，將導管架固定在甲板上進行運輸。

1.3.4 優(yōu)點

（1） 成本更低。Pioneering Spirit號雙體船有十分強大的起重能力，平臺組塊可以一次性拆除，不必對平臺分段切割，大大縮短工程時間和工程成本；海洋平臺建造時可以采用更大的分段，甚至整個上部組塊整體建造都不設分段，大大縮減平臺組塊建造成本，使平臺安裝更為高效、便捷。

（2）平臺再利用。強大的起吊和浮托能力可以對平臺一次性整體拆除，保持了平臺組塊的完整性，方便對平臺組塊再利用。

（3） 作業(yè)更安全。一次性起吊和浮托能力，大幅縮短安裝、拆除施工時間，大大縮短人員操作時間，減小作業(yè)人員安全風險。

（4）更好的適航性。強大的動力系統(tǒng)使其有很高的航行速度；先進的DP定位能力及起重的運動補償系統(tǒng)可以使其在惡劣海況下（波高3.5 m）安全作業(yè)。

1.3.5 缺點

（1）該船造價昂貴，達26億歐元，一次性投資難以承受。

（2）設備維護成本高，導致拆除導管架的成本有時會更高。

（3）如果用于拆除小型平臺，費用支出不劃算，限制了該船的使用范圍。

1.4 雙船重吊起重系統(tǒng)

TML（Twin Marine Lifter）雙船重吊起重系統(tǒng)[8]最初由Sea Metric International公司提出，該系統(tǒng)作業(yè)方式如圖4所示。Sea Metric破產(chǎn)后，挪威TMH公司收購了TML技術。2016年山東雙船起重有限公司（SDTM）已經(jīng)與煙臺中集來福士海洋工程有限公司合作，與挪威TMH公司聯(lián)合建造雙船重吊起重系統(tǒng)。

圖4 雙船重吊起重系統(tǒng)

1.4.1 系統(tǒng)組成

TML系統(tǒng)主要由3大部分組成。其一，TML系統(tǒng)由3艘配備定位系統(tǒng)的半潛船組成，一艘負責運輸，兩艘負責拆除。其二，負責拆除的兩艘起重船，每艘船上設計有4個杠桿式抬升臂，其中每個抬升臂設計可以承載質(zhì)量為2 500～4 000 t。其三，每艘船都有直升機甲板、潛水和推進能力，且可以自航。

1.4.2 工作原理[8]

圖5為TML系統(tǒng)的工作原理示意。TML系統(tǒng)的抬升臂通過滑道設置在半潛船甲板上。通過滑道的滑移，抬升臂可以在船長方向上調(diào)整前后的位置與間距。各抬升臂基于杠桿原理，通過在船體中部支架設置的軸承式轉軸實現(xiàn)垂直方向的升降。此外，75 m長的抬升臂能夠向外延伸15 m，實現(xiàn)船寬方向的移動。抬升臂通過3個平動自由度方向的移動為TML系統(tǒng)具有足夠的抬升能力提供了保障。在半潛船的兩舷各設有一組液壓機構，用于提升抬升臂升降的部分頂升力。此外，在抬升臂的兩側尾端各設置一壓載艙體，遠離導管架平臺一側舷側的艙體尺度更大，通過充入或排出壓載水來調(diào)整抬升臂的姿態(tài)。作業(yè)端的垂向行程為2.0 m，當抬升臂需要進行抬升作業(yè)時，船首部的壓載艙排出壓載水，船尾部的壓載艙打入壓載水，同時調(diào)整前后液壓機構保證抬升臂前段順利起升，反之亦然。

圖5 起重系統(tǒng)抬升臂工作原理示意

1.4.3 工作流程

TML系統(tǒng)的兩艘起重船舶按照拆除方案并行就位于導管架平臺兩側，距導管架約5～10 m以防止船體與導管架碰撞。同時將用于上部組塊運輸?shù)鸟g船在導管架前方20～30 m處就位。通過調(diào)整壓載艙的排水以及液壓機構的行程，降低各抬升臂的前端高度，使其位于預設的起重點之下。待高度調(diào)整流程執(zhí)行完畢后，抬升臂前端伸長，并操縱船舶逐漸靠近待拆除導管架組塊，將抬升臂前端與平臺組塊下部預設的結構對準夾緊，通過抬升臂施加起升力，使上部組塊的載荷部分轉移到由抬升臂承擔，該操作的目的是保證切割樁腿過程組塊的穩(wěn)定性。在這一過程中，需要通過視頻監(jiān)視系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)對各抬升臂的位型及受力狀況進行實時監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)受力不平衡，及時通過調(diào)整姿態(tài)來保證抬升臂受力均勻，在各個抬升臂受力均勻的狀態(tài)下，進行樁腿切割，分離組塊與樁腿。調(diào)節(jié)壓載艙的壓載以及液壓機構，將平臺上部組塊升起至樁腿切割位置以上2～2.5 m，如圖6、7所示。

圖6 抬升臂起升過程——抬升臂伸長

圖7 抬升臂起升過程——抬升臂起升組塊

抬升過程結束后，兩艘半潛船同步駛離導管架區(qū)域，將上部組塊轉移到駁船上方就位。通過調(diào)整抬升臂姿態(tài)，將拆除后的上部組塊放置在運輸駁船預安裝的臨時支撐結構、滑道或拖車上，如圖8所示。待綁扎牢固后，通過運輸駁船運至陸上場地。

圖8 載荷轉移過程

2 導管架平臺拆除系統(tǒng)性能比較

根據(jù)調(diào)研資料，本文所介紹的4種典型導管架平臺拆除作業(yè)系統(tǒng)的主要性能比較如表1所示。

表1 4種典型導管架平臺拆除系統(tǒng)的性能比較

由表1可知，背拉法適用于淺水區(qū)域的小型平臺拆除作業(yè)，只需要一艘主作業(yè)船，配備必要的拖拉系統(tǒng)，即可完成海上拆除作業(yè)，包括裝船和運輸過程，可由一條船完成，船舶改造成本低，尤其適合小型平臺的拆除。海上穿梭船是一種雙體船概念的海上拆除系統(tǒng)，其浮托能力較強，功能強大，適用范圍廣，但是建造與作業(yè)難度較大，安全性較差。Pioneering Spirit號雙體船系統(tǒng)最為復雜，設計建造與施工作業(yè)的難度都比較大，定位系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)的作業(yè)能力強，可以在極惡劣的海況下進行作業(yè)，其工作能力已經(jīng)得到了廣泛的證明與認可，但使用費用高昂，不適用于中小型平臺的安裝與拆除。雙船重吊起重系統(tǒng)設計建造難度比較大，吃水較深，不能在淺水海域作業(yè)，主結構為半潛形式，耐波性較好，可以在惡劣海況作業(yè)。

3 我國老舊導管架平臺現(xiàn)狀及拆除裝備的選擇

3.1 老舊導管架平臺現(xiàn)狀

我國導管架平臺目前主要分布在渤海，其次為東海和南海，總量約200多座。渤海導管架平臺作業(yè)水深6～30 m，東海作業(yè)水深80～120 m，南海作業(yè)水深100～300 m，但是南海西部作業(yè)水深在40～70 m，老舊導管架平臺多數(shù)位于渤海。

我國老舊導管架平臺上部組塊質(zhì)量為300～10 000 t，尤其上世紀80年代前安裝的導管架平臺，組塊質(zhì)量一般不大于500 t，部分小型平臺組塊在200 t左右。導管架基礎部分結構形式有3腿、4腿和8腿的，質(zhì)量600～3 000 t不等，部分小型平臺導管架質(zhì)量小于200t。截至2020年，我國中海油、中石油等拆除的導管架平臺，組塊最大質(zhì)量1 500 t，導管架質(zhì)量不大于800 t。而且早期的老舊平臺均采用吊裝方法安裝組塊，沒有采用浮托的安裝方式。

3.2 老舊平臺的拆除裝備和施工方案的選擇

目前我國需要拆除的老舊導管架平臺具有兩個特點：一是質(zhì)量較小（數(shù)百至數(shù)千噸）；二是主要位于淺水海域，大多數(shù)平臺安裝水深不大于30 m。因此需要結合目前我國老舊平臺的拆除需求，從降低裝備成本和施工費用出發(fā)，研發(fā)相應的拆除裝備，制訂相應的施工方案。

考慮到平臺的質(zhì)量和水深等因素，基于拆除施工可選方法將裝備研發(fā)分為以下3類：對于1 000 t以下的小型導管架，采用背拉法拆除；對于1 000～5 000 t的平臺組塊，采用直接提吊拆除的方法；對于5 000 t以上的組塊，采用抬升臂設備浮托拆除。基于這樣的分類進行相應裝備的研發(fā)，從而確定施工方案。對于采用浮托法安裝的大型導管架平臺，具備采用浮托法拆除的條件，首選浮托法拆除，可以降低作業(yè)難度，提高施工成功率，顯著降低施工費用。

4 結束語

我國海洋平臺拆除行業(yè)起步較晚，1980年末至今，我國已經(jīng)拆除的渤海2號、8號、9號平臺均為小型淺水簡易平臺[9]，直至2016年國內(nèi)首次實現(xiàn)了導管架平臺的整體拆除[10]。總體來說，國內(nèi)導管架平臺的拆除裝備、施工技術、施工經(jīng)驗和拆除業(yè)績，與國際上領先水平相差較遠，急需奮起直追，迎頭趕上。

導管架平臺的拆除是一項系統(tǒng)工程，需要考慮的因素很多，包括裝備費用、人力成本、棄置方式、石油市場等因素。本文結合我國老舊導管架平臺的現(xiàn)狀，結合國外的技術裝備，分析了我國需要發(fā)展的導管架平臺施工裝備和施工方式，提出了發(fā)展老舊平臺拆除裝備研發(fā)及施工方案的建議，希望對發(fā)展我國導管平臺棄置技術起到推動作用。