双船浮托法用于大型组块拆除作业的应用研究

李 新 超

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

1 项目简介

20世纪60年代以来，在全球53个国家海域中，投资建设的油气生产设施共有7 270多座。平台设计寿命一般约为10年～30年，根据有关部门调研数据，现已投产海上油气生产设施中的60%～70%，将陆续退役并进行废弃处置。目前，国内已投产平台达到400多座，其中万吨级大型组块39座，包括荔湾3-1CEP组块，其重量更是达到30 000 t级，未来10年国内至少有90多座海上平台达到服役期限。废弃平台拆除成为目前国际海洋工程界的热点研究问题。

目前，国外常用的平台拆除手段有常规单船吊装法、双体起重船吊装法等。瑞典Pioneering Spirit DP3起重铺管双体船，长382 m、宽124 m、船体间距59 m，装备8个升沉补偿能力Yoke Beam,起重能力达48 000 t。2016年8月，完成了北海海域重约13 500 t Yme平台的拆除作业；2017年4月，完成了北海重达23 500 t的Brent Delta平台的拆除作业。另外，美国的VB10000双体船，起重能力7 500 t，已在墨西哥湾完成多个数千吨级海上平台结构拆除工作。

我国平台拆除起步较晚，目前拆除方法均为常规单船吊装法，范围为几百吨至几千吨。例如，2014年6月整体拆除的锦州21-1WHPA平台重量仅为1 550 t。对于万吨级大型平台的拆除，受浮吊资源、平台重量、费用等限制，并无法采用吊装方式完成。需考虑其他新方法，针对超大型万吨级海上结构物进行双船整体拆除研究。

2 示例平台、驳船信息

2.1 示例平台信息

示例平台地处于中国南海，位于香港东南方约240 km、距离惠州21-1油气田约140 km。平台中心坐标为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，示例平台的上部组块重量达20 000 t。

2.2 驳船信息

将基于两艘载重量16 800 t的协同作业浮托驳船和载重量57 800 t的长距离运输驳船以及重量为20 000 t级的南海某平台为示例平台及示例驳船进行研究，主要参数见表1。

表1 示例驳船主要参数表 m

3 双船浮托法整体拆除平台关键技术

双船浮托法整体拆除平台组块的主要技术内容包括：1)海上油田设施一体化拆解作业模式；2)关键结构设计优化技术，包括基于检测和调研数据通过对平台组块双船拆除分析建模，对双船拆除组块的支撑结构以及平台自身结构加强进行设计优化；3)作业过程的安全环保评价技术；4)船舶与起重系统协同压载耦合控制技术；5)多船协对平台组块一体化拆除后的双船过驳至单船及卸船方案等。

适用作业工况为首浪Hs=1.50 m，斜浪Hs=1.00 m，横浪Hs=0.50 m～0.75 m；风速V1MIN，EL+10 m=10.0 m/sec；流速Vc= 0.6 m/sec。

3.1 海上油田设施检测技术

对于废弃的平台，其检测内容及测点的选取并没有明确的法律法规规定，需要根据不同的平台结构形式，可能采取的拆解方案等，对平台整体结构、设备、关键节点等进行检测。具体的检测内容、检测技术方法等需根据平台的具体情况确定。

3.2 超大型海上油田设施一体化拆解工艺

超大型海上油田设施一体化拆解工艺主要技术内容包括：平台一体化拆解工艺、油田设施检测技术、平台清洗工艺、平台上岸处理技术等。国内在这方面的研究是空白，只能通过搜集国外相关拆解资料，结合之前小型海上油田设施拆解研究成果及工程经验，综合国内外平台拆除案例及相关法律法规等资料，并通过搜集研究相关资料，总结出一套完整的油田设施一体化拆解作业模式。典型的双船浮托法拆除平台示意图如图1所示。

典型的双船浮托法拆除平台关键步骤如下：

浮托作业—进船。

在进行进船靠泊作业前，应该完成以下工作：1)检查浮托驳船准备工作。应完成支撑框架的固定、锚系系统布设以及各设备状态确认等所有准备工作。2)按照计划切除平台组块与下部导管架结构物之间的连接。此项工作完成后，开始向导管架移动两艘浮托船。3)平台组块插尖与浮托驳船上LMU上端的净间隙不应小于0.5 m(考虑驳船运动)。4)确认驳船动态运动及插尖加速度符合进船要求。

浮托作业—荷载转移。

在进行过驳作业荷载转移作业前，应该确认组块插尖的水平运动在LMU接收器范围内。

浮托作业—退船。

驳船退船前，必须保证组块底部与下部导管架顶部之间的净间隙不应小于0.5 m。如果水位允许，可以采用更大的净间隙。

在整个作业过程中，应始终保持驳船最大干舷不应小于1.0 m。

3.3 双船浮托水动力非线性时域分析及对接耦合分析

使用SESAM等工程设计分析软件进行浮托拆除过程分析，包括进船、对接以及退船等阶段的LMU水平和垂向载荷、DSU垂向载荷、驳船和导管架之间靠垫的碰撞力、驳船纵向带缆以及系泊系统载荷等，以全面考察浮托拆除过程中所可能出现的相对运动和载荷大小，为工程方案的确定提供参考和验证[1]。

进行双船浮托一体化拆除弃置平台组块的计算分析(包括水动力非线性时域分析、双船浮托对接耦合碰撞分析、双船浮托拆除法所需支撑结构与其他结构的设计、船与组块的强度分析等)；建立双船浮托一体化拆除工况非线性时域分析水动力力学模型，分析铰接式支撑连接形式对接耦合装置与压载耦合控制和多船协同拆解作业相互影响，通过数值模拟和水池试验相结合的手段，确立双船浮托一体化拆除作业海况。

3.4 多船协同拆解作业控制技术

多船协同拆解作业控制技术的关键是通过两艘船舶同时上浮的浮力实现对超大型海上油田设施实现同步起重作业，即在作业过程中两艘上浮船舶的浮态及上浮速度需要时刻保持一致。作业船舶自身调载系统应具备足够的压排水能力，确保对超大型海上结构物的起重要求；且应具备抗横倾能力，以克服抬升目标结构物时对船舶单侧产生的横倾力矩。应具备一定的升沉补偿能力，以防止海上风浪对船舶浮态造成的影响。

通过建立多目标控制数学模型，对多目标控制系统需要采用仿真和/或模拟等技术手段进行验证和优化，建立可靠有冗余的信息传输机制。通过确定作业海域环境条件，利用CFD手段进行双船的运动响应预报，利用试验进行双船的运动响应预报，通过以上途径完成多船协同拆解作业控制。典型双船浮托法拆除平台过驳示意图如图2所示。

过驳作业—长距离运输船待命状态系泊。

运输船到达现场连接预布系泊缆前，以下作业条件应该得到满足：1)系泊系统安装完全并且检验有足够的系泊能力。2)业主批准进入施工现场。3)到达现场前，一旦VHF波段可以联系上海域主管单位，应该与其尽快取得联系。4)没有主管单位的批准，任何船舶不得进入控制海域1.5海里范围内。

过驳作业—进船。

在进行过驳作业前，应该完成以下工作：1)检查浮托驳船准备工作，应完成除去切割斜支撑固定外的所有准备工作。2)按照计划开始切除第一批2/3的斜支撑，细节参照切除装船固定图纸。此项工作完成后，开始向运输船移动两艘浮托船。3)组块底部与DSU顶部的净间隙不应小于0.5 m(考虑驳船运动)。4)确认驳船动态运动及插尖加速度符合进船要求。

过驳作业—荷载转移。

在进行过驳作业荷载转移作业前，应该完成以下工作：1)确认组块插尖的水平运动在LMU接收器范围内。2)组块处于荷载转移状态时，切除剩余斜支撑。

浮托作业—退船。

驳船退船前，必须保证运输船上上组块插尖与浮托驳船支撑框架之间的净间隙不应小于0.5 m。如果水位允许，可以采用更大的净间隙。

在整个作业过程中，应始终保持驳船最大干舷不应小于1.0 m。

3.5 适用于支撑缓冲系统和起重系统的协同作用控制技术

双船浮托拆除组块支撑缓冲装置是缓冲系统和起重系统的协同作用系统，确保能够在多个装置内的两独立系统形成同步操作结果是关键技术难点。在两个系统内部分别设计位移监测系统和应力监测系统；调配系统和超限报警系统；用一套控制系统进行压载功能调配，控制系统具有自动或手动独立操作功能，保证系统工作的有效性[2]。典型的双船浮托拆除组块支撑缓冲装置如图3所示。

3.6 适用于起重系统的重心转角调整技术

组块在使用过程中发生不同程度的改造，可能引起结构重心变化，因此在拆除组块中的起重系统应具有重心调整适应机构。根据公司多年设计桥梁工程用支座的设计经验可在组块与起重系统的接触部位设计成单维度或多维度转向结构。单维度或多维度转向结构为一对具有较低摩擦系数的摩擦副，使得转向结构的转动力矩较小且可控。

3.7 适用于起重系统的安全装置锁定技术

起重系统的安全装置锁定技术，确保浮托产品在承载顶升过程中，若出现异常情况，依然能起承重作用。起重系统采用液压油缸顶升，在液压油缸内部设置多道密封确保压力密封，在油路上设计阀门和液压锁安全装置，避免异常情况发生。

4 结语

海上油田设施为人类带来了能源和财富，也在一定程度上改变了、破坏了海洋环境。随着资源的枯竭，平台也就完成了它的使命，为保护海洋环境，并使海洋环境恢复原貌，这些海上油田设施均需拆除。目前，我们对于超大型海上油田设施的拆解还是空白，如何将这些超大型的设施安全高效地拆除，是我们将要面临的一大难题。通过对国外技术研究，对本项目关键技术进行自主研发，形成具有自主知识产权的超大型海上油田设施一体化拆解技术。双船浮托法拆除技术的掌握，有助于突破国外技术垄断，填补国内技术空白，极大地提升我国在平台拆除方面的作业能力，提高国际竞争力，并为国家海洋环境、通航和渔业生产等提供保障。本文基于双船浮托方法，对该技术应用大型组块的整体拆除作业进行了部分研究，该技术既可解决大型平台拆除难题，同时又减少了大型起重船等稀缺资源的使用。可为今后同类工程实践提供参考，使双船浮托法用于大型组块拆除作业的方法得到有效安全的实施。