海洋平台结构形式与浮托举升方式适应性分析

逄仁德李亚东丁 彬孙 涛李云峰刘 鹏

(1. 山东海洋工程装备有限公司，青岛 266580；2. 山东海洋工程装备研究院有限公司，青岛 266580)

0 引 言

随着海洋油气资源开发力度不断加大，油气开采不断由浅海向深海迈进，固定海洋平台不断向大型化、综合化的方向发展，尺寸也在不断加大，随之而来的拆解难度也不断加大。以前使用的在海上进行设备拆解施工的方法已远远不能满足要求。随着科学技术的不断进步，浮托技术也日益完善，采用浮托法海上拆解工艺是海上大型平台的发展趋势。浮托法解决了组块建造受起重能力的限制无法做大的矛盾，提高了平台建造效率，减少了海上作业时间，降低了海上作业风险[1-2]。在浮托作业过程中，针对不同的平台结构选择不同的举升作业方式，对于能否高效完成废弃平台的拆解非常重要。

1 大型海上固定式平台分类

目前，全球现存超过7 000个固定式海洋油气钻采平台，每年数量还在持续增加。这些平台的管理者和拥有者，既有世界五大石油公司，也有新兴的国家石油公司(如印度、印度尼西亚、泰国和越南等)。在全球固定式海洋油气钻采平台中，约1 000个重量超过4 000 t，预计其中每年有35～50个需要被拆解；另外，全球每年拆解超过300个新的海洋平台，其中约100个重量超过4 000 t，目前以及以后海上油气设施拆除工作量巨大。

1.1 重力式平台

重力式平台一般用钢或钢筋混凝土建成，靠本身重力就能稳定地坐在海底，重力式平台的主要结构由以下部分组成：

(1) 基础部分： 直接接触海底，是整个平台的基础；它的形式及尺度是否合理是平台能否稳定的关键。在海上拖航时，基础提供足够的浮力把整个平台托起，起到浮筏的作用。

(2) 甲板部分： 是进行石油生产时的生产场地、设备场地和生活场地。

重力式平台一般分布在挪威大陆架和英国大陆架等地区，重量一般为10 000～40 000 t。例如，如图1所示，英国北海SPUR平台上部模块重量为15 000 t，如图2所示，挪威大陆架的Gullfaks A油田的Condeep平台上部模块重量为27 000～50 000 t，英国北海的Brent Delta的上部模块重量为24 000 t。

图1 SPUR平台上部模块

图2 Condeep平台上部模块

1.2 导管架平台

导管架平台主要由三部分组成： 上部甲板结构、导管架和桩腿。对于拆解作业来说，影响最显著的是上部甲板结构形式以及导管架桩腿数量及尺寸。

(1) 上部甲板结构形式： 上部甲板支承结构要承受所有上部结构的载荷，包括所有模块载荷及工作时产生的各种动载荷。由于平台上层结构的总强度由该结构承受，因此其强度要求较高。甲板支承结构形式分为箱形、板桁及桁架三种，由于桁架式结构较箱形和板桁型结构工艺简单、强度好。因此，大多数模块式上层结构的上部支承结构为三维空间桁架，其构件布置形式类似导管架结构的桁架形式。

(2) 导管架桩腿： 导管架桩腿主要承受重力、风浪流力及横向弯矩。桩腿一般采用4个或8个，分别称为四桩腿导管架、八桩腿导管架，桩腿一般布置成两排，水平为长方形，腿直径的选择至关重要。甲板上部模块的布置和重量直接影响上部甲板的尺寸，进而影响桩的根数及尺寸大小。

随着深海油气开发需求的不断加大，平台上部模块的重量也呈现加大的趋势，在5 000～35 000 t不等，广泛分布于中国南海、东海，英国北海，墨西哥湾等海域，如墨西哥湾水深189.5 m的Lauea油田导管架平台，高度为196 m，导管架重量为8 100 t；中国南海荔湾3-18腿导管架平台，浮托重量约为20 000 t；如图3所示，英国北海的TARTAN A四腿导管架平台，主体重量约为28 490 t；如图4所示，英国北海的Johan Sverdrup八腿导管架平台，浮托重量约为26 000 t[3]。

图3 TARTAN A导管架平台

图4 Johan Sverdrup导管架平台

2 浮托拆解作业方式分析

浮托拆解法通过潮汐变化、驳船压载调节等方式来实现上部组块结构的起降，采用整体拆除方案，操作灵活、安全、高效，经济优势明显。根据参与浮托作业驳船的形式和数量，主要分为单船浮托拆解法和双船浮托拆解法两种。对于大开口式导管架，宜采用单船浮托法；对于组块重量较大且开口较小的导管架，则可考虑采用双船浮托法。

2.1 单船浮托法

单船浮托拆解法(见图5)通过将作业驳船驶入标的导管架平台下部结构槽口的正下方，通过系泊系统以及调载使船上临时支撑与上部组块桩腿对接，通过调节驳船压载水舱的水位或者依靠潮汐水位变化，实现导管架平台上部结构与下部导管架结构的分离，当组块顶升离开导管架桩腿一定高度后，浮托船驶出导管架并将组块运至指定地点。

浮托法拆解步骤：

作为意指实践的文化：斯图亚特·霍尔的文化表征理论及其评价 ………………………………… 张 谡（2.87）

(1) 进船阶段： 气候窗满足设计安装条件，安装船通过锚泊系统、纵向缆、交叉缆以及拖船等拖拉进入主腿槽。在此阶段，工程设计除了要考虑待机阶段的所有因素外，还须考虑以下几个方面： 进船时组块插尖与其桩腿祸合缓冲器之间的垂向距离、船首进入导管架主腿槽时的横向运动，以避免发生碰撞。抵达安装位置时，组块插尖的水平运动。

(2) 对接阶段： 通过压载系统、升降装置等始终保持安装船的前后吃水一致，均匀压载，将组块重量从驳船逐渐转移至导管架上；载荷转移完毕后，继续压载，使组块支撑单元和组块分离并保持一定的间隙。

(3) 退船阶段： 通过锚泊系统、纵向缆、交叉缆以及拖船等拖拉退船。在此退船阶段，其工程设计需要考虑横荡护舷和纵向护舷的受力情况、锚泊系统、纵向缆和交叉缆的强度、组块支撑单元与组块之间的间隙、驳船底部与导管架横梁之间的间隙。

图5 单船浮托法

单船浮托拆解技术已经发展多年，它通过海上拆解成功地将整体上部组块拆解到不同的固定式结构或浮式海洋平台上。应用浮托技术进行拆解的海洋平台种类越来越多，主要包括导管架平台、重力式平台、张力腿平台、半潜平台以及Spar平台等结构形式。

在2000年之前，国内大型的海洋平台上部组块都采用吊装法进行海上拆解。近年来，浮托法由于拆解迅速、海上调试时间短以及可弥补起重船资源不足等优势得到了大力发展，其应用也逐渐从环境友善的封闭海域发展到了海况相对剧烈的开阔海域。

2.2 双船浮托法

对于难以开槽的SPAR平台以及槽口较小的导管架平台，其上部模块的拆解无法通过常规浮托法实施，因此提出双船浮托法。双船浮托法可以避免下部结构开槽，使其结构设计具有更大的自由。在国际上，出现过很多与双船浮托法类似的可用于海洋平台上部组块整体拆除的海洋工程装备和海洋工程解决方案。下面主要介绍以下两种方案。

(1)Pioneering Spirit号双体船举升系统。

ALLSEA公司耗资31亿美元建造了Pioneering Spirit号双体船。这是目前全球最大的平台拆解与拆装船。Pioneering Spirit号船长382 m，宽124 m，船体之间间距为59 m。这是世界上首艘集合整体平台拆装与管道铺设于一体的超大型工程船，搭载大型起重机，该起重机能够吊起重达4.8万吨的成套设备。该船是一艘双体船，有两个船首与船身及船尾相连，其首部形成一个U字形，以便实施平台的拆卸、安装工作(见图6)。

图6 双体船浮托法

Pioneernig Spirit船艏U形空槽区域拆解有两套共计16根起重臂，通过液压控制，这些起重臂可以实现水平方向和垂直方向的移动，用以补偿船舶运动和实现快速浮托拆除工作。这套系统类似于主动浮托系统，可以在5 s内快速实现载荷转移，大大提高了海上环境适应能力和拆解能力。

(2)TML双船举升系统。

SeaMetric公司创新提出了TML系统，这套系统由三艘配备定位系统的半潜船组成，一艘负责运输，两艘负责拆解，通过安装于两艘起重船上的8～10根巨型起重臂以及三级动态定位系统，实现海上2万吨的超大起重能力，是世界最大的双体海洋起重船。比起传统的重型起重船，双体起重船系统在大中型平台安装拆除的费用要少近一半，并具备缩短操作时间、适应恶劣海况、可浅海操作等优势。两艘拆解半潜船配有多个起重装置，最大起重能力为34 000 t。

双体起重船主要通过浮力舱、压载舱、起重臂和船体实现起吊。每个起重臂通过一个支撑部件连接在驳船上，每根吊臂上船体与被吊物体之间设置一个浮力舱，吊臂的另一端设置一个压载舱。起吊前两艘驳船分列被吊物体两侧，抛锚系泊，被吊物体与吊臂连接，通过在浮力舱释放压载水，在压载舱加压载水实现起吊，产生一个起吊力矩，实现物体起吊(见图7)。

图7 双船浮托法

在作业过程中，在两条相同起重船上配备多套举升臂，以安装于举升臂上的浮舱和压载舱为基础。它的目的就在于通过移动位于举升臂上的压载物来产生起重力，同时通过在重力卸载作用下的快速压载排出和海水泵的使用来达到此目的。当起重力达到目标要求时，两艘起重船将对象物体从平台两侧的底部联合抬起并放置到第三艘驳船上，从而实现标的平台的拆解和运移。

3 结 语

(1) 单船浮托法是从平台底部正下方托举施工的，而双船浮托法是从平台两侧底部抬举施工的，这为海洋工程的施工提供了一种新的思路。从以上优势可知，双船浮托法是未来海洋石油工程施工市场的一种不可忽视的新工艺

(2) 拆解对气候窗的要求严格，其可操作性主要取决于拆解地点的环境条件、拆解气候窗的选取以及浮托拆解方向等。拆解船的运动性能、导管架、主块桩腿和拆解设备的结构强度等，对拆解设计环境条件有约束作用，从而影响到拆解的可操作性。

(3)与双体船浮托法相比，双船浮托法不受“U”形口的宽度影响，标的平台横向尺寸理论上可以很大。