导管架平台不同拆除装备适用性分析

郭宇礼，王佐强，张 亮，翁祖航，朱晓宇，唐友刚

1.渤海石油航务建筑工程有限责任公司，天津 300450

2.天津大学建筑工程学院，天津 300350

3.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350

自从20世纪40年代美国在墨西哥湾建造第一个钢质导管架平台以来，至今全世界已经安装了7 000余座导管架平台。我国在渤海、东海和南海已安装了近300座导管架平台。这些海洋平台结构历经数十年的运行，面临两个问题：一是结构及机电设施严重损毁，已经不能安全有效工作，处于报废状态；二是所处海域经过多年开采，海底石油已经枯竭，不能维持生产，因此这两种情况下的导管架平台基于有关法规都需要弃置。根据文献[1-2]，预计到2040年全球将有2 000座海洋平台停止生产，600余座平台需要拆除；我国将要废弃的油气田达81个、平台164座、海底管道3 240 km。导管架平台每年的退役费用估计将从2015年的24亿美元增加到2040年的130亿美元。截至2020年，全球已有150个油气田在过去30年因不断减产而弃置，总拆解费用已达到3 400亿美元。海洋平台拆除既是庞大的技术产业，又是广阔的经济市场，可产生的经济效益巨大。

1973年墨西哥湾拆除了第一座导管架平台，我国拆除导管架平台的工程始于上世纪80年代，至今世界范围内已经拆除了导管架平台约3 000座，主要集中在墨西哥湾和北海，其中我国不到20座。导管架平台的拆除技术与拆除装备密切相关，尽管我国的拆除工作已经开展数十年，但拆除平台的数量很少，技术和装备方面与国外差距很大，尤其装备上远远落后于国外。因此面对导管架平台弃置的巨大市场和效益空间，我国应该创新开拓技术，研发装备。本文针对我国目前导管架平台拆除市场的需求，总结和分析了国内外导管架平台的拆除技术和装备，指出装备的优缺点和适应性，以期为我国设计建造同类型海上拆除装备提供参考。

1 海上导管架平台拆除施工系统

1.1 背拉法拆除系统

背拉法拆除系统是通过布置在驳船上的滑轮及缆索系统，拖拉拆除小型导管架平台的方法，该方法详见文献[3-4]。该方法不需要大型起重设备和起重船，依靠布置在驳船上的滑轮及缆索系统，即可提起导管架将其拖走。由于该技术起重能力有限，因此只适用于小型浅水平台的拆除作业。

1.1.1 系统组成及功能

背拉法拆除系统主要由驳船、滑轮和绞车构成，共分为3部分，分别是提升系统A、制退系统B和旋转系统C。系统A、C是主要作业系统，B为辅助系统，见图1。

图1 拆除导管架背拉法系统示意

图1中的A、B、C分别代表3个不同的系统。各个系统安装2套，两舷对称安装。系统A的功能是向上提升导管架，在导管架提升初期，几乎承受整个导管架的重量，是主要的工作系统。

系统B包括2个安装在船舶甲板上的定滑轮和1个安装在导管架上的定滑轮以及与拖拉绞车连接的钢缆。主要是通过张紧和松弛来控制导管架的提升速度，防止导管架与驳船尾部撞击而引起驳船船体损伤。

系统C包括2个定滑轮和钢缆，其功能是提供使导管架旋转的力矩，拉动导管架倾斜上船；在导管架倾斜度较小时，控制导管架下落到甲板的速度。

1.1.2 工作原理

背拉法是通过在驳船上安装滑轮和绞车，形成背拉导管架作业系统，而后3个系统相互配合，完成导管架的上拔、提升与上船过程。在进行上拔作业准备过程中，驳船注水压载使其下沉，达到设计吃水深度，将驳船尾部与导管架通过缆索连接在一起，此时需要导管架与船尾的连接十分可靠，以免上拔导管架过程产生松动，导致上拔导管架失败。连接牢固后，排出驳船尾部压载水，使驳船产生剩余浮力上拔导管架。导管架从土中拔出后，直立在泥面上，此时土的吸附力为零。而后进行装船步骤，装船提升过程中，系统A、系统B和系统C配合工作，拉动导管架向驳船甲板上移动，最终导管架平躺在甲板上。此种拆除导管架系统可达到的规模，取决于提拉绞车的拉力大小和钢丝绳的强度。

1.1.3 工作流程

（1）提升刚开始时，系统A滑轮组将导管架重心提升到安全工作区间（从海平面上方水平线到过船尾滚筒中心的竖直线），系统B滑轮组不工作，系统C给导管架提供辅助水平力，抵消导管架自重引起的逆时针转动力矩。

（2） 向上开始提升导管架，系统C绞车启动，牵拉导管架开始提升。

（3）提升过程中，如果导管架倾斜过程中重心越过甲板，系统B绞车启动，将导管架向下拉降低重心，保证重心不会越过船尾滚筒垂向中心线，防止导管架突然倾倒在甲板上。

（4）在提拉到导管架倾角很小时，导管架重心已经越过了船尾滚筒垂向中心线，此时系统B和C启动，卷筒将缆绳拉紧，导管架缓慢降落到甲板指定位置处。

（5）导管架落到甲板后，启动系统C拉动导管架，将导管架放置到甲板上的合适位置并进行固定绑扎。

1.1.4 优点

（1）适应于小型导管架平台的拆除，设备改装价格低，可以降低导管架平台拆除施工的费用。

（2）整个系统没有使用大型吊机起吊导管架，操作过程中导管架控制稳定性好，吊物对于船舶的运动影响小，所以即使风浪较大的海况，也可以实施作业。

1.1.5 缺点

不适合拆解大型导管架平台，使用范围受限。

1.2 海上穿梭船 （Marine Shuttle）

海上穿梭船是一艘由MSO运营有限公司设计的海上U型船体钢制穿梭船（见图2），包括直径为10 m的管状结构以及压载舱、压载泵等设备，设计用于运输、安装和移除质量达22 000 t的大型平台上部组块或者质量达到10 000 t的导管架结构。穿梭船非自航，依靠拖轮拖带到作业场地，由辅助船提供电力进行作业。

图2 海上穿梭船示意

结构尺寸（型长×型宽×型深）为146.30m×85.344 m×60.96 m，设计吃水为10.97 m，排水量为20 555 t，提升组块能力为22 000 t，提升导管架能力为10 000 t。

1.2.1 系统组成

海上穿梭船由3大部分组成。其一，穿梭船主体，穿梭船主体的作用是海上安装或拆除作业，穿梭船主体包括提供浮力的浮体结构、压载舱及实施抽排水的泵，作业过程中拆除目标位于U型船体结构上部。其二，辅助拖船，辅助拖船用于拖拉穿梭船到达作业海域，并提供电源等。其三，运输驳船，用于运输被拆除或者安装的上部组块及导管架结构。

1.2.2 工作原理

该系统主要通过压载水的调整，下降或浮起U型船体，实现导管架平台的浮托提升与下降。

1.2.3 工作流程

使用海上穿梭船拆除导管架平台的工作流程：首先，穿梭船压载下潜，U型开口部分通过压载水调节到水线以下，在驳船牵引下通过桩腿之间的空档插入到组块下方，穿梭船排出压载水上浮到导管架平台的组块下面，U型开口两侧结构从导管架下甲板桩腿的外侧托住导管架，此时切断桩腿；随后，再次排出压载水升起穿梭船，并携带导管架平台组块离开平台，将组块转载到运输驳船上。采用穿梭船拆除导管架组块，导管架下甲板以下不能有斜撑等影响U型穿梭船插入的杆件，否则需要事先切断，保证穿梭船U型开口可以插入组块下方。

1.2.4 优点

（1）实现上部组块一次拆除，无需在每个组块上重新安装提吊点和索具。

（2）提升能力强，提升组块能力为22 000 t，提升导管架能力为10 000 t。

（3）经济性、安全性较好，减少了海上作业的时间、成本和风险。

（4）使平台的再利用成为可能。

1.2.5 缺点

（1）不能在一次提升中移除深水导管架。

（2）在继续导管架拆除工作之前必须卸载上部结构。

（3）可能不容易移动和处理导管架部件。

（4）没有住所，需要辅助船来容纳工作人员。

1.3 Pioneering Spirit号双体船

Pioneering Spirit号是目前用于导管架平台拆除/安装的最大的双体船，排水量最大，尺度最大，功能最全[6-7]，如图3所示。该船总长382 m，宽124 m，排水量达到1 000 000 t，型深30 m，上部组块的起重能力可达到48 000 t。该船由瑞士的Allseas集团设计，韩国大宇造船与海洋工程公司2011—2014年建造，造价为26亿欧元，2015年下水，2016年8月开始进行海上作业。

图3 导管架拆除装备Pioneering Spirit号双体船

1.3.1 系统组成

该船船首处有一个长122 m、宽59 m的槽口，槽口两侧布置8组水平抬升臂，用于起重上部组块。为了拆卸和安装导管架，在船尾安装了两个170 m长的起重臂，它们可以在铰链上旋转。作为起重系统的补充，还有一台5 000 t的特殊用途起重机，用于起吊其他设备，例如较轻的导管架和上部组块、平台组块和桥梁等。

这艘双体船配备有极其强大的动力定位系统，可以在极其恶劣的海洋环境下作业。该船配备了8台20缸（20V32/44CR）MAN 11 200 kW柴油发电机，总装机功率为95 MW，驱动12台Rolls-Royce方位推进器，提供动态定位（DP3）和推进力。该船的最高航速为14 kn（26 km/h）。该船拆除导管架平台后，可以一并完成组块和导管架的运输。

1.3.2 工作原理

船首处槽口两侧设置8个抬升臂，作业时抬升臂与导管架上部组块相连，通过调节船体压载水实现船体排水量的变化，使船舶升起或下沉，从而实现平台上部组块的拆卸、安装。船尾处装有一个摆动梁式起重机，其顶端装有连接索，可与导管架相连，通过梁结构的收放实现导管架结构的拆除和安装。

1.3.3 工作流程

以导管架平台拆除为例说明上部组块和导管架的拆除流程。

（1）上部组块的拆除。完成拆除作业准备之后，船体首部移至平台上部组块下方，四对连接臂与平台上部组块的支撑腿相连（根据导管架平台类型而确定用几个连接臂），支撑腿保持组块的稳定性，此时进行桩腿的切割，组块与桩腿切断后，船体排出压载水上浮，托起组块，实现组块与导管架分离，然后将上部组块运走。

总而言之，上部组块的拆除主要分为以下4步：“包围”平台上部组块，起重设施与上部组块连接，上部组块拆除提升作业，作业船移位。

（2）导管架的拆除。平台上部组块拆除完成后，起重系统返回导管架平台所在海域，实施导管架拆除作业。首先调整船体方向，使船尾与导管架同侧，将船尾起重架撑起，置于导管架正上方，将连接结构与导管架相连，在船尾起重架的控制下，进行导管架泥面下桩腿的切割，切割完成后，起重架提起导管架，并上提到甲板的导轨上，甲板绞车拖拉导管架固定在甲板的预定位置，作业船驶离现场，完成拆除作业。

综上可知，导管架拆除主要分为以下5步：作业船就位于平台导管架上方；起重设施与导管架连接；从泥面以下处切割导管架桩腿；提升导管架；沿导轨拖拉导管架至甲板的预定位置，将导管架固定在甲板上进行运输。

1.3.4 优点

（1） 成本更低。Pioneering Spirit号双体船有十分强大的起重能力，平台组块可以一次性拆除，不必对平台分段切割，大大缩短工程时间和工程成本；海洋平台建造时可以采用更大的分段，甚至整个上部组块整体建造都不设分段，大大缩减平台组块建造成本，使平台安装更为高效、便捷。

（2）平台再利用。强大的起吊和浮托能力可以对平台一次性整体拆除，保持了平台组块的完整性，方便对平台组块再利用。

（3） 作业更安全。一次性起吊和浮托能力，大幅缩短安装、拆除施工时间，大大缩短人员操作时间，减小作业人员安全风险。

（4）更好的适航性。强大的动力系统使其有很高的航行速度；先进的DP定位能力及起重的运动补偿系统可以使其在恶劣海况下（波高3.5 m）安全作业。

1.3.5 缺点

（1）该船造价昂贵，达26亿欧元，一次性投资难以承受。

（2）设备维护成本高，导致拆除导管架的成本有时会更高。

（3）如果用于拆除小型平台，费用支出不划算，限制了该船的使用范围。

1.4 双船重吊起重系统

TML（Twin Marine Lifter）双船重吊起重系统[8]最初由Sea Metric International公司提出，该系统作业方式如图4所示。Sea Metric破产后，挪威TMH公司收购了TML技术。2016年山东双船起重有限公司（SDTM）已经与烟台中集来福士海洋工程有限公司合作，与挪威TMH公司联合建造双船重吊起重系统。

图4 双船重吊起重系统

1.4.1 系统组成

TML系统主要由3大部分组成。其一，TML系统由3艘配备定位系统的半潜船组成，一艘负责运输，两艘负责拆除。其二，负责拆除的两艘起重船，每艘船上设计有4个杠杆式抬升臂，其中每个抬升臂设计可以承载质量为2 500～4 000 t。其三，每艘船都有直升机甲板、潜水和推进能力，且可以自航。

1.4.2 工作原理[8]

图5为TML系统的工作原理示意。TML系统的抬升臂通过滑道设置在半潜船甲板上。通过滑道的滑移，抬升臂可以在船长方向上调整前后的位置与间距。各抬升臂基于杠杆原理，通过在船体中部支架设置的轴承式转轴实现垂直方向的升降。此外，75 m长的抬升臂能够向外延伸15 m，实现船宽方向的移动。抬升臂通过3个平动自由度方向的移动为TML系统具有足够的抬升能力提供了保障。在半潜船的两舷各设有一组液压机构，用于提升抬升臂升降的部分顶升力。此外，在抬升臂的两侧尾端各设置一压载舱体，远离导管架平台一侧舷侧的舱体尺度更大，通过充入或排出压载水来调整抬升臂的姿态。作业端的垂向行程为2.0 m，当抬升臂需要进行抬升作业时，船首部的压载舱排出压载水，船尾部的压载舱打入压载水，同时调整前后液压机构保证抬升臂前段顺利起升，反之亦然。

图5 起重系统抬升臂工作原理示意

1.4.3 工作流程

TML系统的两艘起重船舶按照拆除方案并行就位于导管架平台两侧，距导管架约5～10 m以防止船体与导管架碰撞。同时将用于上部组块运输的驳船在导管架前方20～30 m处就位。通过调整压载舱的排水以及液压机构的行程，降低各抬升臂的前端高度，使其位于预设的起重点之下。待高度调整流程执行完毕后，抬升臂前端伸长，并操纵船舶逐渐靠近待拆除导管架组块，将抬升臂前端与平台组块下部预设的结构对准夹紧，通过抬升臂施加起升力，使上部组块的载荷部分转移到由抬升臂承担，该操作的目的是保证切割桩腿过程组块的稳定性。在这一过程中，需要通过视频监视系统以及数据监测系统对各抬升臂的位型及受力状况进行实时监测，如发现受力不平衡，及时通过调整姿态来保证抬升臂受力均匀，在各个抬升臂受力均匀的状态下，进行桩腿切割，分离组块与桩腿。调节压载舱的压载以及液压机构，将平台上部组块升起至桩腿切割位置以上2～2.5 m，如图6、7所示。

图6 抬升臂起升过程——抬升臂伸长

图7 抬升臂起升过程——抬升臂起升组块

抬升过程结束后，两艘半潜船同步驶离导管架区域，将上部组块转移到驳船上方就位。通过调整抬升臂姿态，将拆除后的上部组块放置在运输驳船预安装的临时支撑结构、滑道或拖车上，如图8所示。待绑扎牢固后，通过运输驳船运至陆上场地。

图8 载荷转移过程

2 导管架平台拆除系统性能比较

根据调研资料，本文所介绍的4种典型导管架平台拆除作业系统的主要性能比较如表1所示。

表1 4种典型导管架平台拆除系统的性能比较

由表1可知，背拉法适用于浅水区域的小型平台拆除作业，只需要一艘主作业船，配备必要的拖拉系统，即可完成海上拆除作业，包括装船和运输过程，可由一条船完成，船舶改造成本低，尤其适合小型平台的拆除。海上穿梭船是一种双体船概念的海上拆除系统，其浮托能力较强，功能强大，适用范围广，但是建造与作业难度较大，安全性较差。Pioneering Spirit号双体船系统最为复杂，设计建造与施工作业的难度都比较大，定位系统、压载系统的作业能力强，可以在极恶劣的海况下进行作业，其工作能力已经得到了广泛的证明与认可，但使用费用高昂，不适用于中小型平台的安装与拆除。双船重吊起重系统设计建造难度比较大，吃水较深，不能在浅水海域作业，主结构为半潜形式，耐波性较好，可以在恶劣海况作业。

3 我国老旧导管架平台现状及拆除装备的选择

3.1 老旧导管架平台现状

我国导管架平台目前主要分布在渤海，其次为东海和南海，总量约200多座。渤海导管架平台作业水深6～30 m，东海作业水深80～120 m，南海作业水深100～300 m，但是南海西部作业水深在40～70 m，老旧导管架平台多数位于渤海。

我国老旧导管架平台上部组块质量为300～10 000 t，尤其上世纪80年代前安装的导管架平台，组块质量一般不大于500 t，部分小型平台组块在200 t左右。导管架基础部分结构形式有3腿、4腿和8腿的，质量600～3 000 t不等，部分小型平台导管架质量小于200t。截至2020年，我国中海油、中石油等拆除的导管架平台，组块最大质量1 500 t，导管架质量不大于800 t。而且早期的老旧平台均采用吊装方法安装组块，没有采用浮托的安装方式。

3.2 老旧平台的拆除装备和施工方案的选择

目前我国需要拆除的老旧导管架平台具有两个特点：一是质量较小（数百至数千吨）；二是主要位于浅水海域，大多数平台安装水深不大于30 m。因此需要结合目前我国老旧平台的拆除需求，从降低装备成本和施工费用出发，研发相应的拆除装备，制订相应的施工方案。

考虑到平台的质量和水深等因素，基于拆除施工可选方法将装备研发分为以下3类：对于1 000 t以下的小型导管架，采用背拉法拆除；对于1 000～5 000 t的平台组块，采用直接提吊拆除的方法；对于5 000 t以上的组块，采用抬升臂设备浮托拆除。基于这样的分类进行相应装备的研发，从而确定施工方案。对于采用浮托法安装的大型导管架平台，具备采用浮托法拆除的条件，首选浮托法拆除，可以降低作业难度，提高施工成功率，显著降低施工费用。

4 结束语

我国海洋平台拆除行业起步较晚，1980年末至今，我国已经拆除的渤海2号、8号、9号平台均为小型浅水简易平台[9]，直至2016年国内首次实现了导管架平台的整体拆除[10]。总体来说，国内导管架平台的拆除装备、施工技术、施工经验和拆除业绩，与国际上领先水平相差较远，急需奋起直追，迎头赶上。

导管架平台的拆除是一项系统工程，需要考虑的因素很多，包括装备费用、人力成本、弃置方式、石油市场等因素。本文结合我国老旧导管架平台的现状，结合国外的技术装备，分析了我国需要发展的导管架平台施工装备和施工方式，提出了发展老旧平台拆除装备研发及施工方案的建议，希望对发展我国导管平台弃置技术起到推动作用。