半潜式起重拆解平台对海上拆除作业的适应性

田华勇，李福建，杨 玥

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引 言

随着国际油价在低位徘徊，海上老旧平台拆除市场需求旺盛。在环保、法律、法规方面，海上环境保护是平台拆除的出发点，拆解老旧、闲置平台对保证作业区域的海洋环境、通航和渔业生产等具有重要意义。然而，日益高涨的成本支出成为平台报废时所面临的重要挑战。据统计，北海的大型平台拆解费用从10年前的750万英镑上升至目前的3 000万英镑。市场的波动、关键人员成本的上升、供应链的通货膨胀等因素也增加了平台报废成本的不确定性。对平台拆除项目技术方案进行合理评估并采用合理的拆解装备和拆解方式，不仅有利于作业时间和成本的控制，而且有利于功能模块和设备的再利用，在带来更多经济利益的同时，也有利于平台拆解产业的持续发展。

半潜式起重拆解平台因其多功能和高规格的特点，非常适合在全球主要海域(如英国北海、美国墨西哥湾、巴西、东南亚及中国南海等)应用，特别在海况十分复杂的海域，在起吊大吨数平台及模块设备时，半潜型式具有非常高的作业稳定性，同时具备起重和生活住宿的双重功能且使得海上作业成本大幅降低，从而显著地加强竞争力。

本文基于招商局重工开发建造的半潜式起重拆解平台的技术特点，从海况和作业能力适应性等方面分析目标平台在海上拆除作业的适应性。

1 目标平台主要技术参数

目标平台总长为137.75 m，型宽为81.00 m，型深为43.35 m，最大可变甲板载荷为6 300 t，额定居住750人。该平台采用无横撑非对称主船体结构，拖航阻力和动力定位载荷小，航速可达 12 kn。该平台配置DP 3动力定位系统。2 台独立的 2 200 t重型全回转起重机布置于船舶右舷，并且为适应起重作业工况下平台浮态的控制，右舷下浮体和立柱体积大于左舷，使平台呈现不对称的特点。目标平台外形如图1和图2所示。

图1 目标平台外形侧视图

图2 目标平台外形正视图

2 不同海域的平台拆除市场

2.1 东南亚海域

东南亚海域于20世纪八九十年代开始进行海上石油开采，目前各型采油平台总计1 772座。其中固定式平台1 759 座，50%使用年限超过20年，面临弃置拆解。在上述超过20年的平台中，90%的导管架质量不超过1 000 t，80%的上部组块质量不大于2 000 t。该海域的平台拆除对2 000～4 000吨级的起重船需求较大。

2.2 北海海域

根据Oil &Gas UK 2017年发表的报告[1]，2017—2025年，北海4国专属区域的349个油田将迎来拆除作业，主要包括：丹麦专属区的6个油田，挪威专属区的23个油田，荷兰专属区的106个油田，英国大陆架(UK Continental Shelf，UKCS)区域的214个油田。上述弃置油田预计总共需拆除206座平台，关闭2 500口油井并拆除约7 800 km海底管线。在需拆除平台中，UKCS 98座，荷兰77座，挪威14座，丹麦17座。UKCS是北海海域最大的平台拆除市场，2016年平台拆除支出达12亿英镑。2016—2025年，UKCS区域的平台拆除投入预计达170亿英镑。从市场容量方面看，2017年起5年内，北海海域的平台拆除支出为英国每年17.0亿～20.0亿英镑、挪威每年4.0亿～8.0亿英镑、荷兰每年1.3亿～1.6亿英镑。

2.3 墨西哥湾

墨西哥湾油气开发约始于1947年，陆续有7 000多座平台安装在该海域3～1 830 m的水深范围内。随着1973年导管架平台拆除，墨西哥湾已拆除平台数量和现有平台数量均世界领先。受北美超强飓风和油价低迷的影响，近几年墨西哥湾平台拆除业务较为繁忙。2015年、2016年和2017年平台拆除数量分别为128座、200座和108座。根据美国安全和环境执法局(Bureau of Safety and Environmental Enforcement，BSEE)数据，目前该海域内超过65%的平台的运营时间超过30年，有约813座平台处于闲置状态。根据油田运营状态和油价走势估计，未来5年内平均每年仍有约100座平台需要拆除。据IHS Markit报告分析，墨西哥湾平台拆除支出将由2015年的5亿美元/年提高至2035年的20亿美元/年，其中浅水平台拆除费用支出不会低于10亿美元/年。该区域内为数庞大的待拆除导管架平台将是本项目船舶的又一目标市场。

2.4 中东海域

中东地区是全球石油储量最多的地区，其海上石油主要集中在波斯湾。据Scottish Enterprise Report信息，截至目前，该地区约有固定式石油平台1 426座，使用超过20年的889座，其中82%的上部组块质量不超过2 000 t，82%的导管架质量不超过1 000 t。

油气产业为该地区周边国家主要经济支柱，为了降低成本、增加收入，许多油田导管架平台虽已到设计寿命，但大部分通过技术评估仍在进行延期使用。即便该地区众多导管架平台进行了延寿，但仍存在大量导管架平台需弃置拆除。目前我国海洋石油工程股份有限公司已经开始参与该地区导管架平台的拆除项目。

3 海况适应性

3.1 现有起重船情况

基于克拉克森统计数据，目前已投入使用的全回转起重能力在4 000 t以上的海上起重装备约15台，如表1所示，其中半潜式占比约33%，起重能力在4 000～5 000 t的起重装备一般采用单船体型式，起重能力在10 000 t以上的起重装备一般采用半潜型式。北海海域因波高较高并且水深较大，对半潜式起重装备需求较大，不适宜采用单船体起重装备作业，因此单船体起重装备几乎集中于中东和东南亚海域。墨西哥湾区域的平台拆除作业一般采用小型起重船舶进行分块拆除，起重能力一般不大于2 000 t。

表1 全回转起重能力在4 000 t以上的海上起重装备统计

续表1 全回转起重能力在4 000 t以上的海上起重装备统计

3.2 半潜式起重平台优势

目标平台采用半潜型式，在作业状态下，水线面是4个立柱的截面，初稳心高度较低，平台横摇运动固有周期较大，远超波浪周期，平台在波浪中运动响应较小。为说明4 000吨级不同型式起重装备的耐波性差异，对比分析居住工况和起重工况下的运动幅值，如表2所示。

表2 目标平台与单船体型式起重装备不同工况下横摇最大值对比

目标平台设计环境条件为起重作业2.5 m波高、居住条件6 m有义波高。对比表2数据可知：在起重工况下，目标平台横摇值可减小44%；在居住工况下，目标平台的横摇值只有单船体型式的19%。目标平台在起重准备工况2下的横摇幅值一般为2.00°，对应的有义波高为4.0 m，而单船体型式在2.5 m有义波高时，通过减摇措施才能满足起重机作业条件。

目标平台采用半潜型式，耐波性能更佳，有利于增大作业窗口期。基于《全球海域波浪统计集》的波浪散布图，目标平台在不大于4.0 m有义波高时，可在90%北海海况下实现起重作业，在95%的北海海况下满足居住作业要求，具体如表3所示。因此，目标平台在恶劣海况下具有良好的适应性。

表3 全球不同海域波浪统计数据汇总表(68%表示波高低于有义波高海况全年出现概率)

根据海上拆除市场分析，全球主要海域的海上油田拆除需求较大，在海况相对恶劣的北海海域，目标平台在耐波性上更有优势，海况适应性更佳，可有效地开拓难度较大的拆除市场。

4 拆除作业适应性分析

4.1 起重能力

对奥斯陆和巴黎公约委员会(Oslo and Paris Conventions Commission，OSPAR Commission)提供的北海区域导管架平台统计数据进行分析可知：平台上部模块质量m小于4 000 t的数量占比约75%，导管架质量小于4 000 t的数量占比约71%，导管架质量大于8 000 t的数量占比约19%，如图3和图4所示。由此可见，北海区域平台拆除市场呈两极化发展：一方面急需大型起重装备，用于拆除大型平台；另一方面需要大量的经济性起重船，用于拆除质量较小的导管架平台。

单位：t图3 北海海域导管架平台上部模块质量统计情况

单位：t图4 北海海域导管架平台导管架质量统计情况

根据OIL &GAS UK[1]统计，在2017—2025年北海海域206座待拆平台所在区域中，北海南部和爱尔兰海域水深较浅，其中：爱尔兰海域水深为18～73 m；丹麦海域水深为37～60 m；荷兰海域水深为22～50 m。因水深有限，以爱尔兰海域为例，在67座需拆除平台中，上部模块质量不超过3 000 t的平台占比约91%[2]。

目标平台可实现约4 000 t的起重，对于北海海域，可实现75%导管架平台上部模块和71%导管架的直接起吊移除，市场空间较大，并且目标平台造价相对于万吨级半潜式起重平台，有比较大的优势。因此，目标平台比较适合海上拆除市场，更经济可行，有利于平台拆除作业的成本控制。

4.2 双机联合起重

不同于新建平台，在进行上部模块或导管架拆除时，废弃平台需拆除模块的尺寸和重心较难准确计算确定，并且吊点设置复杂，若使用单钩，在模块重心估计不准的情况下，在起重过程中易出现模块倾斜，难以满足吊装需求。因此，在拆除作业中建议采用多钩头设置。对于单起重机配置，一般采用双主钩设置，并尽可能加大双钩头沿吊臂宽度方向的横向距离，以增大吊点布置灵活性，并通过2个钩头受力的分别调节来保证钩头在起重过程中能承受模块重心的估算偏差从而避免出现倾斜，减小吊装作业事故风险。在进行导管架拆除时，受单起重机双主钩钩头外倾角的限制，可进行翻身作业的导管架尺寸受到局限。目标平台采用双起重机配置，并且起重机彼此相对远离，导管架翻身作业简单安全，并且可有效规避风险，更适用于导管架拆除作业。单起重机及双起重机配置下导管架翻身如图5所示。

图5 单起重机及双起重机配置下导管架翻身示例

4.3 非对称型式

对于一般的半潜式起重平台，采用起重机布置于尾部两舷并采取对称下浮体的型式。以北海海域比较典型的半潜式起重船Thialf为例，2台约7 000 t起重机分别布置于平台尾部两舷部分，尾部立柱截面积相对于其他立柱更大，但是下浮体呈纵向布置。由于下浮体尾部区域可以提供的浮力有限，因此平台浮心位置偏向平台中部，在起重过程中主要靠首尾压载调载来实现平台浮态控制。

目标平台起重机位于平台右舷侧，下浮体采用非对称型式，右舷下浮体和立柱均大于左舷(见图6)，以实现浮心与重心的匹配，从而在起重过程中尽可能减少调载压载水量的需求，可节省准备时间，提高作业效率。

图6 目标平台立柱以及下浮体示例

如果目标平台也采用对称型式，起重机布置于尾部两舷，通过初步核算，在4立柱情况下，即使增大尾部立柱的截面积，也难以满足起重稳性的要求，需要增加立柱的数量以扩大水线面积，进而要求更大的纵向尺度。立柱和尺度的增加会造成建造成本的明显增加。目标平台采用起重机布置于同侧和非对称下浮体的平台型式，可在4立柱设置下实现双起重机功能，可有效控制建造成本。基于非对称型式，吊重距目标平台重心更近，产生的力矩更小，目标平台总纵弯矩状态较一般半潜型式更优，该目标平台可实现无横撑设计。进一步通过下浮体线型设计可提高目标平台的快速性，有利于平台的调遣航行。

4.4 居住能力

海上平台拆除总支出费用包含项目管理、封井、上层建筑拆除准备、平台移除、水下及管线系统拆除和岸上拆解等[3]，具体各项占比如图7所示。

图7 平台拆作业支出组成 (数据来源：OIL &GAS UK)

起重作业(含平台移除作业和上部模块拆除准备作业)支出费用约占21%。海上平台拆除作业比较特殊，起重作业虽然占据核心地位，但是作业时间较短，大部分时间用于作业准备和水下封井等作业。拆除作业准备内容主要包括立管及井架拆除、溢油防护等复杂作业，人工需求较高，作业现场居住需求较大。目标平台除了配置2台2 200 t起重机外，还有充裕的甲板面积，可设置大量居住舱室，满足750人居住需求，在满足起重作业需求下，还可作为居住支持平台，减少平台拆除项目中居住平台的租用，提升目标平台的利用率，实现更好的经济效益。

5 总 结

半潜式起重拆解平台具有良好的耐波性，可适应全球海域拆除作业需求。目标平台配置2台2 200 t的起重机，通过双机联合起重作业，可实现约4 000 t的起重。在全球最大的平台拆除市场北海海域，目标平台可整体拆除上部模块和导管架的平台数量占比超过70%，具有广阔的市场空间，并且通过双机联合起重作业，可解决平台拆除模块重心不确定和导管架翻身等技术问题，拆除起重作业更具安全性和可靠性。目标平台起重机布置于同一舷侧，采用非对称结构形式，造价相对于一般万吨级半潜式起重平台有较大的优势。从海况适应性、起重作业可靠性和居住功能实现等方面可以看出，目标平台非常适用于海上拆除市场，并且通过起重能力的合理切入，平台造价相对较低，有利于海上拆除作业的成本控制。

基于拆解市场的旺盛需求和国内海上拆解装备的缺乏，研发、建造海上拆解装备是非常有必要的，从功能、实用、投资、收益和国内技术基础角度考虑，半潜式起重拆解平台具有优势。