自升式平臺(tái)沖樁分析及沖樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

, ,

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 a.工程技術(shù)分公司，b.曹妃甸作業(yè)公司,天津 300450)

0 引 言

自升式平臺(tái)站立就位，樁腿入泥深度會(huì)因作業(yè)海域地貌不同而有差異。在較松軟的海床就位時(shí)，樁腿相應(yīng)的入泥深度較大，如果平臺(tái)在單一固定作業(yè)地點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間就位，再次降船拔樁時(shí)會(huì)面臨拔樁遇阻、耗時(shí)較長(zhǎng)等不利因素。同時(shí)，考慮到臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等不利氣象因素，拖航移位作業(yè)會(huì)面臨天氣窗口緊張的問(wèn)題，此時(shí)，降船拔樁是整個(gè)拖航移位作業(yè)能否按計(jì)劃順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。

雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)沖樁系統(tǒng)進(jìn)行了較多的研究[1]，但是缺少細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以及突破傳統(tǒng)思維的創(chuàng)新。本文通過(guò)對(duì)沖樁原理進(jìn)行分析，提出沖樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)思路，從而減少拔樁過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提高拔樁效率。

1 沖樁原理分析

在自升式平臺(tái)拔樁過(guò)程中，主要需要克服3個(gè)力：樁側(cè)力、復(fù)土重力和樁尖吸附力。為順利完成拔樁作業(yè)，采用沖樁的方式削減這3個(gè)力對(duì)拔樁作業(yè)產(chǎn)生的影響。樁靴沖樁理論可以參考水射流理論[2]，水射流結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，可以看出：射流噴管出口壓力越大，射流覆蓋的面積越大；射流行程越遠(yuǎn)，壓力損失越大。

圖1 水射流結(jié)構(gòu)示意圖

2 噴沖介質(zhì)及對(duì)應(yīng)管線設(shè)計(jì)

目前，多數(shù)平臺(tái)噴沖系統(tǒng)的動(dòng)力采用消防水或者高壓泥漿系統(tǒng)，一般平臺(tái)消防水設(shè)計(jì)壓力為1 MPa，高壓泥漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為10～35 MPa。由圖1可知：噴沖動(dòng)力源壓力越大，射流覆蓋的面積越大，噴沖效果越好。但是，考慮到管線的強(qiáng)度要求以及經(jīng)濟(jì)成本因素，平臺(tái)在選用高壓泥漿系統(tǒng)作為噴沖動(dòng)力源時(shí)，優(yōu)先考慮最低擋位10 MPa作為高壓噴沖動(dòng)力源。

在部分平臺(tái)，特別是生活支持平臺(tái)上，可能未配備高壓泥漿系統(tǒng)，可以選擇1 MPa的消防水系統(tǒng)作為噴沖動(dòng)力源。例如：某平臺(tái)在渤海海域站立3年無(wú)拔樁動(dòng)作，平均樁腿入泥深度8.5 m，在拖航拔樁過(guò)程中，通過(guò)消防水系統(tǒng)進(jìn)行噴沖作業(yè)，也可以順利完成降船拔樁，按時(shí)起拖。

由于作業(yè)水深及插樁深度不同，噴沖源到樁腿的噴沖管線與樁腿內(nèi)部噴沖管線之間不能用簡(jiǎn)單的剛性連接，為解決樁腿升降帶來(lái)的問(wèn)題，可采用軟管連接。在用10 MPa的高壓泥漿系統(tǒng)作為噴沖動(dòng)力源時(shí)，為保證作業(yè)安全，管線需采用鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)，因此管線重量大、撓度大，在安裝過(guò)程中必須橫向和縱向協(xié)調(diào)用力，導(dǎo)致噴沖管線安裝時(shí)出現(xiàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力及作業(yè)安全性不高等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，可將直角彎頭與高壓軟管分離，通過(guò)增加一組由壬接頭進(jìn)行對(duì)接；并在高壓軟管公扣由壬距離200 mm處加裝輔助手柄，并在輔助手柄處設(shè)置2個(gè)對(duì)置手柄，從而保證管線安裝過(guò)程中有足夠的操作空間，防止管線脫落砸傷人員。

在用1 MPa的消防水系統(tǒng)作為噴沖動(dòng)力源時(shí)，在保證承壓能力滿足要求的情況下，為減少管線重量，可以采用無(wú)鋼絲纏繞的低壓管線。為實(shí)現(xiàn)管線的快速安裝與拆卸，制作過(guò)渡彎頭，過(guò)渡彎頭一端與樁腿通過(guò)由壬連接，另一端通過(guò)快速接頭與管線連接。低壓管線一端通過(guò)快速接頭與過(guò)渡接頭連接，另一端通過(guò)由壬與主甲板噴沖口接頭連接。圖2為沖樁連接軟管高壓管線與低壓管線的設(shè)計(jì)示意圖。

圖2 沖樁連接軟管示意圖

3 樁靴噴沖口數(shù)量及位置布局

噴頭數(shù)目可根據(jù)樁靴的尺寸進(jìn)行布局，在布置方式上要盡量均勻且覆蓋面廣(分圈布置)，這樣可以使沖刷的范圍更加廣泛，起到更好的沖樁效果。典型的噴頭布置圖如圖3所示。為保證噴沖頭不被泥沙堵塞，噴沖頭可以加裝防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)，或者采用自力啟閉防堵解堵噴沖器和安裝可控式?jīng)_樁閥[3]。

圖3 噴頭布置示意圖

4 輔助噴沖裝置

如果出現(xiàn)噴沖口堵塞或者其他原因造成拔樁遇阻的情況，可以考慮使用挖泥船或者其他輔助噴沖裝置進(jìn)行噴沖作業(yè)[4]。目前，一種新型的輔助噴沖裝置已經(jīng)完成樣品的設(shè)計(jì)研發(fā)。

4.1 多套結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

4.1.1 沖樁輔助噴沖設(shè)施與樁腿間連接方式

沖樁輔助噴沖設(shè)施與樁腿間連接方式的對(duì)比見表1，可以看出：環(huán)抱式結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但對(duì)于發(fā)揮裝置的最佳效果有很好的幫助，并且可以重復(fù)利用，提高海洋石油作業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文最終選擇方案2環(huán)抱式的連接方式。

表1 沖樁輔助噴沖設(shè)施與樁腿間連接方式對(duì)比

4.1.2 環(huán)抱式輔助噴沖設(shè)施結(jié)構(gòu)噴沖介質(zhì)的連接方式

環(huán)抱式輔助噴沖設(shè)施結(jié)構(gòu)噴沖介質(zhì)連接方式的對(duì)比見表2。為提高噴沖效果，環(huán)抱式輔助噴沖設(shè)施結(jié)構(gòu)布置環(huán)形噴沖管的數(shù)量可以選擇2根或者3根。根據(jù)環(huán)抱式結(jié)構(gòu)的連接方式，操作時(shí)須控制裝置開合，結(jié)構(gòu)分為2部分，為平衡噴沖頭的排量及水壓力，左右各設(shè)置1個(gè)噴沖管連接噴沖頭。環(huán)抱式輔助噴沖設(shè)施的噴沖頭結(jié)構(gòu)型式可選擇直噴式或者液力馬達(dá)式。噴沖頭主要為保證噴沖介質(zhì)的壓力及排量，直噴式相對(duì)于液壓馬達(dá)式更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造成的水力壓降小，所以本文的噴沖頭設(shè)置為直噴式。

表2 環(huán)抱式輔助噴沖設(shè)施結(jié)構(gòu)噴沖介質(zhì)連接方式對(duì)比

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用以下方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：(1)為減輕重量、便于安裝，輔助噴沖裝置整體分為兩段式。第1和第2段的自由端采用喇叭口自由套接方式，由2根直徑不低于6 mm，長(zhǎng)度不低于30 m的鋼絲繩牽引收緊或者打開喇叭口；銷軸連接端采用三段式高強(qiáng)度絞式連接方式，方便打開和連接操作。(2)第1和第2段之間的介質(zhì)連通依靠跨接連通軟管實(shí)現(xiàn)。(3)高壓管線及接頭材質(zhì)為35 CrMo,噴沖管線為鎧裝硬管，滿足15 MPa工作壓力的要求。(4)絞車選擇手動(dòng)式，滿足單人操作、起重300 kg的要求，排繩量不少于50 m,共安裝3臺(tái)。(5)為保護(hù)噴沖裝置管線質(zhì)量，在管線上外加吊耳及焊接腹板，同時(shí)在裝置內(nèi)圈補(bǔ)加3塊導(dǎo)向滑塊，以減少裝置整體與樁腿之間的接觸摩擦面積。(6)噴沖裝置主進(jìn)液端接頭須與鎧裝管接頭通過(guò)由壬型式對(duì)接。(7)輔助噴沖裝置管路完成焊接后須做100% NDT檢測(cè)，噴沖開口直徑參考樁腿現(xiàn)用噴沖口直徑與數(shù)量，建議開孔數(shù)量不大于8個(gè)，開孔直徑30 mm。(8)噴沖裝置接頭、管路及整體支架做涂層防腐保護(hù)措施。

4.3 結(jié)構(gòu)細(xì)化方案

4.3.1 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)總圖

項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)圖如圖4所示，結(jié)構(gòu)重2.7 t,若內(nèi)壁增加緩沖裝置及管線，約重3 t。

圖4 設(shè)計(jì)總圖

4.3.2 細(xì)化方案說(shuō)明

主體結(jié)構(gòu)如圖5所示。用類似該結(jié)構(gòu)的12個(gè)主體組成整個(gè)圓，2個(gè)主體之間用上下各1個(gè)連接板連接固定。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：多片式結(jié)構(gòu)便于運(yùn)輸；連接板在調(diào)試時(shí)鉆孔并用螺栓固定，最終組裝后焊接。

圖5 單個(gè)主體及相互連接方式

4.3.3 保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)

開關(guān)保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)如圖6所示。采用現(xiàn)有成熟的吊卡雙保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，拉開手柄即可打開保險(xiǎn)。

圖6 開關(guān)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

4.3.4 活門結(jié)構(gòu)

活門結(jié)構(gòu)如圖7所示，上下2片用軸穿入左右軸套后連接成一體。

圖7 活門結(jié)構(gòu)

4.3.5 補(bǔ)充說(shuō)明

管線布置在上下板支撐軸中間，具體根據(jù)實(shí)際補(bǔ)充；主體相互連接成一體機(jī)構(gòu)，須根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。

4.4 自升式平臺(tái)樁腿輔助沖樁裝置理論計(jì)算

4.4.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

該裝置工作時(shí)主要受向上的鋼絲繩拉力以及水壓力的影響，鋼絲繩長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于工具截面半徑，可簡(jiǎn)化為拉力豎直向上，主要強(qiáng)度校核部分為鋼絲繩、水管絲扣連接處以及吊耳強(qiáng)度。根據(jù)強(qiáng)度與力的關(guān)系式進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核：

(1)

式中：F為部件受的力；A為部件的有效橫截面積；σ為部件的強(qiáng)度。

(1) 鋼絲繩強(qiáng)度校核

采用4根鋼絲繩牽引輔助沖樁裝置，試驗(yàn)用輔助沖樁裝置與管線總重為600 kg。分配到4根鋼絲繩上，平均每根鋼絲繩承受150 kg的重量。考慮到極限情況為3根鋼絲繩受力，其中1根鋼絲繩承受2倍拉力為300 kg，得到鋼絲繩受拉力共為300 kg×9.8 N/kg=2.94 kN。采用鋼絲繩直徑為6 mm，公稱強(qiáng)度為1 770 MPa，對(duì)應(yīng)的整繩破斷拉力為21 kN。當(dāng)施工作業(yè)安全系數(shù)取4時(shí)，所采用鋼絲繩的極限拉力為5.21 kN，大于2.94 kN，滿足強(qiáng)度要求。

(2) 絲扣連接處強(qiáng)度校核

絲扣連接處主要受力為水壓力，試驗(yàn)水壓力為1 MPa。試驗(yàn)所采用絲扣為不銹鋼絲扣水管接頭，公稱壓力為2.5 MPa，強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為3.8 MPa，適用溫度為-20～100 ℃，符合強(qiáng)度要求。

(3) 吊環(huán)強(qiáng)度校核

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)重量由4個(gè)吊環(huán)分擔(dān)，裝置重600 kg，每個(gè)吊環(huán)拉力為600 kg×9.8 N/kg/4=1.47 kN。根據(jù)吊環(huán)尺寸表，得出吊環(huán)受力最弱部分為橫截面積最小部分。橫截面積最小部分直徑為17 mm，吊環(huán)所采用鋼材為Q 235鋼材，強(qiáng)度為235 MPa，計(jì)算最小橫截面處的極限拉力為235 MPa×3.14×8.52 m2=53 kN。當(dāng)安全系數(shù)取5時(shí)，吊環(huán)的極限拉力約為10 kN，大于每個(gè)吊環(huán)上所承受的拉力1.47 kN，故吊環(huán)強(qiáng)度符合要求。

4.4.2 裝置水力學(xué)計(jì)算

(1) 計(jì)算水力壓降

流體水力壓降計(jì)算公式[5]為

(2)

(3)

(4)

(5)

式(2)～式(5)中：hf為水力壓降；Q為排量；v為運(yùn)動(dòng)黏度；L為管線長(zhǎng)度；d為管線內(nèi)徑;λ為沿程水力摩阻系數(shù)。

通過(guò)雷諾數(shù)判斷流體流態(tài)，首先通過(guò)排量計(jì)算雷諾系數(shù)，確定介質(zhì)流態(tài)雷諾數(shù)為

(6)

試驗(yàn)水泵為4臺(tái)水泵串聯(lián)，每臺(tái)水泵排量為2.5 L/s，Q=0.002 5 m3/s，d=0.03 m，L=7 m，v=1.007 cSt。因此，Re=0.992。所以，介質(zhì)流體為層流，采用層流計(jì)算公式計(jì)算水力壓降為hf=0.090 288 m，等效換算為壓強(qiáng)P=0.090 288 m×9 800 Pa/m=884 Pa

(2) 排量及流速計(jì)算

4臺(tái)水泵串聯(lián)排量為Q總=4Q=0.01 m3/s，分配到?jīng)_樁管線裝置噴嘴排量為Q噴嘴=0.001 25 m3/s=1.25 L/s，噴嘴處流速計(jì)算公式為

因此，試驗(yàn)裝置水力壓降為884 Pa，相對(duì)于設(shè)備的0.5 MPa壓強(qiáng)可忽略不計(jì)，裝置各噴嘴排量為1.25 L/s，流速為1.769 m/s。

4.5 自升式平臺(tái)樁腿輔助沖樁裝置示意圖及樣品模擬圖

該裝置的示意圖以及樣品模擬圖如圖8所示。該裝置樣品在現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)取得了比較理想的效果，模擬試驗(yàn)結(jié)果為：(1)當(dāng)沖樁輔助裝置距離泥面50 cm以及緊貼泥面時(shí)，沖樁效果不明顯，排開土體積??；當(dāng)距離保持在20～30 cm時(shí)，沖樁效果最佳。(2) 沖樁效果隨泵排量增加而越加明顯，試驗(yàn)泵排量為5 L/s時(shí)，沖樁效果不明顯，排開土體積可忽略不計(jì)，增加到10 L/s時(shí)沖樁效果明顯，排開土體積明顯增大。(3) 在沖樁裝置的操作控制上，上下移動(dòng)噴沖效果最佳，當(dāng)與土面保持一定距離噴沖時(shí)，土質(zhì)被沖出圓環(huán)形凹坑后，噴沖效果不明顯，覆蓋在土面上噴沖時(shí)，后期泥土被沖開空間小，效果不好。試驗(yàn)結(jié)果表明：上下移動(dòng)噴沖效果約為保持一定距離噴沖效果的5倍。(4)由于試驗(yàn)裝置噴沖頭是豎直向下的，噴沖出凹坑形狀為圓環(huán)形，在噴沖一定深度后，凹坑內(nèi)存積的水大大影響了沖樁效果，可將噴嘴改為旋轉(zhuǎn)噴嘴，實(shí)際裝置須增加噴嘴數(shù)量。

圖8 輔助噴沖裝置示意圖及樣品模擬圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)沖樁原理進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐總結(jié)，對(duì)沖樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出相關(guān)建議。對(duì)沖樁連接軟管高壓管線與低壓管線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

提出新型輔助噴沖裝置，并通過(guò)模擬試驗(yàn)證明了該新型輔助噴沖裝置的有效性。后續(xù)沖樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以根據(jù)該思路繼續(xù)完善，便于后續(xù)輔助噴沖裝置的進(jìn)一步研制。

[1] 張寶平,金元?jiǎng)?自升式鉆井平臺(tái)沖樁對(duì)拔樁阻力影響研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2015,44(06):59-62.

[2] 徐增強(qiáng).自升式海洋平臺(tái)樁靴噴沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].航海工程,2013,42(02):97-99.

[3] 蔡勝利,張福,馮利杰.自升式鉆井平臺(tái)沖樁系統(tǒng)技術(shù)分析及優(yōu)化方案[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2012,41(10):64-68.

[4] 劉允杭,楊旬.自升式鉆井平臺(tái)新型拔樁挖泥器的研制[J].石油工程建設(shè),2013,39(06):38-40.

[5] 侯勇俊,曾蓮.桁架自升式鉆井平臺(tái)拔樁過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2014,43(08):37-42.