海洋平臺鋼樁內(nèi)水泥清理技術(shù)研究

徐龍達(dá)，劉雪宜，趙 軍，楊孝龍，楊春江

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300457）

0 引言

自20世紀(jì)60 年代以來，在53 個國家的海域中［1］，投資建設(shè)的油氣生產(chǎn)設(shè)施共有7 500 多座。水深從數(shù)米延伸到200多米，上部組塊的質(zhì)量也從數(shù)百噸變化至數(shù)萬噸。平臺的設(shè)計壽命一般約為10～30年。

從1990年到2006年，墨西哥灣新建平臺2 251 座，棄置2 188 座。根據(jù)文獻(xiàn)［2-3］，預(yù)計2040年全球?qū)⒂? 000 座海洋平臺停止生產(chǎn)，600余座平臺需要拆除［4］。2022 年以前，泰國預(yù)計要完成50座平臺的拆除。目前國內(nèi)拆除業(yè)務(wù)呈逐年上升趨勢，據(jù)中國海洋石油集團(tuán)公司工程建設(shè)部預(yù)測，僅國內(nèi)的拆除額就達(dá)到數(shù)百億元人民幣，據(jù)統(tǒng)計，近幾年僅中國海域就有19個油田的部分平臺到達(dá)服役期。由此可見，海洋平臺拆除既是龐大的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，又有廣闊的經(jīng)濟(jì)市場，未來幾年平臺拆除市場機(jī)遇非常大［4］。

《海上油氣生產(chǎn)設(shè)施廢棄處置管理暫行規(guī)定》要求：“海上油氣田終止生產(chǎn)后，如果沒有新的用途或者其他正當(dāng)理由，作業(yè)者應(yīng)當(dāng)自終止生產(chǎn)之日起一年內(nèi)開始廢棄作業(yè)”［5］。對海上廢棄設(shè)施已經(jīng)或?qū)⒁_(dá)到服役期進(jìn)行拆除工作時，無論采用內(nèi)切割方式還是外切割方式，都需要進(jìn)行導(dǎo)管架鋼樁內(nèi)排泥作業(yè)［6-7］。作為海洋結(jié)構(gòu)設(shè)施拆除的重要環(huán)節(jié)，吸排泥作業(yè)是首先需要解決的問題，若排泥設(shè)備效率低、不便于水下操作，勢必會影響工期，增加船舶成本以及項(xiàng)目施工成本，所以研究制作操作方便、適用于多種管徑鋼樁效果良好的水泥清理設(shè)備，在海洋結(jié)構(gòu)設(shè)施拆除中是十分必要的。對于渤海海域現(xiàn)役的導(dǎo)管架在安裝時普遍存在返漿情況，這樣給鋼樁內(nèi)的排泥工作造成了很大的困難。導(dǎo)管架拆除時，如何清理鋼樁內(nèi)固化水泥，應(yīng)該創(chuàng)新開拓技術(shù)，研發(fā)裝備。

針對渤海海域大部分灌漿導(dǎo)管架水泥標(biāo)號強(qiáng)度，本文有針對性地研究樁內(nèi)水泥清理技術(shù)措施方法，并制作了一套鋼樁內(nèi)水泥清理原理樣機(jī)。水泥清理效率高，研發(fā)投入比較低廉，屬于低投入高產(chǎn)出的典型設(shè)備，且結(jié)構(gòu)清晰操作方便。解決了在海洋平臺廢棄拆除時遇到鋼樁內(nèi)存在水泥情況如何清理的問題，為后續(xù)海洋平臺樁內(nèi)水泥清理提供參考。

1 技術(shù)方案設(shè)計

鉆水泥原理［8-9］：通過液壓管線驅(qū)動底部的液壓馬達(dá)，帶動滾刀鉆頭旋轉(zhuǎn)，對鋼樁內(nèi)水泥進(jìn)行破壞。在樁內(nèi)采用4個液壓支撐臂結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)防扭轉(zhuǎn)，鉆頭向下的推力由液壓缸提供。其中防扭液壓缸伸縮為單獨(dú)動作，驅(qū)動馬達(dá)回轉(zhuǎn)和推進(jìn)油缸的伸縮為同時動作。主要技術(shù)包括如下3點(diǎn)：水下液壓鉆頭系統(tǒng)設(shè)計、水下液壓臂防扭轉(zhuǎn)裝置、水下推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計。整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 固定部分設(shè)計

鉆頭在轉(zhuǎn)動時會對上部機(jī)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力，本設(shè)計采用液壓臂來實(shí)現(xiàn)防扭轉(zhuǎn)功能。液壓臂推動導(dǎo)桿與樁壁緊密接觸，產(chǎn)生較大的摩擦力，在整個受力過程中，液壓缸只提供推力，扭轉(zhuǎn)制動力最終傳遞到導(dǎo)桿上，從而保護(hù)液壓缸。本設(shè)計采用上下兩組液壓缸提供推力，前端帶摩擦頭與鋼樁壁接觸產(chǎn)生摩擦力來防止扭轉(zhuǎn)。上面是兩排水平布置錯開成90°的4 個液壓缸，提供4點(diǎn)定位；下面是垂直布置的2 個液壓缸，推動圓盤從而帶動4根軸伸出進(jìn)行定位［10］。如圖2～3所示。

圖2 防扭液壓缸

圖3 防扭液壓缸

1.2 水下推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計

推進(jìn)裝置采用液壓缸與導(dǎo)桿組合的形式，兩個液壓缸只提供推力，而扭矩通過4根導(dǎo)桿來傳遞到鋼樁壁上。推進(jìn)系統(tǒng)行程為300 mm。推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)桿和套筒之間上下均采用密封，防止外部泥沙進(jìn)入損壞導(dǎo)桿。如圖4所示。

圖4 推進(jìn)系統(tǒng)

1.3 水下鉆進(jìn)部分設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)鉆頭制造廠家的參數(shù)，選用鑲齒滾刀鉆頭，完全能夠滿足鉆水泥的需要。動力裝置采用液壓馬達(dá)，通過減速機(jī)帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，從而向下鉆進(jìn)，如圖5所示。

圖5 鉆頭總體結(jié)構(gòu)

1.4 液壓動力單元設(shè)計

液壓動力單元主要功能包括：（1）控制鎖緊液壓缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的固定；（2）控制推進(jìn)液壓缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)鉆頭的升降；（3）控制液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)鉆頭的推進(jìn)。液壓原理如圖6所示。

圖6 液壓原理

1.5 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計為控制柜，采用不銹鋼材質(zhì)焊接制成，底座懸空方便搬用及運(yùn)輸；柜內(nèi)電氣控制采用自動化可編程控制器和超大人機(jī)界面作為核心控制器，同時設(shè)計了不依賴核心控制器的手動系統(tǒng)，用以在設(shè)備出現(xiàn)故障或者調(diào)試設(shè)備時可提供的控制方式。

弱電系統(tǒng)采用電氣隔離以及濾波，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力；外部控制電壓采用安全電壓（DC24V），用以控制電磁閥或其他被控制裝置。

強(qiáng)電系統(tǒng)用于油泵電機(jī)的動力驅(qū)動，大功率油泵采用自耦減壓的方式進(jìn)行啟動，同時配備電機(jī)綜合保護(hù)控制器，在電機(jī)出現(xiàn)過載或缺相以及自身電氣故障時切斷動力供電回路用以保護(hù)電機(jī)。

控制柜按鈕安裝于柜體門上，用以控制操作設(shè)備時使用同時在人機(jī)界面上也有相應(yīng)的控制窗口；柜門上設(shè)有電氣儀表用以監(jiān)測和查看設(shè)備的電流以及電壓，同時柜體右側(cè)上方醒目的地方設(shè)層疊狀態(tài)指示燈用以指示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。如圖7所示。

圖7 控制柜布置

2 設(shè)備選型

2.1 鉆頭選型

海洋平臺導(dǎo)管架灌漿水泥強(qiáng)度等級為52.5 MPa，水泥強(qiáng)度是表示水泥力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是評定水泥強(qiáng)度等級的依據(jù)。各強(qiáng)度等級水泥在各齡期的強(qiáng)度值不得低于表1 所示的數(shù)值［11］。

表1 水泥強(qiáng)度值

（1）鉆頭分類

用于破巖的刀具主要分為滾刀和刮刀兩類，考慮到實(shí)際工作條件，應(yīng)選擇滾刀，如圖8所示。

圖8 滾刀鉆頭

滾刀鉆頭以刀具的滾刀鉆進(jìn)地層。鉆頭由鉆頭體和若干滾刀組合而成。滾刀有楔齒、盤形齒和球齒3 種形式，其支座有懸臂式和雙支點(diǎn)鞍形兩類。鉆頭通常采用平底或階梯式，適用于鉆進(jìn)硬土、砂礫石及各種巖石。

（2）滾刀布置

滾刀的刀具布置如圖9所示，分布于刀盤最外圈的刀具為邊刀，介于邊刀與中心刀之間布置的刀具為正刀，安裝在刀盤中心位置的刀具為中心刀。

圖9 滾刀

（3）刀齒

滾刀刀齒的分類如圖10 所示，滾刀鉆頭可分為鋼齒及鑲齒（硬質(zhì)合金鋼）兩種。鋼齒牙輪鉆頭主要用楔形齒。根據(jù)巖石軟硬不同，楔形齒的高度、齒數(shù)、齒圈、齒圈距等都不同。巖石越硬，楔形齒的高度越低，齒數(shù)越多，齒圈越密。反之則相反。牙輪外排齒采用“T”形齒或“II”形齒。

圖10 刀齒分類

鑲齒鉆頭的齒形有球形齒、楔形齒和錐形齒等。在軟巖中使用楔形齒，在中硬巖中使用錐形齒及錐球齒，在硬巖中使用球形齒。隨巖石硬度的增加，硬質(zhì)合金齒的露齒高度減少，齒數(shù)增多，齒圈數(shù)增多。反之則相反。

（4）滾刀結(jié)構(gòu)

刀體的結(jié)構(gòu)如圖11 所示，刀體表面鑲嵌硬質(zhì)合金齒的滾刀，它由滾刀體、主軸、軸承及密封等部分組成。鉆頭選型根據(jù)“中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所大口徑鉆頭鉆具研制中心”提供資料，滾刀鉆頭分為表2所示的3種。

圖11 滾刀結(jié)構(gòu)簡圖

表2 滾刀鉆頭分類

在海洋平臺導(dǎo)管架灌漿中，灌漿水泥強(qiáng)度等級不小于52.5 MPa，因此選用鑲齒滾刀鉆頭。針對鋼樁直徑1 000 mm的鋼樁，鉆頭直徑選用900 mm，每個鉆頭上安裝5 個8 in滾刀。

2.2 液壓馬達(dá)選型

（1）鉆頭扭矩計算

滾刀鉆頭在鋼樁內(nèi)部轉(zhuǎn)動過程中，受到的力如下式所示：

式中：T1為刀具上的切削阻力；T2為刀盤正面與水泥的摩擦力扭矩；T3為刀盤側(cè)面與鋼樁的摩擦力扭矩；T4為刀盤轉(zhuǎn)動時自身內(nèi)摩擦阻力扭矩。

根據(jù)在工程實(shí)例中，刀具的切削力扭矩T1和刀具正面與水泥的摩擦阻力扭矩T2在總設(shè)計扭矩中所占的比例估算：

在巖石條件下理論所需最大扭矩T1 是在最大轉(zhuǎn)速下扭矩所得出［12］：

式中：Pu為單個滾刀的載荷；n 為滾刀數(shù)量；k1為地質(zhì)因數(shù)；R為刀盤半徑；K2為刀盤的半徑因數(shù)（決定滾刀的平均回轉(zhuǎn)半徑）；D為刀盤直徑；FC為軸推力。

一般情況下，當(dāng)相對運(yùn)動速度較低時，隨著運(yùn)動速度的增加，動摩擦因數(shù)也增加；但當(dāng)運(yùn)動速度達(dá)到某一數(shù)值時，動摩擦因數(shù)就不再增加，反而減小。鉆進(jìn)時，動摩擦因數(shù)可由下式近似求得：

式中：μ為動摩擦因數(shù)；μ0為靜摩擦因數(shù)；υ為工具與巖石的相對運(yùn)動速度。

參考鉆頭與巖石的摩擦因數(shù)，在泥漿濕潤的情況下，取靜摩擦因數(shù)μ0＝0.4；計算得，動摩擦因

當(dāng)清理直徑1 000 mm鋼樁時，鉆頭直徑為900 mm，Td＝16 kN·m。

（2）鉆頭轉(zhuǎn)速計算

根據(jù)廠家提供的鉆頭數(shù)據(jù)，鉆頭的轉(zhuǎn)速不超過27 r／min，綜合上述論證，最終確定鉆頭的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 鉆頭參數(shù)

（3）減速機(jī)計算選型

減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速：N1＝27 r／min。

式中：T1為鉆頭工作扭矩，T1＝16 kN·m；η為減速機(jī)到鉆頭的最大效率，η ＝0.97。

選擇寧波邦力減速機(jī)的GFB36T3 回轉(zhuǎn)減速機(jī)，該減速機(jī)的主要參數(shù)如表4所示。

表4 所選減速機(jī)參數(shù)

（4）液壓馬達(dá)計算選型

液壓馬達(dá)的最大輸出扭矩：

馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速：

馬達(dá)的排量：

式中：P1為馬達(dá)進(jìn)出口壓差，P1＝32 MPa；η2為馬達(dá)機(jī)械效率，η2＝0.9。

馬達(dá)轉(zhuǎn)速n ＝N ＝3.6 ×103r／min。

旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌式斜軸定量柱塞馬達(dá)A2FE-63-VAL107，其主要技術(shù)參數(shù)如表5所示［13-14］。

表5 所選馬達(dá)技術(shù)參數(shù)

2.3 液壓缸選型

2.3.1 液壓缸軸向推力計算

參考《現(xiàn)代采礦手冊》潛孔鉆機(jī)的合理推力可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計算：

式中：Fc為軸推力，N；D 為鉆孔直徑，cm；f 為巖石的普式硬度因數(shù)。

通常用的普式巖石分級法根據(jù)堅固性系數(shù)進(jìn)行巖石分級［15］，如：極堅固巖石f ＝15～20（堅固的花崗巖，石灰?guī)r，石英巖等）；堅硬巖石f ＝8～10（如不堅固的花崗巖，堅固的砂巖等）；中等堅固巖石f ＝4～6（如普通砂巖，鐵礦等）；不堅固巖石f ＝0.8～3（如黃土，僅為0.3）。

根據(jù)以上對水泥的普式硬度值取f ＝6，通過計算可以得出不同內(nèi)徑樁腿鉆進(jìn)時鉆頭所要的軸向推力。鋼樁直徑1 000 mm時，鉆頭直徑為900 mm，軸推力Fc＝18.9 kN。

2.3.2 推進(jìn)液壓缸計算選型

本設(shè)計采用單活塞桿雙作用推力液壓缸。防扭油缸和推力油缸的工作壓力均為16 MPa，根據(jù)工程實(shí)際需要，液壓缸的行程選300 mm。

（1）油缸活塞直徑計算

式中：P為油缸的工作壓力，P ＝16 MPa；P1為假設(shè)油缸回油壓力，P1＝1 MPa；F為油缸最大推力，F(xiàn) ＝19.74 kN；?為油缸速比，? ＝＝2；V1為油缸伸出速度，V1＝6 m／min；V2為油缸縮回速度，V2＝12 m／min。

（2）活塞桿直徑

選擇北京華德液壓油缸HD-HSG-L01-80／55G4311-300*安裝距，其主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 所選液壓缸參數(shù)

（3）系統(tǒng)所需流量

液壓缸伸出時的流量：

液壓缸縮回時的流量：

2.3.3 上部防扭液壓缸的計算選型

（2）油缸活塞桿直徑

選擇北京華德液壓HSG 型液壓缸HD-HSG-L01-80／55G1311-50*安裝距，其主要技術(shù)參數(shù)如表7所示。

表7 所選液壓缸參數(shù)

2.3.4 下部防扭液壓缸的計算選型

（2）油缸活塞桿直徑

選擇華德液壓HSG型液壓缸HD-HSG-L01-80／55G1311-50*安裝距，其主要技術(shù)參數(shù)如表7所示。

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 分析對象

鋼樁水泥清理設(shè)備主要分析整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形。模型從Solidworks中導(dǎo)入，在Ansys Workbench 中進(jìn)行有限元分析。本次分析采用的材料為不銹鋼316L，其材料屬性如表8所示。

表8 有限元分析中使用的材料屬性

3.2 邊界條件

水泥清理設(shè)備由8根防扭臂支撐，采用固定約束，下方扭轉(zhuǎn)力矩為16 kN·m，向上推力為18.9 N。施加載荷及邊界條件后的有限元模型如圖12所示。

圖12 模型的載荷及邊界條件

3.3 計算結(jié)果

本次分析采用靜力分析，設(shè)備受力后的應(yīng)力及變形云圖如圖13～14所示。其中應(yīng)力最大值為114 MPa，在下部防扭臂處，變形最大值為0.09 mm，該最大值位于設(shè)備底部。

圖13 應(yīng)力云圖

圖14 變形云圖

由本次有限元計算結(jié)果可知，鋼樁內(nèi)水泥清理設(shè)備在最大載荷作用下，最大應(yīng)力為114 MPa，而材料最小的靜態(tài)屈服極限為170 MPa，安全系數(shù)為170／114 ＝1.5，則可知，設(shè)備在最大載荷作用下安全。

4 結(jié)束語

隨著海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，水下排泥作業(yè)日益增多，海洋水下結(jié)構(gòu)物拆除作為海洋石油的末端產(chǎn)業(yè)起步較晚，專門針對海洋水下結(jié)構(gòu)物拆除吸排泥設(shè)備的技術(shù)尚未成熟，特別是對于水泥等硬質(zhì)材料的清理方法需要進(jìn)一步研究，以提高吸排泥下來，降低海上施工成本。

針對渤海海域大部分灌漿導(dǎo)管架水泥標(biāo)號強(qiáng)度，本文有針對性地研究樁內(nèi)水泥清理技術(shù)措施及方法，并結(jié)合海洋結(jié)構(gòu)設(shè)施拆除排泥的特點(diǎn)，制作了適用于海洋結(jié)構(gòu)設(shè)施的水泥清理設(shè)備，解決了在海洋平臺廢棄拆除時遇到鋼樁內(nèi)存在水泥情況如何清理的問題，為后續(xù)海洋平臺樁內(nèi)水泥清理裝備研發(fā)提供參考。