导管架平台桩腿内排泥装置设计与测试

孟俊瑜 惠胜利 张 凡

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

导管架平台桩腿内排泥装置设计与测试

孟俊瑜 惠胜利 张 凡

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

浅水导管架平台拆除时必须对桩腿进行切割，切割前都是采用外排泥方式清除桩腿管内淤泥和杂物，但外排泥会受到潮水和回淤的影响。针对这一问题设计了一套适用于桩腿内排泥的装置，并根据实际桩腿尺寸、水深、泥质等条件确定内排泥装置的排泥管尺寸、喷嘴直径和数量以及气举气体压力和流量等参数。渤海测试结果证明，本文设计的内排泥装置排出污水含泥量高、冲力大，可以保证桩腿内壁面没有残留泥土，能够满足目前该区域导管架平台桩腿内排泥的需求。

导管架平台；桩腿切割；内排泥装置；设计与测试

2002年我国国家海洋局颁布的《海洋石油平台弃置处理管理暂行办法》中规定：在领海以内海域进行全部拆除的平台，其残留海底的桩腿等应当切割至海底泥面4 m以下；在领海以外残留的桩腿等设施，不得妨碍其他海洋主导功能的使用。根据资料统计，截至2008年底，仅中国海油在渤海海域进入废弃阶段的桩基式平台已超过40座，而在南海海域也有8座桩基式平台已进入废弃阶段。未来几年将有大量的平台退役，尤其到2020年，2002年以前建设的所有平台几乎都将进入废弃阶段。因此，废弃平台的拆除将在我国形成一个新的产业，发展拆除技术和装备已迫在眉睫［1－2］。

国内的弃置业务刚刚开始，弃置桩腿切割前都是采用外排泥方式清除桩腿管内淤泥和杂物，但外排泥会受到潮水和回淤的影响，弃置工期比采用内排泥方式长许多。针对这一问题，本文设计了一套适用于导管架平台桩腿内排泥的装置，设计时充分考虑了不同泥质的破坏剪切力，通过经验和理论计算得出了排泥管尺寸、喷嘴直径和数量、气举气体的压力和流量等参数，排泥过程既可保证桩腿内壁面没有残留泥土，又能确保切割设备的下放和安装固定。渤海测试结果表明，该装置排除污水含泥量高、冲力大、可以保证桩腿内壁面没有泥土残留，能够满足目前该区域导管架平台桩腿内排泥的需求。

1 内排泥装置设计

导管架内排泥作业是切割桩腿之前最重要的工序。通常桩腿内淤泥板结，而且夹杂有较大石块、水泥块等杂物，加之桩腿顶部作业平台空间有限，桩腿底部设施工作环境恶劣，这些都给施工带来了一定的难度。本文设计的导管架平台桩腿内排泥装置是一种带有高压水喷头和柔性排泥管的排泥设施（图1），其工作原理为：离心泵抽取海水通过注水管引入桩内形成高压射流来破坏土质，同时可以补充桩内海水来保持水位；空压机供气通过软管接高压钢管进入气举管下口，在气举管进口内形成负压，在外界大气压作用下水、淤泥和石块沿着气举管被举出桩身外。该内排泥装置下部安装有高压水喷嘴，喷嘴覆盖整个泥面，为防止下放过程中撞坏喷嘴，在喷嘴前方设计喷嘴保护结构。为了对管壁进行冲刷，在装置侧面安装一圈喷嘴，喷嘴与水平方向成30°夹角。喷嘴连接设计成螺纹结构，可以根据需要拆卸和更换不同口径的喷嘴，而且在进行气密性测试时可以方便地更换实心喷嘴来对高压水腔进行封闭。

图1 本文设计的导管架平台桩腿内排泥装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the inner dredging device designed in this paper

与传统的排泥装置不同，该内排泥装置上部采用软管结构，便于安装和缩短施工工期。为了防止软管滑落，在软管上安装有管卡，软管下部采用一段较短的金属管，其上有钢丝接口、空气管接口和高压水管接口。

本文设计的内排泥装置总体布局如图2所示。内排泥装置吸泥之前，先将预先制作的临时施工平台吊至桩腿上，将四角的钢丝扣系好，供扶持软管的施工人员使用；然后将设备吊起缓缓放入桩内（设备吊起过程中，船驳上需设专人及时进行软管位置的移动和调整，以免将吸泥软管折断）。喷嘴将要接触泥面时启动离心泵进行射水，同时开始供气，即根据钢丝绳的松紧程度判断排泥管口是否已经接触泥面；之后调整排泥管管口高度，使排泥管口距离泥面一定距离，避免设备接触泥面后沉入泥浆内时发生堵孔现象。此外，施工平台上的操作人员要及时检测桩腿内水深，桩内水不足时要及时增设补水水泵，保证正常射流形成破坏土质。内排泥装置吸泥之后，冲洗钢桩腿内壁，清除附着在桩壁上的泥污，吸泥结束后移交给下一工序。

图2 本文设计的内排泥装置总体布局示意图Fig.2 Overall layout sketch of the inner dredging device designed in this paper

2 主要参数计算

在本文导管架平台桩腿内排泥装置设计时，首先要根据水深选择相应的排泥管尺寸，然后根据泥质情况和入水流量计算喷嘴的直径和数量，最后根据供水量计算气举气体的压力和流量。

2.1 排泥管尺寸选择

排泥管的尺寸由作业海域水深决定，水越深，选择的排泥管尺寸就越大。根据工程经验，水深小于5 m，建议采用直径101.6 mm排泥管；水深5～10 m，建议采用直径152.4 mm排泥管；水深10～20m，建议采用直径203.2 mm排泥管；水深20 m以上，建议采用直径203.2 mm以上的排泥管。

2.2 喷嘴直径和数量计算

单个喷嘴的射流原理如图3所示，图中D为靶体即土壤受力圆直径，D0为喷嘴出口内径，x为喷嘴距土壤距离，l－l′截面为喷嘴入口截面，O－O′截面为喷嘴出口截面。高压水经过管线和喷嘴有一定的压力损失，沿程阻力损失hf和局部阻力损失hj可以通过流体力学连续性方程与伯努利方程计算，即

图3 喷嘴射流原理Fig.3 Principle of nozzle jet

式（1）、（2）中：Dp为高压水泵出口直径；L为管长；vp为高压水泵出口流速；v1为喷头入口流速；ζ为局部阻力系数，取ζ＝10；λ为沿程阻力系数，由雷诺数Re的大小来确定。

当0≤Re＜2 320时

当2 320≤Re＜4 000时

式（5）～（7）中：Δ为管材绝对粗糙度；其他符号意义同前。需要注意的是，在λ计算中高压水泵出口直径Dp单位采用mm。

高压水泵出口压力为

当喷射压力、喷射泵量已选定时，喷嘴出口内径和数量可由下式计算［3－4］：

式（8）～（10）中：p1为喷嘴出口压力；Q1为高压水泵出口流量；ρw为海水密度，取1 025 kg/m3；n为喷嘴数量；φw和μ分别为流速系数与流量系数。

2.3 气举气体压力和流量计算

内排泥装置利用真空泵产生的高压水通过进水管由喷头喷出，将土冲成泥浆进入排泥管，在排泥管内泥浆、海水、空气组成混合物，由于混合物中空气的体积比较大，所以混合物的密度小于1.03 g/cm3（排泥管外海水的密度），这样排泥管内外产生了压力差，混合物被压出排泥管外，达到排泥的目的［5－6］。

混合物的密度为

式（11）中：Qw为供水总流量，为喷头射流水与补充水源（如果需要的话）总和；Qd为排泥量；Qa为供气总流量，由空压机提供，通常取空压机供气系数为0.8；ρd为泥浆密度，通常可取1.1～2.0 g/cm3。

管内外压力平衡时，存在以下关系式：

式（12）中：Δh为排泥管外所需维持水面高差。

由能量转化守恒（混合物动势能转化）可得

式（13）中：vc为排泥管出口排泥速度；h为排泥面深度；mc为混合物质量。

通过式（11）～（13）可以计算得出临界状态下的气体流量Qa，也就是最小供气量，供气压力选择大于水深浮力即可（如20 m水深最小供气压力为0.2 MPa）。

3 海试效果

2013年12月海洋石油工程股份有限公司维修公司在渤海进行了内排泥装置的海洋测试，其作业水深为16 m，高压水泵流量100 m3/h，压力2 MPa，空气压缩机最大流量30 m3/min，最大压力2 MPa。本次导管架桩腿内排泥装置海试结果见表1。从表1可以看出，直径152.4 mm排泥管在压缩空气流量为15 m3/min时排泥效果最佳，而直径203.2 mm排泥管则在压缩空气流量为25 m3/min时排泥效率最高。分析发现，本文设计的内排泥装置排出污水含泥量高、冲力大，可以保证桩腿内壁面没有泥土残留，能够满足渤海区域导管架平台桩腿内排泥的需求。

表1 本文导管架平台桩腿内排泥装置在渤海的试验结果Table 1 Field test results in Bohai sea of the inner dredging device designed in this paper

4 结束语

本文设计的导管架平台桩腿内排泥装置的结构尺寸可以根据桩腿直径、作业水深和泥质的不同而不同，因此在使用之前应确定好工况，然后针对特定的作业环境制作排泥装置，这样才能达到最理想的排泥效果。由于我国平台拆除业务目前刚刚起步，在平台拆除的过程中，90%以上的导管架桩腿拆除都会选择内排泥和内切割，因此该装置的成功设计对于平台拆除业务的发展具有重要的意义。

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Wang Yong，Dai Bing，Gao Junwei.The disposal of abandoned offshore oilplatform［J］.Mechanical Engineer，2010（1）：139－141.

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Lin Zongyuan.Geotechnical engineering management handbook［M］.Liaoning：Liaoning Science and Technology Press，1993.

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Zhu Mingyou.Air compressor anti gas suction method in the application of yangshan deep－water port project［J］.Port ＆Waterway Engineering，2003（11）：29－32.

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Tang Yan，Su Guiquan，Yang Jianling.Gas lift method application in caofeidian ore terminal of large diameter super－deep steel pile in the subsoil of the clear［J］.China Harbour Engineering，2006（2）：53－56.

Designing and testing of the inner dredger for jacket platform piles

Meng Junyu Hui Shengli Zhang Fan
（Offshore Oil Engineering Co.Ltd.，Tianjin300451，China）

The steel pile of jacket platforms in shallow waters must be cut during decommissioning.The mud disposal operation would be affected by the slack water and backfilling when we remove the mud and debris in the pile with outside pile dredging.In order to solve the problem，we designed a device for inner pile dredging and determined the size，diameter and quantity of the nozzle，gas pressure and flow rate of the device according to the pile size，water depth and mud condition.The field test in Bohai sea shows that this inner dredging device has the capacity of handling high mud content and high impact，which ensures the inner wall of the pile free of residual mud and meets the demand of inner pile dredging.

jacket platform；cutting pile；inner dredging device；design and test

TE94

A

2014－02－26改回日期：2014－06－01

（编辑：叶秋敏）

孟俊瑜，惠胜利，张凡.导管架平台桩腿内排泥装置设计与测试［J］.中国海上油气，2015，27（2）：127－130.

Meng Junyu，Hui Shengli，Zhang Fan.Designing and testing of the inner dredger for jacket platform piles［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：127－130.

1673－1506（2015）02－0127－04

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.022

孟俊瑜，男，1996年毕业于大连理工大学，获学士学位，现主要从事海上设施维护抢修、FPSO连接拖航和解脱、废弃平台拆除、海管检测维修等工作。地址：天津市天津港保税区海滨15路199号海工大厦B座（邮编：300451）。E－mail：mengjy＠mail.cooec.com.cn。