导管架裙桩套筒的吊装安装

刘全刚 连鑫 冯英磊

海洋石油工程(青岛)有限公司 山东青岛 266520

导管架裙桩套筒的吊装安装

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海洋石油工程(青岛)有限公司 山东青岛 266520

导管型桩基固定平台作为国内外制造与使用最多的一种形式,在海洋石油及天然气资源开发中扮演了重要的角色,裙桩套筒作为导管架最重要的部件之一,研究它的安装有着非常重要的意义。本文将详细阐述导管架裙桩套筒的吊装过程。

吊装导管架裙桩套筒

据预测,石油和天然气仍是未来很长一段时间内全世界消费的主要能源,陆地油气开采峰期已过,能源缺口逐渐扩大,向海洋转移是大势所趋。导管型桩基固定平台作为国内外制造与使用最多的一种形式,在海洋石油及天然气资源开发中扮演了重要的角色。

导管架分片吊装过程中,裙桩套筒作为最重要的部件之一,因其吨位大,安装精度要求高,小范围内需要多台履带吊配合吊装,所以裙桩套筒的吊装安装难度是很大的,研究它的吊装安装过程有着非常重要的意义。本文将详细阐述导管架裙桩套筒的吊装安装设计。

1 裙桩套筒简介

裙桩套筒(skirt pile sleeve)是桩与导管架之间的联结构件,主要结构是管状物与板的组合形式,通过它可将平台荷载传递到钢桩。有些导管架的钢桩直接从导管腿内打入,不需要裙桩套筒；有些导管架既有腿内桩,也有裙桩。裙桩套筒由以下几部分组成：

(1)剪力板shear plate、轭状作用板yoke、裙板skirt plate：特定作用及特定位置上的钢板。

(2)裙桩套筒导向：用于引导钢桩进入裙桩套筒。

(3)卡桩器：其作用是紧固钢桩。主要是在海上打桩过程中,遇到强风时启动卡桩器液压顶紧锁钢桩,保持导管架在海中的稳定性,以及打桩后利用卡桩器的锁桩效用,保持导管架稳定的立于海中［1］。

(4)封隔器：位于各裙桩套筒的底部,包括外部胶皮和紧贴套筒内壁的气囊组成,两者都是为紧固钢桩及防止所灌的浆体流出之用,其中气囊在钢桩打入裙装后,在导管架顶部通过管线将气体(氮气)充入囊内,气囊涨满包紧钢桩,达到上述目的。

图1 裙桩套筒照片

2 裙桩套筒的吊装安装

裙桩套筒预制完成以后,需要把它安装到固定的地点,由于其重量往往比较大,需要制定详细的吊装方案。下面以某导管架B1裙桩套筒吊装为例,简单阐述安装过程。

2.1 吊装安装流程

如图2所示。

2.2 建立3D模型

吊装方案的设计第一步是利用加工图纸,建立裙桩套筒的3D模型,一般来说需要建立2个模型,一个是TEKLA建立的详细模型(见图3),用来确定重心和重量,校核ANSYS模型的偏差及最后安装的空间碰撞。另一个模型是ANSYS有限元模

型(见图4),用来计算局部应力、整体强度和吊点受力［2］。

图2 安装流程示意图

图3 用下EKLA软件建的3D模型

图4 用ANSYS软件建立的3D模型

2.3 设计吊点

模型建立完以后,根据重心等信息开始设计吊点,这是一个循环尝试的过程,需要先确定吊点,然后用ANSYS来进行计算得出吊点受力及整体应力和变形数据,再根据得出来的数据来进行校核,只要发现间题就要修改,如果修改过后还是不满足要求,则需要回到源头重新设计吊点的类型、位置和数量。

吊点的方式可根据具体结构的不同来设计,图5所示的例子是带6个管式吊点,吊点规格均为508×25×200mm,吊点材质为GB 712-2011 DH36。挡板直径为800mm,壁厚为25mm吊装时采用钢丝绳兜拉吊点的方法［3］。

2.4 结构校核

当原始吊点设计完成以后,把吊点信息加载到ANSYS模型当中计算出相关数据并配上相应的吊索具来进行细致的校核,包含但不限于以下内容：

2.4.1 结构整体强度校核

结构整体强度校核是最关键的校核,这一步如果不满足要求的话就需要重新布置吊点或者加上临时支撑来增加结构的强度,一直到结构满足整体强度要求,也就是计算出的最大应力小于材料的许用应力。

图5 吊点布置图例

图6 应力云图

图7 变形云图

2.4.2 结构整体变形校核

结构整体变形校核也是很重要的,有时候结构的整体强度满足要求,但是变形过大导致安装误差比较大也是不满足要求的。一般来说像裙桩套筒这种结构整体允许变形量小。

2.4.3 吊点强度校核

吊点强度校核需要根据ANSYS计算出吊点的受力,然后根据不同的吊点形式来进行校核,有手算和ANSYS模拟两种方式,根据需要来使用。一般先用手算大致计算,然后用

ANSYS模拟计算来校核手算的结果,双重保障。

2.4.4 吊点干涉校核

吊点干涉校核是为了校核吊点的位置是否和结构或者焊缝等重合碰撞。如果和主结构碰撞,则需要修改吊点的位置,如果和辅助次结构碰撞,则需要确定辅助次结构能否修改移位,若无法移动,则也需要修改吊点位置。与焊缝碰撞是校核中容易忽略的,有时候现场焊接吊点时才发现,浪费了大量前期计算的时间,所以在前期布置吊点的时候就要把横纵缝在图纸或者模型上标示出来。另外还要注意的是钢丝绳与结构的碰撞,特别是需要旋转的吊装,由于吊点的位置就决定了钢丝绳的位置,可能在平吊时并不碰撞,但旋转后就有可能钢丝绳和结构或者吊机干涉。

2.4.5 吊机利用率校核

吊机利用率校核根据吊点受力数据,考虑场地吊车的工况

来验证是否满足吊装要求,当多台吊机配合吊装时,利用率比单台时应该有所折减,若不满足需要修改吊点布置［4］。

图8 吊机载荷工况表

图9 ANSYS模拟吊耳强度计算

2.4.6 吊机站位空间校核

吊机站位空间校核也是很重要的一步,一般来说放在最后校核,但在布置吊点的时候就要大致考虑这个间题,之前的校核过后满足要求说明理论上可行,但有时候理论可行的方案在空间上却不允许,所以这一步非常重要,特别是对于裙桩套筒这种需要多台大型履带吊车配合作业的吊装工程来说。吊机站位空间校核根据模型按一比一布置吊机,校核履带吊车之间、吊车和结构之间是否碰撞,场地空间是否足够［5］。

图10 吊机碰撞校核示意图

图11 裙桩套筒安装就位

2.5 现场吊装就位

当校核满足要求后,裙桩套筒的吊装方案就算制作完成,接下来要开JSA给多部门相关人员讨论是否合理可行,是否适合现场的工况。多部门确认吊装方案可行以后,吊装作业应该遵守相应的程序及方案,主要步骤如下：

(1)根据方案焊接好吊点,并检验合格。检查所有吊索具和设备没有间题,天气条件允许。

(2)在作业区,应在明显位置布置安全警戒绳。禁止与吊装作业无关的人员进入,吊机就位,接好吊索具。

(3)吊装开始时先进行试吊,将结构缓慢平稳地提升200～300mm,稳定约5min。

(4)试吊没有间题,三台吊机起钩将结构缓慢提升到距离地面约6m,停止起钩,移除下部垫墩。

(5)三台吊机缓慢提升裙桩套筒的高度,接近安装高度,然后缓慢移动至预安装位置,微调吊机,使结构就位。

(6)所有焊缝封底完成后,摘钩,移除索具并撤离吊机。

3 结束语

裙桩套筒的吊装安装难度很大,过程很复杂,研究它的吊装安装过程有着非常重要的意义。本文简单的介绍了裙桩套筒的吊装安装过程,吊装设计应该根据不同的起重设备能力,不同的结构形式,不同的场地工况来制定,希望本文对裙桩套筒吊装提供一点思路。

1 姜宜辰,田育丰,杨树耕. 导管架平台抱桩器设计［J］.中国海洋平台, 2008年05期.

2 梁永超.基于ANSYS程序二次开发的导管架平台结构分析［D］.青岛：中国海洋大学硕士论文,2005年.

3 白增林,白新建.大型导管架平台的建造与安装［J］.中国修船,2007(20增刊),63-64.

4 孙爱萍,严永江,耿惊涛,等.大型设备吊装方案优化［J］.煤炭技术, 2010年03期.

5 惠丹,王进.浅水裙桩导管架的安装工艺［J］.中国修船.2013-12-01期.

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