自升式平台冲桩分析及冲桩系统设计

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(中海油能源发展股份有限公司 a.工程技术分公司，b.曹妃甸作业公司,天津 300450)

0 引 言

自升式平台站立就位，桩腿入泥深度会因作业海域地貌不同而有差异。在较松软的海床就位时，桩腿相应的入泥深度较大，如果平台在单一固定作业地点长时间就位，再次降船拔桩时会面临拔桩遇阻、耗时较长等不利因素。同时，考虑到台风、风暴潮等不利气象因素，拖航移位作业会面临天气窗口紧张的问题，此时，降船拔桩是整个拖航移位作业能否按计划顺利进行的关键因素。

虽然目前国内外对冲桩系统进行了较多的研究[1]，但是缺少细节设计以及突破传统思维的创新。本文通过对冲桩原理进行分析，提出冲桩系统设计的相关思路，从而减少拔桩过程中可能出现的问题，提高拔桩效率。

1 冲桩原理分析

在自升式平台拔桩过程中，主要需要克服3个力：桩侧力、复土重力和桩尖吸附力。为顺利完成拔桩作业，采用冲桩的方式削减这3个力对拔桩作业产生的影响。桩靴冲桩理论可以参考水射流理论[2]，水射流结构示意图如图1所示，可以看出：射流喷管出口压力越大，射流覆盖的面积越大；射流行程越远，压力损失越大。

图1 水射流结构示意图

2 喷冲介质及对应管线设计

目前，多数平台喷冲系统的动力采用消防水或者高压泥浆系统，一般平台消防水设计压力为1 MPa，高压泥浆系统设计压力为10～35 MPa。由图1可知：喷冲动力源压力越大，射流覆盖的面积越大，喷冲效果越好。但是，考虑到管线的强度要求以及经济成本因素，平台在选用高压泥浆系统作为喷冲动力源时，优先考虑最低挡位10 MPa作为高压喷冲动力源。

在部分平台，特别是生活支持平台上，可能未配备高压泥浆系统，可以选择1 MPa的消防水系统作为喷冲动力源。例如：某平台在渤海海域站立3年无拔桩动作，平均桩腿入泥深度8.5 m，在拖航拔桩过程中，通过消防水系统进行喷冲作业，也可以顺利完成降船拔桩，按时起拖。

由于作业水深及插桩深度不同，喷冲源到桩腿的喷冲管线与桩腿内部喷冲管线之间不能用简单的刚性连接，为解决桩腿升降带来的问题，可采用软管连接。在用10 MPa的高压泥浆系统作为喷冲动力源时，为保证作业安全，管线需采用钢丝缠绕结构，因此管线重量大、挠度大，在安装过程中必须横向和纵向协调用力，导致喷冲管线安装时出现费时、费力及作业安全性不高等问题。为解决这些问题，可将直角弯头与高压软管分离，通过增加一组由壬接头进行对接；并在高压软管公扣由壬距离200 mm处加装辅助手柄，并在辅助手柄处设置2个对置手柄，从而保证管线安装过程中有足够的操作空间，防止管线脱落砸伤人员。

在用1 MPa的消防水系统作为喷冲动力源时，在保证承压能力满足要求的情况下，为减少管线重量，可以采用无钢丝缠绕的低压管线。为实现管线的快速安装与拆卸，制作过渡弯头，过渡弯头一端与桩腿通过由壬连接，另一端通过快速接头与管线连接。低压管线一端通过快速接头与过渡接头连接，另一端通过由壬与主甲板喷冲口接头连接。图2为冲桩连接软管高压管线与低压管线的设计示意图。

图2 冲桩连接软管示意图

3 桩靴喷冲口数量及位置布局

喷头数目可根据桩靴的尺寸进行布局，在布置方式上要尽量均匀且覆盖面广(分圈布置)，这样可以使冲刷的范围更加广泛，起到更好的冲桩效果。典型的喷头布置图如图3所示。为保证喷冲头不被泥沙堵塞，喷冲头可以加装防护罩进行保护，或者采用自力启闭防堵解堵喷冲器和安装可控式冲桩阀[3]。

图3 喷头布置示意图

4 辅助喷冲装置

如果出现喷冲口堵塞或者其他原因造成拔桩遇阻的情况，可以考虑使用挖泥船或者其他辅助喷冲装置进行喷冲作业[4]。目前，一种新型的辅助喷冲装置已经完成样品的设计研发。

4.1 多套结构方案对比

4.1.1 冲桩辅助喷冲设施与桩腿间连接方式

冲桩辅助喷冲设施与桩腿间连接方式的对比见表1，可以看出：环抱式结构虽然复杂，但对于发挥装置的最佳效果有很好的帮助，并且可以重复利用，提高海洋石油作业的经济效益。本文最终选择方案2环抱式的连接方式。

表1 冲桩辅助喷冲设施与桩腿间连接方式对比

4.1.2 环抱式辅助喷冲设施结构喷冲介质的连接方式

环抱式辅助喷冲设施结构喷冲介质连接方式的对比见表2。为提高喷冲效果，环抱式辅助喷冲设施结构布置环形喷冲管的数量可以选择2根或者3根。根据环抱式结构的连接方式，操作时须控制装置开合，结构分为2部分，为平衡喷冲头的排量及水压力，左右各设置1个喷冲管连接喷冲头。环抱式辅助喷冲设施的喷冲头结构型式可选择直喷式或者液力马达式。喷冲头主要为保证喷冲介质的压力及排量，直喷式相对于液压马达式更加经济实惠、结构简单、造成的水力压降小，所以本文的喷冲头设置为直喷式。

表2 环抱式辅助喷冲设施结构喷冲介质连接方式对比

4.2 结构优化设计

采用以下方式对结构进行优化设计：(1)为减轻重量、便于安装，辅助喷冲装置整体分为两段式。第1和第2段的自由端采用喇叭口自由套接方式，由2根直径不低于6 mm，长度不低于30 m的钢丝绳牵引收紧或者打开喇叭口；销轴连接端采用三段式高强度绞式连接方式，方便打开和连接操作。(2)第1和第2段之间的介质连通依靠跨接连通软管实现。(3)高压管线及接头材质为35 CrMo,喷冲管线为铠装硬管，满足15 MPa工作压力的要求。(4)绞车选择手动式，满足单人操作、起重300 kg的要求，排绳量不少于50 m,共安装3台。(5)为保护喷冲装置管线质量，在管线上外加吊耳及焊接腹板，同时在装置内圈补加3块导向滑块，以减少装置整体与桩腿之间的接触摩擦面积。(6)喷冲装置主进液端接头须与铠装管接头通过由壬型式对接。(7)辅助喷冲装置管路完成焊接后须做100% NDT检测，喷冲开口直径参考桩腿现用喷冲口直径与数量，建议开孔数量不大于8个，开孔直径30 mm。(8)喷冲装置接头、管路及整体支架做涂层防腐保护措施。

4.3 结构细化方案

4.3.1 项目方案设计总图

项目方案设计图如图4所示，结构重2.7 t,若内壁增加缓冲装置及管线，约重3 t。

图4 设计总图

4.3.2 细化方案说明

主体结构如图5所示。用类似该结构的12个主体组成整个圆，2个主体之间用上下各1个连接板连接固定。该结构的优点是：多片式结构便于运输；连接板在调试时钻孔并用螺栓固定，最终组装后焊接。

图5 单个主体及相互连接方式

4.3.3 保险结构

开关保险结构如图6所示。采用现有成熟的吊卡双保险机构，拉开手柄即可打开保险。

图6 开关保险机构

4.3.4 活门结构

活门结构如图7所示，上下2片用轴穿入左右轴套后连接成一体。

图7 活门结构

4.3.5 补充说明

管线布置在上下板支撑轴中间，具体根据实际补充；主体相互连接成一体机构，须根据实际进行调整。

4.4 自升式平台桩腿辅助冲桩装置理论计算

4.4.1 结构强度校核

该装置工作时主要受向上的钢丝绳拉力以及水压力的影响，钢丝绳长度远大于工具截面半径，可简化为拉力竖直向上，主要强度校核部分为钢丝绳、水管丝扣连接处以及吊耳强度。根据强度与力的关系式进行结构的强度校核：

(1)

式中：F为部件受的力；A为部件的有效横截面积；σ为部件的强度。

(1) 钢丝绳强度校核

采用4根钢丝绳牵引辅助冲桩装置，试验用辅助冲桩装置与管线总重为600 kg。分配到4根钢丝绳上，平均每根钢丝绳承受150 kg的重量。考虑到极限情况为3根钢丝绳受力，其中1根钢丝绳承受2倍拉力为300 kg，得到钢丝绳受拉力共为300 kg×9.8 N/kg=2.94 kN。采用钢丝绳直径为6 mm，公称强度为1 770 MPa，对应的整绳破断拉力为21 kN。当施工作业安全系数取4时，所采用钢丝绳的极限拉力为5.21 kN，大于2.94 kN，满足强度要求。

(2) 丝扣连接处强度校核

丝扣连接处主要受力为水压力，试验水压力为1 MPa。试验所采用丝扣为不锈钢丝扣水管接头，公称压力为2.5 MPa，强度试验压力为3.8 MPa，适用温度为-20～100 ℃，符合强度要求。

(3) 吊环强度校核

试验装置结构重量由4个吊环分担，装置重600 kg，每个吊环拉力为600 kg×9.8 N/kg/4=1.47 kN。根据吊环尺寸表，得出吊环受力最弱部分为横截面积最小部分。横截面积最小部分直径为17 mm，吊环所采用钢材为Q 235钢材，强度为235 MPa，计算最小横截面处的极限拉力为235 MPa×3.14×8.52 m2=53 kN。当安全系数取5时，吊环的极限拉力约为10 kN，大于每个吊环上所承受的拉力1.47 kN，故吊环强度符合要求。

4.4.2 装置水力学计算

(1) 计算水力压降

流体水力压降计算公式[5]为

(2)

(3)

(4)

(5)

式(2)～式(5)中：hf为水力压降；Q为排量；v为运动黏度；L为管线长度；d为管线内径;λ为沿程水力摩阻系数。

通过雷诺数判断流体流态，首先通过排量计算雷诺系数，确定介质流态雷诺数为

(6)

试验水泵为4台水泵串联，每台水泵排量为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，介质流体为层流，采用层流计算公式计算水力压降为hf=0.090 288 m，等效换算为压强P=0.090 288 m×9 800 Pa/m=884 Pa

(2) 排量及流速计算

4台水泵串联排量为Q总=4Q=0.01 m3/s，分配到冲桩管线装置喷嘴排量为Q喷嘴=0.001 25 m3/s=1.25 L/s，喷嘴处流速计算公式为

因此，试验装置水力压降为884 Pa，相对于设备的0.5 MPa压强可忽略不计，装置各喷嘴排量为1.25 L/s，流速为1.769 m/s。

4.5 自升式平台桩腿辅助冲桩装置示意图及样品模拟图

该装置的示意图以及样品模拟图如图8所示。该装置样品在现场模拟试验取得了比较理想的效果，模拟试验结果为：(1)当冲桩辅助装置距离泥面50 cm以及紧贴泥面时，冲桩效果不明显，排开土体积小；当距离保持在20～30 cm时，冲桩效果最佳。(2) 冲桩效果随泵排量增加而越加明显，试验泵排量为5 L/s时，冲桩效果不明显，排开土体积可忽略不计，增加到10 L/s时冲桩效果明显，排开土体积明显增大。(3) 在冲桩装置的操作控制上，上下移动喷冲效果最佳，当与土面保持一定距离喷冲时，土质被冲出圆环形凹坑后，喷冲效果不明显，覆盖在土面上喷冲时，后期泥土被冲开空间小，效果不好。试验结果表明：上下移动喷冲效果约为保持一定距离喷冲效果的5倍。(4)由于试验装置喷冲头是竖直向下的，喷冲出凹坑形状为圆环形，在喷冲一定深度后，凹坑内存积的水大大影响了冲桩效果，可将喷嘴改为旋转喷嘴，实际装置须增加喷嘴数量。

图8 辅助喷冲装置示意图及样品模拟图

5 结 语

通过对冲桩原理进行分析，根据现场应用实践总结，对冲桩系统设计提出相关建议。对冲桩连接软管高压管线与低压管线进行优化设计，可以降低现场作业人员的劳动强度，提高作业效率。

提出新型辅助喷冲装置，并通过模拟试验证明了该新型辅助喷冲装置的有效性。后续冲桩系统的设计可以根据该思路继续完善，便于后续辅助喷冲装置的进一步研制。

[1] 张宝平,金元刚.自升式钻井平台冲桩对拔桩阻力影响研究[J].石油矿场机械,2015,44(06):59-62.

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[3] 蔡胜利,张福,冯利杰.自升式钻井平台冲桩系统技术分析及优化方案[J].石油矿场机械,2012,41(10):64-68.

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