钢桩、套管运输绑扎固定方法的研究与应用

李啟宝，于 亮，王正华，金 锑

(海洋石油工程股份有限公司安装公司 天津300461)

1 运输情况简介

2014年海洋石油工程股份有限公司承揽一个海上结构物安装项目，该项目位于南中国海南端，距离岸边30km，水深20～40m。项目包含1套导管架安装以及8个组块的安装，见表1。

表1 钢桩、套管信息Tab.1 Pile and conductor information

该导管架为六腿导管架，包含6根钢桩，14根套管，钢桩直径 54″(1372mm)，分 4节，最长一节48m；套管直径 30″(762mm)，分 5节，最长一节46.9m，最后一节套管待上部模块安装完成后在完整，因此此次不运输。

运输钢桩和套管的驳船是“德勃”10000t自航驳船，主要参数如下:

总长(L.O.A):128.40m。

两柱间长(L.B.P):122.00m。

型宽(Breath Moulded):33.00m。

型深(Depth Moulded):7.80m。

设计吃水(Designed Draft):5.20m。

载货量(甲板货物)(DWT(Deck Cargo):10000t。

航速(Speed):9.5knots。

2 钢桩套管运输方案

2.1 方案选择

方案一:传统的工字钢门字框的固定方法如图1，该方法在国内普遍采用，可靠性高；但是固定所需钢材量大，而且海上切除固定耗时多。

图1 工字钢固定示意图Fig.1 Seafastening with H-beam frames

方案二:工字钢边挡加钢丝绳绑扎的固定方法，如图 2。该方法在国内的钢桩运输中还未使用过，无相关经验可借鉴，存在一定的风险；优点是节约固定用材料，海上施工非常方便。综合两种方案的优缺点，最后选择方案二作为本项目的钢桩、套管运输固定方案。

图2 工字钢加钢丝绳固定示意图Fig.2 Seafastening with H-beam and wires

2.2 钢桩、套管运输布置

钢桩、套管运输布置需要遵循以下几个原则进行布置:

①熟悉驳船甲板，避免干涉，避开不能动火区域。

②边挡、垫木尽可能布置在驳船的横梁上。

③考虑钢桩、套管的插桩顺序，先插的桩和套管一定要摆放在上面，避免不必要的倒桩，浪费时间。

④要留有足够的起桩通道，方便吊装器的安装。

⑤考虑主作业船舶的起吊能力等。

3 运输固定校核

3.1 驳船运动准则

目前，行业通常有两种方法来确定驳船的运动准则，一是通过驳船的运动分析，求得驳船的横摇、纵摇、垂荡；二是规范推荐的驳船运动准则。经验表明规范推荐的运动准则通常都大于通过计算得出的驳船运动准则。本文采用 GLDN标准所推荐的运动准则，如表2所示。

表2 GLDN标准运动准则Tab.2 Motion standard from GLDN

下面就钢桩的运输固定校核过程来举例说明，整个校核过程分五步:横向边挡校核、纵向边挡校核、绑扎用眼板校核、甲板强度校核。

3.2 横向边挡校核

由于船舶的横摇导致钢桩套管挤压横向边挡，从而产生作用力，横向边挡受力分析如图3、4所示。

图3 横向边挡受力图Fig.3 Force on station

图4 横向边挡详图Fig.4 Details for station

已知钢桩的尺寸、重量、数量、边挡数量、边挡的尺寸。

计算可得:垂向力 Pv＝1774.1kN；横向载荷系数＝0.5；作用每边边挡的力 Ph＝Pv×0.5＝887.0kN；横向力距离甲板高度 h＝0.836m(垫木高度以及钢桩半径)；

查询可知 H700×300H 型钢的截面参数:面积A＝164.6cm2，惯性矩 Iyy＝129185.3cm4，Izz＝6309.7cm4，截面模数 Wyy＝3691.0cm3，Wzz＝420cm3。

弯矩强度校核:

最大弯矩M＝741572.17kN·mm

实际弯曲应力σ＝200.91N/mm2

需用弯曲应力(0.6)＝275.931N/mm2

UC＝0.728＜1，满足要求

从上述计算结果可知，设计的横向边挡能够驳船运输状态下产生的横向力。

3.3 纵向边挡校核

由于船舶的纵摇导致钢桩套管挤压纵向边挡，从而产生作用力，纵向边挡受力分析如图5所示。

图5 横向边挡受力图Fig.5 Force on long station

校核过程与横向边挡完全一致，具体如下:

已知钢桩的尺寸、重量、数量、边挡数量、边挡的尺寸。

计算可得:垂向力 Pv1＝4555.7kN；Pv2＝3497.0kN

横向载荷系数＝0.4；

作用每个边挡的力 Ph1＝Pv1x 0.4/6＝303.7kN；Ph2＝Pv2x 0.4/6＝233.13kN；

横向力距离甲板高度h1＝1.672m；h2＝0.325m

查询可知 H700×300H型钢的截面参数:面积A＝164.6cm2，惯性矩 Iyy＝129185.3cm4，Izz＝6309.7cm4，截面模数 Wyy＝3691.0cm3，Wzz＝420cm3。

弯矩强度校核:

最大弯矩M＝583576.14kN.mm

实际弯曲应力σ＝158.11N/mm2

需用弯曲应力(0.6)＝207N/mm2

UC＝0.764＜1，满足要求

从上述计算结果可知，设计的纵向边挡能够驳船运输状态下产生的纵向力。

3.4 绑扎用眼板校核

绑扎用眼板的校核一般根据所选取的卡环规格、采用 DNV-GL眼板标准校核程序进行校核，在此不再赘述。

3.5 甲板强度校核

考虑运输过程中驳船横摇和纵摇产生垂直分力对驳船甲板的作用，该作用力小于甲板设计载荷，说明甲板强度满足要求，否则需要调整甲板布置。计算过程中需要考虑每个堆放区域的受力情况与甲板设计载荷进行比较。

横摇产生的垂直分力计算公式如下:

横摇产生的垂直分力计算公式如下:

根据甲板布置、钢桩套管重量等信息，按照上述两个公式分别计算各个堆放区域的甲板受力情况。

本项目甲板布置分区如图6所示。

图6 甲板布置区域划分Fig.6 Division for deck arrangement

根据上述公式计算所得各区域甲板受力如下:

甲板区域1受力P1＝9.53t/m2

甲板区域2受力P2＝8.95t/m2

甲板区域3受力P3＝9.32t/m2

甲板区域4受力P4＝9.60t/m2

甲板区域5受力P5＝9.78t/m2

甲板设计载荷P0＝10t/m2。

各区域甲板受力均小于甲板设计载荷，因此甲板强度满足使用要求。

3.6 绑扎钢丝绳系统选择

根据眼板的设计能力选择相应的卡环、花篮螺栓、钢丝绳、以及钢丝绳卡子，具体如下:

表3 绑扎索具信息Tab.3 Binding material information

4 结 论

通过本项目对钢桩、套管运输固定方法进行研究，并通过“德渤”号对该工艺进行实践应用，成功地完成了该项目钢桩、套管的运输。到达目的地后解除固定非常方便，只需将花篮螺栓拧松，卸下卡环即可，而且这些固定材料还可以重复利用。最终结果表明该方法可行并且作业效率非常高。