自升式海洋平臺(tái)樁靴噴沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐增強(qiáng)

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院 海洋工程裝備研究所，山東 東營257017)

自升式海洋平臺(tái)在其整個(gè)生命過程中需要頻繁拔樁移位作業(yè)。在每次拔樁之前，一般應(yīng)進(jìn)行樁靴噴沖作業(yè)，也就是“沖樁”，目的是克服一部分樁靴周圍泥土的吸附力和摩擦力。以往的自升式海洋平臺(tái)所采用的噴沖動(dòng)力源為消防水和壓縮空氣［1］，噴沖壓力較低，噴沖效果不很理想，沒有充分發(fā)揮樁靴噴沖系統(tǒng)的作用。為此，在自升式海洋平臺(tái)輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引進(jìn)10 MPa高壓噴沖系統(tǒng)，并運(yùn)用于新建50 m作業(yè)水深自升式海洋平臺(tái)樁靴噴沖系統(tǒng)，作業(yè)水深自升式海洋平臺(tái)中。

1 樁靴噴沖基本原理

樁靴噴沖的水射流為淹沒射流，根據(jù)水射流理論［2］，射流的幾何結(jié)構(gòu)如圖1，整個(gè)過程可分為初始段、過渡段和基本段。

圖1 射流結(jié)構(gòu)示意

初始段:指由噴嘴至等速核端斷面之間的射流區(qū)域。該段的核心區(qū)內(nèi)的速度等于噴嘴出口速度u0，為有勢流，各點(diǎn)的速度大小、方向均相同。

過渡段:指從等速核消失的B至D斷面之間的區(qū)域。

基本段:指轉(zhuǎn)折斷面以后的區(qū)域。該段中射流的紊動(dòng)特性表現(xiàn)充分。

根據(jù)馬飛等人研究理論［3］，射流作用下土體表面壓力分布為

式中:Fb——r=b處的截面作用力，kN;

p0——噴嘴出口壓力，MPa;

R0——噴嘴出口半徑，m。

自升式平臺(tái)對地的最大壓力一般出現(xiàn)在預(yù)壓狀態(tài)。預(yù)壓狀態(tài)下重量約為平臺(tái)自重的1.5倍。預(yù)壓形成的樁靴對地比壓小于100 kPa［4］。假定樁靴對地比壓為100 kPa，則認(rèn)為土體內(nèi)部壓力近似是0.1 MPa，根據(jù)式(1)計(jì)算噴沖射流壓力下降到與土體壓力相等時(shí)的圓斷面半徑Rh。

以往設(shè)計(jì)中，采用0.8 MPa消防泵作為動(dòng)力源噴沖，最終噴沖斷面半徑為Rb=2.83R0。

若采用10 MPa鉆井泵作為動(dòng)力源噴沖，最終噴沖斷面半徑為Rb=10R0。

噴沖面積大大增加，效果顯著提升。

2 噴嘴選擇及布置形式

噴嘴浸入泥中，需要具有止回功能，防止泥沙侵入噴沖管內(nèi)，造成堵塞。勝利三號(hào)平臺(tái)等用加止回閥的方式，但是閥體在船底板外側(cè)，被破壞的可能性較大，并且不可避免地會(huì)發(fā)生泥沙侵入噴沖管內(nèi)的現(xiàn)象。

勝利作業(yè)三號(hào)、四號(hào)平臺(tái)采用的是堵管結(jié)構(gòu)，同樣存在泥沙侵入噴沖管內(nèi)的現(xiàn)象。調(diào)研后決定采用自力啟閉防堵解堵噴沖器，見圖2。

圖2 自力啟閉防堵解堵噴沖器結(jié)構(gòu)示意

該噴沖器具有阻斷泥沙進(jìn)入噴沖管路和解除來水管路中沉降板結(jié)泥沙的特殊功能，并通過其噴射出的高壓水流消除樁靴底部吸附力和周圈泥沙剪切力。閥的本體位于樁靴內(nèi)部，受樁靴保護(hù);啟閉方式為壓差啟閉，入泥開啟壓力≤0.1 MPa，時(shí)間≤1 s，停噴失壓同步止回封閉時(shí)間≤1 s。雙防堵性能:噴頭及噴口具備止回封閉功能;解堵性能:解堵來水管路中沉降泥沙最大粒徑≤4 mm，解堵來水管路內(nèi)的沉降板結(jié)泥沙量≤1 300 cm3，解堵時(shí)間≤2 s?？梢?，此噴沖器能夠很好地滿足海洋自升式平臺(tái)樁靴噴沖系統(tǒng)要求。

噴沖器一般采用對稱的布置形式，以求均勻噴沖。為提高噴沖效果，設(shè)上、下、側(cè)三面噴沖。上、側(cè)面的噴沖共用一根供水總管，底面噴沖單獨(dú)用一根供水總管。在樁靴內(nèi)部采用環(huán)形噴沖主管，保證每個(gè)噴嘴的噴沖流量及壓力。圖3～5是新建50 m作業(yè)水深自升式海洋平臺(tái)樁靴內(nèi)噴沖頭布置圖。噴沖頭采用環(huán)形均布的方式，每個(gè)樁靴頂噴沖頭有16個(gè)，側(cè)噴沖頭有8個(gè)，底噴沖頭有16個(gè)。

圖3 新建50 m作業(yè)水深自升式海洋平臺(tái)樁靴內(nèi)噴沖頭布置示意

3 噴沖動(dòng)力源的選擇及管線布置

平臺(tái)常用泵的出口壓力較低，最高為1.0 MPa左右，高壓泵一般是鉆井作業(yè)、修井作業(yè)等所用的泥漿泵［5］，其最高壓力可達(dá)45 MPa。泥漿泵根據(jù)不同的需要分成若干檔位，新建50 m作業(yè)水深自升式海洋平臺(tái)中，最低檔位壓力約10 MPa，考慮到噴沖管系的壓力耐受及經(jīng)濟(jì)成本，選定泥漿泵最低檔位出口10 MPa作為噴沖壓力。另外，可以選擇消防泵作為備用動(dòng)力源，空氣壓縮機(jī)作為管線吹掃用動(dòng)力源。

在噴沖管路上，須設(shè)置安全閥，當(dāng)管路壓力超過11 MPa后，能夠自動(dòng)開啟，對管路進(jìn)行泄壓。

但是，由于作業(yè)水深及插樁深度不同，自噴沖源到樁腿的噴沖管線與樁腿內(nèi)部噴沖管線之間不能用簡單的剛性連接，要解決樁腿升降帶來的問題，需要在上述兩部分管線中間用軟管連接。海洋作業(yè)環(huán)境中的氣隙不同，需要軟管長度不同，若只用1根軟管，則管線過長。因此，考慮將樁腿內(nèi)部噴沖管線加長，在樁腿上每隔5 m設(shè)置1套軟管接口，見圖6。

如此，則只需要用1根10 m長的軟管就可以實(shí)現(xiàn)自噴沖源到樁腿的噴沖管線與樁腿內(nèi)部噴沖管線之間的柔性連接。工作時(shí)，將旋塞取出，將軟管連接到管口上即可。

圖6 樁腿外壁預(yù)留軟管接口示意

4 噴沖管線壁厚計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［6-8］計(jì)算沖樁管路的壁厚。

按照《海上移動(dòng)平臺(tái)入級與建造規(guī)范》［7］要求，噴沖管路為受內(nèi)壓的鋼管，最小壁厚δ為

式中:b——彎曲附加裕量，mm;

c——腐蝕裕量，mm;

δ0——基本附加裕量，mm，

其中:p——設(shè)計(jì)壓力，MPa;

D——鋼管外徑，mm;

［σ］——鋼管許用應(yīng)力，MPa;

e——焊接有效系數(shù);

式中:R——平均彎曲半徑，mm。

5 計(jì)算實(shí)例

噴沖管外徑76 mm，材料為船用無縫鋼管，材質(zhì)為碳鋼，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa。

通過計(jì)算?。郐模轂?/p>

根據(jù)式(3)計(jì)算，δ0=3.40 mm。

根據(jù)式(4)計(jì)算，b=0.34 mm。

查腐蝕裕量表知:c=3 mm。

則根據(jù)式(1)計(jì)算，δ=6.74 mm。

因此選擇噴沖管線外徑76 mm壁厚為7 mm。

6 結(jié)論

1)運(yùn)用水射流技術(shù)論證10 MPa壓力噴沖的可行性。

2)對噴沖器進(jìn)行調(diào)研篩選，采用新型自力啟閉防堵解堵噴沖器，對噴沖形式進(jìn)行合理布置，用軟管連接方式解決了樁腿上下移動(dòng)帶來的問題。

3)計(jì)算噴沖管壁厚，滿足強(qiáng)度要求，保證噴沖系統(tǒng)的安全性。

4)對于噴沖系統(tǒng)所克服的有效吸附力大小、有效噴沖時(shí)間等方面有待深入研究。

［1］孟家榮.勝利三號(hào)的噴沖裝置［J］.中國海洋平臺(tái)，1989(S1):61-62.

［2］沈忠厚.水射流理論與技術(shù)［M］.東營:石油大學(xué)出版社，1989.

［3］馬 飛.水射流動(dòng)力特性及破土機(jī)理［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(5):414.

［4］孫東昌.海洋自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2008.

［5］萬邦烈.石油工程流體機(jī)械［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999.

［6］中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］中國船級社.材料與焊接規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［8］中國船級社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級與建造規(guī)范［M］.北京:人民交通出版社，2005.