M—200液壓打樁錘變徑樁套的優(yōu)化設(shè)計研究

韓士強 魏佳廣

摘要：本文設(shè)計了一種用于海上鋼樁/隔水套管安裝的液壓打樁錘變徑樁套。根據(jù)潿洲12-2油田生產(chǎn)項目實際需求進(jìn)行科技創(chuàng)新，通過優(yōu)化設(shè)計、數(shù)值模擬，為M-200液壓打樁錘提供了一種新型、簡易、高效可插入式變徑樁套，徹底改變了以往需更換打樁錘體才能進(jìn)行不同直徑隔水套管的打樁工作，實現(xiàn)了快速、高效的無縫銜接打樁作業(yè)和便捷式小樁套適用于大直徑套管作業(yè)，不僅結(jié)構(gòu)簡單，安裝便利，還大大提升了打樁錘的作業(yè)效率。本研究對改進(jìn)和優(yōu)化打樁錘海上施工效率具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：M-200液壓打樁錘；隔水套管；變徑樁套；施工效率；導(dǎo)管架

隨著我國淺海油氣資源的日益枯竭，深海開發(fā)戰(zhàn)略的大力實施，我國深海油氣資源開發(fā)裝備迎來了空前的發(fā)展良機。液壓打樁錘作為海洋石油開發(fā)、風(fēng)電安裝中的重要施工機械，也是一種新型打樁機械，以其污染小、噪音低、結(jié)構(gòu)簡單、打樁能量傳遞效率高及打擊能量容易控制等優(yōu)點正迅速邁入海洋石油開發(fā)市場，因此，進(jìn)行液壓打樁錘的開發(fā)改造研究，對于節(jié)能、環(huán)保、促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步有重大意義。作為深海油氣資源開發(fā)裝備隊伍成員，液壓打樁錘承擔(dān)著海洋平臺建設(shè)過程中的重要任務(wù)，如樁基打樁、隔水套管打樁等，因此開展液壓打樁錘在鋼樁、隔水套管海上安裝區(qū)塊效率提升研究是海洋平臺安裝面臨的重要課題之一。

本文主要依托潿洲12-2油田導(dǎo)管架安裝項目，研究了M-200液壓打樁錘連續(xù)打入不同直徑的隔水套管的效率提升技術(shù)，給出了M-200液壓打樁錘高效變徑樁套的優(yōu)化設(shè)計及數(shù)值分析，并成功應(yīng)用于潿洲12-2WHPA導(dǎo)管架安裝項目。

1概述

潿洲12-2油田位于中國南海北部灣海域，距潿洲島約37km。WZ12-2WHPA導(dǎo)管架吊裝重量為1800T，四腿樁基式導(dǎo)管架，16口井槽，包括15x4根φ610mm規(guī)格隔水套管，1x3根φ914mm規(guī)格隔水套管。

項目初期鎖定打樁資源為M-200和S-280液壓打樁錘，錘套尺寸分別為24"和36"（φ610mm規(guī)格套管采用M-200液壓打樁錘，φ914mm規(guī)格套管采用S-280液壓打樁錘），但由于該項目工期緊，施工資源利用緊張，況且隔水套管規(guī)格尺寸不同，需要更換打樁錘體（S-200和S-280共用一套管線系統(tǒng)）后才可保證打樁連續(xù)，嚴(yán)重影響施工效率，施工進(jìn)度存在阻礙。因此為節(jié)省更換樁錘時間，需設(shè)計出更簡化、更有效、更合理的技術(shù)方案實現(xiàn)打樁錘樁套直徑由24"變?yōu)?6"，針對上述工程施工特點，通過多種結(jié)構(gòu)方案的研究設(shè)計，以及大量的分析計算與比較，本文為M-200液壓打樁錘設(shè)計了一種滿足打樁要求的簡易變徑送樁方案即“M-200液壓打樁錘高效變徑送樁樁套”，不僅成功解決了上述問題，并且結(jié)構(gòu)簡單，安裝便利，還大大提升了打樁錘的作業(yè)效率。

2樁套方案設(shè)計

根據(jù)M-200液壓打樁錘結(jié)構(gòu)型式、24"樁錘錘套及36"隔水套管特點，設(shè)計適用M-200液壓打樁錘由24"變徑36"樁套。其樁套設(shè)計思路及工作原理如下：

2.1設(shè)計思路

樁套芯規(guī)格為3mxφ610mmx25mm（長x直徑x壁厚）的套管（現(xiàn)場余料），用來配合液壓樁錘24"錘套和可插入36"隔水套管，環(huán)板φ1470mmx30mm（直徑x厚度）的筋板，用來打樁36"隔水套管并做打樁能量傳遞，12塊加強板（PLATE2）用來增加樁套環(huán)板的強度，可保證樁套足夠的強度，6塊導(dǎo)向板（PLATE3）便于錘套順利插入隔水套管，并減輕打樁過程中的橫蕩，還可增加變徑樁套環(huán)板的強度，保證樁套的垂直度，進(jìn)而保證隔水套管的垂直度。

2.2工作原理

利用M-200液壓打樁錘完成導(dǎo)管架φ610mm規(guī)格隔水套管打樁后，便可借助浮吊快速連接此變徑樁套進(jìn)行φ914mm隔水套管打樁。設(shè)計樁套結(jié)構(gòu)簡單、便于連接操作，施工難度低，為項目節(jié)省大量的費用，如圖3所示。

3有限元模型建立

樁套三維模型建模分析：ANSYS

樁套材料：中心圓管為D36，其他材料均為Q345A

樁套實際所受載荷為壓力、剪力、彎矩等沖擊載荷，約束所建立的幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而得到有限元模型。

4計算結(jié)果分析

等效應(yīng)力按第四強度理論定義，計算公式為：式中：σVME為等效應(yīng)力，Mpa；[σ]為許用應(yīng)力，Mpa。許用應(yīng)力[σ]的計算公式為：

分別為材料的屈服強度和抗拉強度，Mpa。

利用仿真技術(shù)對其可能的危險工況進(jìn)行分析尤為重要。在進(jìn)行初步設(shè)計后，對設(shè)計方案進(jìn)行了不同工況下的有限元分析，模擬變徑樁套的受力情況，用科學(xué)手段完善方案。

通過有限元分析結(jié)果的應(yīng)力云圖可見，在打樁過程中最大應(yīng)力均出現(xiàn)在樁套加強板頂部接觸樁壁的一側(cè)，與打樁分析結(jié)果一致，主要是由于環(huán)板的彎矩所導(dǎo)致，但其應(yīng)力值較小，局部應(yīng)力小于屈服強度?？梢钥闯鰟傂约訌娊Y(jié)構(gòu)對降低局部應(yīng)力和撓度起著重要作用，而且提高了安全余量。

5工程應(yīng)用

借助M-200液壓打樁錘變徑樁套快速、高效完成了WZ12-2WHPA導(dǎo)管架隔水套管的海上安裝，提升了施工作業(yè)效率，極太提高收益水平，也為后續(xù)類似工藝項目積累了寶貴的經(jīng)驗。

M-200液壓打樁錘高效送樁變徑樁套設(shè)計作為探索性嘗試，經(jīng)過潿洲項目使用證明頗具成效，可以考慮將該方案逐步推廣至后續(xù)存有多種規(guī)格套管的井口平臺上，對提升導(dǎo)管架的安裝能力以及節(jié)省起重船的作業(yè)時間具有重要的意義。

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