鋼樁、套管運輸綁扎固定方法的研究與應用

李啟寶，于 亮，王正華，金 銻

(海洋石油工程股份有限公司安裝公司 天津300461)

1 運輸情況簡介

2014年海洋石油工程股份有限公司承攬一個海上結(jié)構(gòu)物安裝項目，該項目位于南中國海南端，距離岸邊30km，水深20～40m。項目包含1套導管架安裝以及8個組塊的安裝，見表1。

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

該導管架為六腿導管架，包含6根鋼樁，14根套管，鋼樁直徑 54″(1372mm)，分 4節(jié)，最長一節(jié)48m；套管直徑 30″(762mm)，分 5節(jié)，最長一節(jié)46.9m，最后一節(jié)套管待上部模塊安裝完成后在完整，因此此次不運輸。

運輸鋼樁和套管的駁船是“德勃”10000t自航駁船，主要參數(shù)如下:

總長(L.O.A):128.40m。

兩柱間長(L.B.P):122.00m。

型寬(Breath Moulded):33.00m。

型深(Depth Moulded):7.80m。

設計吃水(Designed Draft):5.20m。

載貨量(甲板貨物)(DWT(Deck Cargo):10000t。

航速(Speed):9.5knots。

2 鋼樁套管運輸方案

2.1 方案選擇

方案一:傳統(tǒng)的工字鋼門字框的固定方法如圖1，該方法在國內(nèi)普遍采用，可靠性高；但是固定所需鋼材量大，而且海上切除固定耗時多。

圖1 工字鋼固定示意圖Fig.1 Seafastening with H-beam frames

方案二:工字鋼邊擋加鋼絲繩綁扎的固定方法，如圖 2。該方法在國內(nèi)的鋼樁運輸中還未使用過，無相關經(jīng)驗可借鑒，存在一定的風險；優(yōu)點是節(jié)約固定用材料，海上施工非常方便。綜合兩種方案的優(yōu)缺點，最后選擇方案二作為本項目的鋼樁、套管運輸固定方案。

圖2 工字鋼加鋼絲繩固定示意圖Fig.2 Seafastening with H-beam and wires

2.2 鋼樁、套管運輸布置

鋼樁、套管運輸布置需要遵循以下幾個原則進行布置:

①熟悉駁船甲板，避免干涉，避開不能動火區(qū)域。

②邊擋、墊木盡可能布置在駁船的橫梁上。

③考慮鋼樁、套管的插樁順序，先插的樁和套管一定要擺放在上面，避免不必要的倒樁，浪費時間。

④要留有足夠的起樁通道，方便吊裝器的安裝。

⑤考慮主作業(yè)船舶的起吊能力等。

3 運輸固定校核

3.1 駁船運動準則

目前，行業(yè)通常有兩種方法來確定駁船的運動準則，一是通過駁船的運動分析，求得駁船的橫搖、縱搖、垂蕩；二是規(guī)范推薦的駁船運動準則。經(jīng)驗表明規(guī)范推薦的運動準則通常都大于通過計算得出的駁船運動準則。本文采用 GLDN標準所推薦的運動準則，如表2所示。

表2 GLDN標準運動準則Tab.2 Motion standard from GLDN

下面就鋼樁的運輸固定校核過程來舉例說明，整個校核過程分五步:橫向邊擋校核、縱向邊擋校核、綁扎用眼板校核、甲板強度校核。

3.2 橫向邊擋校核

由于船舶的橫搖導致鋼樁套管擠壓橫向邊擋，從而產(chǎn)生作用力，橫向邊擋受力分析如圖3、4所示。

圖3 橫向邊擋受力圖Fig.3 Force on station

圖4 橫向邊擋詳圖Fig.4 Details for station

已知鋼樁的尺寸、重量、數(shù)量、邊擋數(shù)量、邊擋的尺寸。

計算可得:垂向力 Pv＝1774.1kN；橫向載荷系數(shù)＝0.5；作用每邊邊擋的力 Ph＝Pv×0.5＝887.0kN；橫向力距離甲板高度 h＝0.836m(墊木高度以及鋼樁半徑)；

查詢可知 H700×300H 型鋼的截面參數(shù):面積A＝164.6cm2，慣性矩 Iyy＝129185.3cm4，Izz＝6309.7cm4，截面模數(shù) Wyy＝3691.0cm3，Wzz＝420cm3。

彎矩強度校核:

最大彎矩M＝741572.17kN·mm

實際彎曲應力σ＝200.91N/mm2

需用彎曲應力(0.6)＝275.931N/mm2

UC＝0.728＜1，滿足要求

從上述計算結(jié)果可知，設計的橫向邊擋能夠駁船運輸狀態(tài)下產(chǎn)生的橫向力。

3.3 縱向邊擋校核

由于船舶的縱搖導致鋼樁套管擠壓縱向邊擋，從而產(chǎn)生作用力，縱向邊擋受力分析如圖5所示。

圖5 橫向邊擋受力圖Fig.5 Force on long station

校核過程與橫向邊擋完全一致，具體如下:

已知鋼樁的尺寸、重量、數(shù)量、邊擋數(shù)量、邊擋的尺寸。

計算可得:垂向力 Pv1＝4555.7kN；Pv2＝3497.0kN

橫向載荷系數(shù)＝0.4；

作用每個邊擋的力 Ph1＝Pv1x 0.4/6＝303.7kN；Ph2＝Pv2x 0.4/6＝233.13kN；

橫向力距離甲板高度h1＝1.672m；h2＝0.325m

查詢可知 H700×300H型鋼的截面參數(shù):面積A＝164.6cm2，慣性矩 Iyy＝129185.3cm4，Izz＝6309.7cm4，截面模數(shù) Wyy＝3691.0cm3，Wzz＝420cm3。

彎矩強度校核:

最大彎矩M＝583576.14kN.mm

實際彎曲應力σ＝158.11N/mm2

需用彎曲應力(0.6)＝207N/mm2

UC＝0.764＜1，滿足要求

從上述計算結(jié)果可知，設計的縱向邊擋能夠駁船運輸狀態(tài)下產(chǎn)生的縱向力。

3.4 綁扎用眼板校核

綁扎用眼板的校核一般根據(jù)所選取的卡環(huán)規(guī)格、采用 DNV-GL眼板標準校核程序進行校核，在此不再贅述。

3.5 甲板強度校核

考慮運輸過程中駁船橫搖和縱搖產(chǎn)生垂直分力對駁船甲板的作用，該作用力小于甲板設計載荷，說明甲板強度滿足要求，否則需要調(diào)整甲板布置。計算過程中需要考慮每個堆放區(qū)域的受力情況與甲板設計載荷進行比較。

橫搖產(chǎn)生的垂直分力計算公式如下:

橫搖產(chǎn)生的垂直分力計算公式如下:

根據(jù)甲板布置、鋼樁套管重量等信息，按照上述兩個公式分別計算各個堆放區(qū)域的甲板受力情況。

本項目甲板布置分區(qū)如圖6所示。

圖6 甲板布置區(qū)域劃分Fig.6 Division for deck arrangement

根據(jù)上述公式計算所得各區(qū)域甲板受力如下:

甲板區(qū)域1受力P1＝9.53t/m2

甲板區(qū)域2受力P2＝8.95t/m2

甲板區(qū)域3受力P3＝9.32t/m2

甲板區(qū)域4受力P4＝9.60t/m2

甲板區(qū)域5受力P5＝9.78t/m2

甲板設計載荷P0＝10t/m2。

各區(qū)域甲板受力均小于甲板設計載荷，因此甲板強度滿足使用要求。

3.6 綁扎鋼絲繩系統(tǒng)選擇

根據(jù)眼板的設計能力選擇相應的卡環(huán)、花籃螺栓、鋼絲繩、以及鋼絲繩卡子，具體如下:

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

4 結(jié) 論

通過本項目對鋼樁、套管運輸固定方法進行研究，并通過“德渤”號對該工藝進行實踐應用，成功地完成了該項目鋼樁、套管的運輸。到達目的地后解除固定非常方便，只需將花籃螺栓擰松，卸下卡環(huán)即可，而且這些固定材料還可以重復利用。最終結(jié)果表明該方法可行并且作業(yè)效率非常高。