拼裝式淺海勘探平臺實(shí)用性分析

宋寶杰

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺264004)

0 引言

實(shí)施海上鉆探，首先需要選擇合適的鉆探平臺(船)，選擇什么樣的平臺(船)要根據(jù)工程需要、環(huán)境條件、安全和經(jīng)濟(jì)等因素綜合考慮。鉆探船受風(fēng)浪、潮流等自然因素影響較大，對施工周期長、需要穩(wěn)定工作平臺的海上深孔勘探項(xiàng)目來說存在許多問題。拼裝式勘探平臺能克服鉆探船的不足，是實(shí)施海上勘探的比較合理的選擇。目前，最常見的勘探平臺多是應(yīng)用于海上石油勘探的鉆井平臺，其個體大，運(yùn)行成本高，操作復(fù)雜，并不適合淺海海域的海上工程勘察、固體礦產(chǎn)勘探等項(xiàng)目。我院自主研發(fā)建造的多款拼裝式淺海勘探平臺通過近幾年多個海上勘探項(xiàng)目的應(yīng)用，效果良好，并獲得了多項(xiàng)國家專利[1-2]。

1 拼裝式淺海地質(zhì)勘探平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

拼裝式淺海地質(zhì)勘探平臺從結(jié)構(gòu)上分為平臺主體，樁腿，升降裝置三部分。為方便公路運(yùn)輸，每一部分分解設(shè)計(jì)為若干獨(dú)立模塊。模塊與模塊之間通過不同的連接方式拼裝組合成一整體，模塊均符合公路運(yùn)輸要求。

1.1 平臺甲板

平臺主體部分是平臺甲板。我院研制的淺海地質(zhì)勘探平臺甲板面積從幾十到幾百平方米不等，甲板的結(jié)構(gòu)分為桁架式鋼結(jié)構(gòu)模塊組合及箱體式模塊組合。桁架式鋼結(jié)構(gòu)模塊的連接方式是，鋼梁串聯(lián)鋼結(jié)構(gòu)模塊，即模塊與模塊之間橫向平行擺放(見圖1)，通過鋼梁將其連接，由U形絲進(jìn)行固定，從而組成平臺甲板(見圖2)。箱體式模塊的連接方式是，通過集成在箱體模塊上的上下連接件進(jìn)行順序連接組成平臺甲板(見圖3、圖4)。

圖1 模塊擺放示意圖Fig.1 Module layout diagram

圖2 甲板組合示意圖Fig.2 Deck combination diagram

圖3 上連接件示意圖Fig.3 Top connection diagram

圖4 下連接件示意圖Fig.4 Bottom connection diagram

1.2 樁腿

樁腿支撐整個勘探平臺，根據(jù)施工水域地質(zhì)環(huán)境及水深，其長度可以調(diào)整。所謂模塊化樁腿，就是把整根樁腿分為若干段短節(jié)。短節(jié)兩端裝配法蘭盤，通過高強(qiáng)螺栓連接，根據(jù)施工區(qū)域水深靈活調(diào)節(jié)樁腿長度。根據(jù)樁腿直徑及施工海域地質(zhì)條件法蘭盤可分為內(nèi)置法蘭和外置法蘭，內(nèi)置法蘭可更大程度的減少插樁阻力，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且固定螺絲時需要足夠的操作空間(見圖5)；外置法蘭連接組裝時更加便捷，但插樁阻力大，容易對法蘭盤造成損傷(見圖6)。模塊化的樁腿組合形式既解決了長樁腿的運(yùn)輸問題，又提高了勘探平臺的適用性及適用范圍。

圖5 內(nèi)置法蘭樁管連接示意圖Fig.5 Diagram of connection with built-in flange pile pipe

圖6 外置法蘭樁管連接示意圖Fig.6 Diagram of connection with external flange pile pipe

樁靴作為樁腿的一部分，有時可連接在樁腿最下面，使平臺實(shí)現(xiàn)插樁與樁靴兩種站位方式的切換。我院設(shè)計(jì)了獨(dú)特的樁靴結(jié)構(gòu)，樁靴在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加了一個活動壓板的結(jié)構(gòu)。平臺放樁時，活動壓板受到海底的阻力呈封閉狀態(tài)，起到承載作用。平臺收樁時，活動壓板受到海底吸附力呈打開狀態(tài)，減少拔樁阻力(見圖7)，確保了拔樁成功率，拔樁效率提高，樁靴的損壞率大大降低，大大提高了平臺工作效率及適應(yīng)能力。樁靴與樁管實(shí)現(xiàn)法蘭連接。拆掉樁靴，平臺即為插樁式固定平臺，連接上樁靴，平臺變?yōu)闄C(jī)動靈活的可移動平臺，提高了平臺的實(shí)用性。

圖7 樁靴活動壓板呈打開狀態(tài)示意圖Fig.7 Diagram of pile shoe movable pressure plate in an open state

1.3 升降裝置

根據(jù)平臺的規(guī)模及施工要求，平臺配備了兩種升降模式，一種是手拉葫蘆人工升降，另一種是液壓自動升降。

1.3.1 人工升降

人工升降主要是依靠輔助工具手拉葫蘆，在平臺甲板及樁腿頂端預(yù)制連接裝置，將手拉葫蘆與預(yù)制連接裝置進(jìn)行連接，通過人工拉動手拉葫蘆實(shí)現(xiàn)甲板的提升與下落(見圖8)。

圖8 手拉葫蘆提升示意圖Fig.8 Lifting with manual hoist

1.3.2 自動升降

自動升降需根據(jù)平臺規(guī)模及性能要求，設(shè)計(jì)相符的液壓自動升降裝置。升降裝置由控制臺、液壓站及升降桶三部分組成，三者由電纜、油管連接，為獨(dú)立個體。液壓站主要由油箱、液壓閥塊、電動機(jī)等組成；升降桶主要由外框架、移動梁、固定梁組成。通過控制臺發(fā)出指令，由液壓站提供動力，控制升降桶內(nèi)的移動梁與固定梁進(jìn)行動作，實(shí)現(xiàn)平臺的提升與下放(見圖9)。

1.4 拼裝式淺?？碧狡脚_適應(yīng)性

圖9自動升降裝置示意圖
Fig.9Automatic lifting device

拼裝式淺海地質(zhì)勘探平臺具有建造方便、建造周期短、造價低、運(yùn)輸便捷、安裝高效、移動靈活、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過我院實(shí)施的幾個海上勘探項(xiàng)目已得到了驗(yàn)證。

(1)制造加工場地靈活。傳統(tǒng)意義上的海上施工平臺，往往為一個整體，個體較大。建造過程必須在船塢碼頭等特定場所實(shí)施，否則無法運(yùn)輸。而拼裝式淺海勘探平臺化整為零，整體由若干模塊拼裝組合而成。構(gòu)件規(guī)模可控，普通機(jī)加工車間即可完成加工任務(wù)。

(2)運(yùn)輸。所有組成勘探平臺的獨(dú)立模塊，均滿足公路運(yùn)輸要求。通過公路，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的運(yùn)輸，高效便捷，機(jī)動靈活。

(3)適應(yīng)能力。目前，淺海海域的工程勘察、礦產(chǎn)資源勘探、科學(xué)調(diào)查等勘探項(xiàng)目，周期短，投入少，對項(xiàng)目進(jìn)行一對一的配置海上勘探平臺并不現(xiàn)實(shí)。通常，投入一個勘探平臺要最大化的發(fā)揮其價值，多做項(xiàng)目，重復(fù)利用。拼裝式淺?？碧狡脚_對于不同的項(xiàng)目具備很強(qiáng)的適應(yīng)能力。其模塊拼接組合的甲板面積可變，法蘭連接的樁腿長度可調(diào)，可通過調(diào)整平臺大小應(yīng)用于不同規(guī)模的海上勘察項(xiàng)目，還可實(shí)現(xiàn)插樁固定與樁靴站位兩種模式的互換，提升勘探效果與精度。

(4)后期存放維護(hù)。拼裝式淺?？碧狡脚_的存放及維護(hù)保養(yǎng)，簡單易操作。平臺施工完畢后，可直接拆分上岸，通過公路運(yùn)輸至指定機(jī)加工車間進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，不需要進(jìn)船塢或租用碼頭等大型專業(yè)場所。維護(hù)保養(yǎng)完畢后，模塊之間層疊堆放，占地少，存放管理成本低(見圖10)。

圖10 平臺模塊疊放Fig.10 Stacked platform modules

2 加工與安裝

2.1 加工

為了保證加工質(zhì)量及精度，加工前應(yīng)制定嚴(yán)密的工藝流程，并對各工序進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.1.1 原材料預(yù)處理

建造平臺的原材料主要是型材、板材及鋼管。依照圖紙將原材料進(jìn)行切割預(yù)處理，較厚板材為了保證焊接時能夠完全熔透，需對材料進(jìn)行打坡口處理，坡口角度及尺寸需嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)要求。所有焊接面均需打磨除銹及氧化層，保證焊接效果。

2.1.2 焊接

以圖紙中的技術(shù)要求為依據(jù)，結(jié)合具體情況選用合理焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，不允許超大電流焊接。焊縫寬度、焊接速度等嚴(yán)格按照工藝及技術(shù)要求執(zhí)行。多層焊時，前一層焊道表面必須進(jìn)行清理，檢查、修整，如發(fā)現(xiàn)有影響焊接質(zhì)量的缺陷，必須修整清除后再焊。焊接結(jié)束，焊工應(yīng)清理焊道表面的熔渣飛濺物，檢查焊縫外形尺寸及外觀質(zhì)量。按照規(guī)定需要敲鋼印的部位打上焊工鋼印。焊縫缺陷超標(biāo)必須返修，返修次數(shù)不得超過兩次。焊縫出現(xiàn)裂紋時，焊工不得擅自處理，應(yīng)及時報告技術(shù)人員，查清原因，訂出修補(bǔ)措施方可處理。對于箱體模塊等封閉型結(jié)構(gòu)，多焊縫、長焊縫的構(gòu)件，焊后應(yīng)進(jìn)行錘擊、振動等方法消除殘余應(yīng)力。

焊接是平臺建造過程中的最重要環(huán)節(jié)，各模塊加工過程流水作業(yè)，批量生產(chǎn)，大大縮短了建造周期，提升了建造效率(見圖11)[3-4]。

2.1.3 檢測

加工過程中為了確保焊接質(zhì)量，所有焊縫均需進(jìn)行外觀檢測，并進(jìn)行超聲波探傷抽檢，受力集中、核心部位等重要模塊焊縫全部進(jìn)行超聲波探傷(見圖12)。箱體及有密閉空間的模塊均需進(jìn)行氣密測試，保證箱體結(jié)構(gòu)的密封性，所施加的空氣試驗(yàn)壓力為0.015 MPa[9]。

圖11 甲板、樁管批量生產(chǎn)Fig.11 Batch production of decks and pile pipes

圖12 對法蘭進(jìn)行超聲波探傷Fig.12 Flange flaw detection by ultrasound

2.1.4 防腐處理

防腐處理是平臺建造的必要環(huán)節(jié)，能夠有效地保證海上鉆探平臺的使用壽命。根據(jù)不同的使用周期及強(qiáng)度，制定有針對性的防腐方案，以達(dá)到最佳的防腐效果。防腐處理時首先對所有模塊結(jié)構(gòu)徹底打磨除銹，再依次進(jìn)行底漆與面漆的涂裝。事實(shí)證明兩度底漆兩度面漆的涂裝能更好的提升構(gòu)件與底漆、底漆與面漆的附著力，而且漆膜厚度增加，強(qiáng)度也相對提高，防腐效果較好。

2.2 安裝

平臺的安裝分為：甲板組裝、下水、海上拖航、定位、插樁、起升等六個環(huán)節(jié)。

(1)甲板組裝。按照既定順序及方法將組成甲板的模塊在碼頭完成組裝。

(2)下水。主要指甲板入水，根據(jù)甲板的規(guī)模和重量，可選擇吊車直接吊放入水、氣囊入水等手段。桁架式鋼結(jié)構(gòu)的甲板沒有自浮能力，所以要在水中預(yù)制浮體，甲板入水時直接將甲板放在浮體上。

(3)海上拖航。平臺下水后需要通過海上拖航到達(dá)施工海域，將平臺(浮體)與牽引船首尾相連進(jìn)行拖航即可。為了確保拖航期間的安全，牽引船與平臺之間要有安全繩等安全防范措施，同時根據(jù)不同的拖航環(huán)境制定不同的拖航方案。在內(nèi)河航道、船只較密集海域運(yùn)行時，為避免平臺隨水流漂移發(fā)生碰撞事故，采取平臺與牽引船相鄰連接的方式進(jìn)行拖航(見圖13)；在開闊海域拖行時，為加快海上拖航航速，提高拖航效率，平臺與牽引船之間采取首尾相連的形式進(jìn)行海上拖航(見圖14)。

圖13 相鄰連接拖航 Fig.13 Adjacent connection towing

圖14 首尾相連拖航Fig.14 Head-to-tail towing

(4)定位。平臺由牽引船拖航至施工孔位后，通過牽引船上的定位系統(tǒng)進(jìn)行初步定位并錨泊。測量人員攜帶精準(zhǔn)定位設(shè)備于平臺甲板面上進(jìn)行精準(zhǔn)定位，由牽引船收放錨繩帶動平臺進(jìn)行位置校準(zhǔn)，直至鉆探平臺上鉆孔位置與設(shè)計(jì)孔位坐標(biāo)重合。

(5)插樁。由吊機(jī)攜帶打樁設(shè)備將樁腿通過甲板上的預(yù)導(dǎo)孔依次插放到位。

(6)起升。平臺起升方式根據(jù)平臺所配備的升降裝置進(jìn)行操作。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

我院采用拼裝式淺海勘探平臺先后成功實(shí)施了山東萊州三山島北部海域金礦勘探項(xiàng)目、中國東部海區(qū)科學(xué)鉆探工程CSDP-02井項(xiàng)目、福建省福清海壇海峽海上風(fēng)電場勘察等海上施工項(xiàng)目，通過實(shí)際應(yīng)用，平臺有較強(qiáng)的實(shí)用性。

3.1 山東萊州三山島北部海域金礦勘探項(xiàng)目

山東萊州三山島北部海域金礦勘探項(xiàng)目是現(xiàn)今全國最大的海上地質(zhì)勘探找礦項(xiàng)目，合同額達(dá)2.4億元。該項(xiàng)目累計(jì)完成主要鉆探工作量150971.34 m/138孔，其中采用拼裝式勘探平臺的鉆探孔70個，鉆探最大孔深達(dá)到1973.46 m。我院僅用半年時間為項(xiàng)目建造拼裝式淺海勘探平臺38套，同時在該海域進(jìn)行施工(見圖15)[1]。

圖15 簡易拼裝式海上勘探平臺施工現(xiàn)場Fig.15 Construction site of simple modular offshore drilling platform

3.2 中國東部海區(qū)科學(xué)鉆探工程

“中國東部海區(qū)科學(xué)鉆探工程施工” CSDP-02井的鉆探施工，是大陸架科學(xué)鉆探項(xiàng)目的重要組成部分，設(shè)計(jì)深度為2000 m，全孔取心，合同額3000萬元。此井位于南黃海廢黃河口外海域，距離海岸線最近約100 km，位于連云港以東約170 km、射陽河口東北約110 km位置，目標(biāo)海域水深19～21 m。我院結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需要，設(shè)計(jì)制造了一款拼裝式淺海鉆探平臺即“探海1號”大陸架科學(xué)鉆探平臺[5-7]。其主要技術(shù)參數(shù)以下：

總長：36 m

型寬:20 m

型深:1.5 m

樁腿數(shù)：6個

樁腿直徑：1.02 m(內(nèi)置加強(qiáng)筋板)

樁腿長度：58.5 m

樁腿類型：圓筒形樁腿

自重：720 t

“探海1號”淺海勘探平臺，由30輛17 m托盤車運(yùn)抵江蘇連云港燕尾港(見圖16)，用3 d時間完成了碼頭組裝，平臺下水后，將平臺拖航至施工海域，僅1 d就將平臺安裝起升完畢。模塊組合的平臺結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大噸位平臺點(diǎn)對點(diǎn)的公路運(yùn)輸與海上拖航相結(jié)合的路海運(yùn)輸模式[8-11]。

3.3 福建省福清海壇海峽海上風(fēng)電場勘察

福建省福清海壇海峽海上風(fēng)電場地處福建省福清市龍高半島東北側(cè)，位于海壇海峽中北部，水深4～6 m。工程區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候，具有明顯的季風(fēng)特點(diǎn)，平均風(fēng)速和極端風(fēng)速大，海洋水動力強(qiáng)(潮位高、潮差大和波浪大)，水深最深時可達(dá)17 m。擬建工程區(qū)北鄰三營水道，東鄰四嶼水道，區(qū)內(nèi)多為淺海養(yǎng)殖區(qū)，水情復(fù)雜，對勘探工作十分不利?？辈旃こ淘O(shè)計(jì)孔深均在40～50 m，勘探窗口期短，所以平臺需具備穩(wěn)定性好、移孔效率高的特點(diǎn)。為此設(shè)計(jì)了一款多功能地質(zhì)勘察平臺。

圖16 托盤車運(yùn)輸平臺模塊Fig.16 Platform modules transportation by pallet truck

平臺于2017年4月份完成福建福清海壇海峽海上風(fēng)電工程2個風(fēng)電樁基6個鉆孔的鉆探取樣工作。施工期間由于施工海域大風(fēng)天氣頻繁，適合施工的天氣窗口期非常短，設(shè)計(jì)獨(dú)特的樁靴提升了平臺移動靈活度，平臺完成一次升降移動孔位僅需4 h，為海上鉆探施工爭取了寶貴的時間(見圖17)[12-14]。

圖17 多功能地質(zhì)勘察平臺施工現(xiàn)場Fig.17 Construction site of multifunctional geological survey platform

4 結(jié)語

拼裝式淺?？碧狡脚_，通過實(shí)際應(yīng)用，證實(shí)了其實(shí)用性，但適用水深及施工能力還有一定的局限性。如果進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，還需繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高裝備綜合性能[15]。

目前，海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略不斷深入推進(jìn)，藍(lán)色經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，淺海海域綜合地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)資源勘探等相關(guān)工作正在深入開展，沿?；A(chǔ)建設(shè)、海上風(fēng)電、跨海隧道等大型海上工程建設(shè)項(xiàng)目陸續(xù)啟動實(shí)施，對海上勘探裝備的需求與日俱增。拼裝式淺?？碧狡脚_作為海上施工的一個載體，一定會以其獨(dú)特的模塊化拼裝組合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，及在平臺建造、運(yùn)輸維護(hù)成本、實(shí)用性、適應(yīng)能力等方面的特點(diǎn)，在海上大型工程建設(shè)、地質(zhì)調(diào)查中發(fā)揮重要作用。