新型自升沉墊式平臺(tái)沉墊吸附力消除系統(tǒng)

趙 駿，巫科韌，于富強(qiáng)

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

自升式海洋平臺(tái)是一種廣泛應(yīng)用在海洋石油開發(fā)、風(fēng)電安裝、海洋牧場(chǎng)等領(lǐng)域的平臺(tái)。目前市場(chǎng)主流的自升式平臺(tái)是樁靴型自升式平臺(tái)。對(duì)于樁靴型平臺(tái)拔樁時(shí)使用的沖樁系統(tǒng)，很多設(shè)計(jì)工作者都做了很多細(xì)致深入的研究。對(duì)帶沉墊的自升式平臺(tái)，由于沉墊與海床接觸面積大，如何破壞其巨大的吸附力，國(guó)內(nèi)可查閱的案例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多。本文介紹一種新型的沉墊自升式平臺(tái)消除吸附力的設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用在實(shí)際項(xiàng)目中。

1 系統(tǒng)原理分析

樁靴式自升式平臺(tái)在拔樁過(guò)程中主要需要克服樁靴底部海床黏土的吸附力和泥土阻力。為了克服海床土壤對(duì)樁靴的作用力，自升式平臺(tái)都配備沖樁系統(tǒng)，在拔樁過(guò)程中，船體降至一定水位，這樣浮力通過(guò)抬升機(jī)構(gòu)傳導(dǎo)至樁靴，使樁靴有一個(gè)向上的拔樁力，很多時(shí)候由于地質(zhì)和插樁時(shí)間長(zhǎng)等原因，船體向上的浮力不足以使樁靴脫離海床，需要沖樁系統(tǒng)使樁靴和泥面存在水壓，破壞吸附力和沖洗覆蓋在樁靴上部的泥土重力。這樣通過(guò)沖樁系統(tǒng)對(duì)泥土作用力的破壞，能夠方便、快速地完成拔樁。然而，當(dāng)遇到較軟的海床時(shí)，仍然可能會(huì)因?yàn)椴鍢渡疃冗^(guò)深導(dǎo)致拔樁困難。中國(guó)海工史上比較有名的事件是“勝利六”號(hào)鉆井平臺(tái)在渤海灣作業(yè)區(qū)滯留 2年之后想要離開時(shí)無(wú)法拔樁，最后耗時(shí)62 d才得以拔出樁腿離開作業(yè)地點(diǎn)。

為避免此類事件再次發(fā)生，沉淀式自升平臺(tái)的概念被越來(lái)越多的用戶認(rèn)可。對(duì)于沉墊自升式平臺(tái)，沉墊的主要作用是支撐上部結(jié)構(gòu)，并把樁腿集中負(fù)荷分布到海底的土壤上。由于沉墊的底部面積和整個(gè)體積很大，沉墊底部受海底的支撐反力和浮力，另外加上沉墊平臺(tái)的局限性，沉墊頂部在設(shè)計(jì)考慮時(shí)不會(huì)陷入海床，因此相較于樁靴式平臺(tái)省去了拔樁的步驟（圖1）。但由于坐于海底，存在沉墊與海底淤泥吸附力的問(wèn)題。淤泥吸附力是沉墊平臺(tái)坐底后由于平臺(tái)自身重量、海水壓力等作用下使淤泥表面受壓形成一層很薄的水膜，即薄膜水，使得垂直方向不能傳遞壓力，不再符合帕斯卡定律，浮力消失。吸附力與浮力方向相反，吸附力的大小與土壤特性、受壓載荷、時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)。坐底式平臺(tái)如果需要拔樁移位，克服吸附力作用，平臺(tái)自身需要儲(chǔ)備一定的浮力，還需要在平臺(tái)起浮時(shí)利用高壓沖樁系統(tǒng)破壞沉墊底部的這層土壤和水膜，使其與外界海水相通，從而克服吸附力。

圖1 自升沉墊式海上平臺(tái)

2 傳統(tǒng)樁靴式?jīng)_樁系統(tǒng)管系設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的樁靴式平臺(tái)回收樁靴需要抬升系統(tǒng)和沖樁系統(tǒng)配合進(jìn)行，沖樁系統(tǒng)一般分為高壓沖樁和低壓沖樁2套系統(tǒng)。樁靴深陷海床后會(huì)因海水的流動(dòng)導(dǎo)致樁靴的上表面被黏土覆蓋。一般設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在樁靴的上表面和下表面各均勻地環(huán)形布置一圈噴嘴，拔樁前利用高壓沖樁系統(tǒng)將樁靴上表面的淤泥清除，此時(shí)不需要大流量，但壓力要求比較高，樁靴與底部與泥面產(chǎn)生很大的吸附力，利用沖樁系統(tǒng)在樁靴和泥面形成非真空層，破除吸附力，對(duì)于破除沖除樁靴與海床的吸附力不需要特別高的壓力。正式拔樁時(shí)，一般以抬升系統(tǒng)向上的拔樁力為主，沖樁系統(tǒng)為輔，將樁腿緩緩從淤泥中拔出。

目前鉆井平臺(tái)高壓沖樁系統(tǒng)主要使用高壓泥漿泵做為動(dòng)力源，壓力可達(dá)到6.9 MPa～13.8 MPa。低壓主要使用消防系統(tǒng)或者海水系統(tǒng)，壓力可達(dá)到0.4 MPa～1.0 MPa。風(fēng)電安裝平臺(tái)主要使用高壓離心泵，壓力可達(dá)2.0 MPa～6.0 MPa。一些平臺(tái)使用壓縮空氣結(jié)合高壓水的方案，但是要取決于空壓機(jī)的排量和壓力。這些沖樁動(dòng)力裝置一般放置在船體某個(gè)艙室內(nèi)，通過(guò)吸入管將海水引入動(dòng)力裝置，通過(guò)軟管和樁腿上的某個(gè)接頭連接，以確保在不同作業(yè)水深的情況下都有條件沖樁。

3 沉墊式平臺(tái)的沉墊回收方案

本案例為沉墊式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)，它與普通插樁式平臺(tái)的主要有2個(gè)不同點(diǎn)：

1）普通插樁式平臺(tái)每個(gè)樁腿下部連接1個(gè)樁靴，樁靴插入海床支撐平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)，而本案例中支撐平臺(tái)的是一個(gè)底板長(zhǎng)50 m、寬48 m，上甲板長(zhǎng)75 m、寬48 m的巨大沉墊，與海床是面和面接觸，吸附力大大增加。

2）4個(gè)樁腿和沉墊之間有4個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)，并非剛性固定連接，4個(gè)樁腿會(huì)根據(jù)各自區(qū)域海床土質(zhì)的松軟程度調(diào)整位置。

因此，想要將傳統(tǒng)的固定在樁腿上的沖樁系統(tǒng)沿用到本案例中是不可能的。針對(duì)以上問(wèn)題，提出如下解決思路：

首先，由于沉墊與海床的接觸面積十分大，為了保證沖樁時(shí)盡可能有效地脫離海床，不能如同傳統(tǒng)沖樁系統(tǒng)一樣在底面設(shè)置環(huán)狀分布的噴嘴，而是需要在沉墊底部均勻布置噴嘴。因此，本案例中以陣列分布的形式在沉墊底面布置了140個(gè)噴嘴，噴嘴之間橫向距離約為3 m，縱向距離約5 m～7 m，均勻布置在下表面。這些噴嘴又按照左舷艏部、左舷艉部、右舷艏部、右舷艉部劃分為 4個(gè)區(qū)域，4個(gè)區(qū)域分別有各自的遙控隔斷閥，管路又將4個(gè)區(qū)域的沖樁管系進(jìn)行串聯(lián)。沖樁動(dòng)力源來(lái)自4臺(tái)200 m/h@2.0 MPa高壓沖樁泵。

其次，對(duì)于管系中的遙控閥門，由于系統(tǒng)處于密閉空間，且沉墊長(zhǎng)期處于水下，在對(duì)比了市場(chǎng)上幾種主流的遙控閥后，采用可浸沒(méi)并相對(duì)安全可靠的電液驅(qū)動(dòng)遙控閥。對(duì)于閥門驅(qū)動(dòng)頭的供電，由于沉墊和樁腿間為非剛性連接，且沉墊與主船體之間相對(duì)移動(dòng)，考慮安全且可靠的操作，因此閥門遙控系統(tǒng)采用ringbus布線方式，即主船體提供2根復(fù)合電纜供給沉墊內(nèi)閥門遙控系統(tǒng)，傳感器的信號(hào)線接至附近遙控閥的本地電氣控制箱的LPU，節(jié)省大量電纜和主船體至沉墊的電纜垂送裝置的空間。另外傳感器和閥門設(shè)計(jì)采用互為備用形式，不會(huì)因?yàn)?個(gè)閥門失效或者沉墊艙室進(jìn)水或浸水后導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

最后，由于樁腿和沉墊發(fā)生相對(duì)位移，按照傳統(tǒng)方法將泵布置在機(jī)艙內(nèi)，再將水用硬管經(jīng)過(guò)樁腿、沉墊送至噴嘴的方法是不行的。為了解決這一問(wèn)題，采用潛水沖樁泵的形式，根據(jù)噴嘴的分組將4臺(tái)潛水泵布置在沉墊上表面的4個(gè)樁腿附近，每臺(tái)潛水泵負(fù)責(zé)各自區(qū)域的噴嘴，保證沖樁時(shí)每個(gè)區(qū)域的噴嘴都有足夠的水源和壓力。在回收沉墊前，只要打開潛水泵使沉墊底部與海床分離后便可輕松回收沉墊。實(shí)際操作中若有特殊情況，比如當(dāng)遇到某一塊局部海床的淤泥難以清除時(shí)，可以集中所有泵對(duì) 1個(gè)區(qū)域進(jìn)行清除，或者當(dāng)4臺(tái)泵中的某1臺(tái)產(chǎn)生故障時(shí)，其余正常工作的泵可以對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)位。不至于存在1臺(tái)泵失效導(dǎo)致1個(gè)區(qū)域不能工作的情況。

沉墊沖樁管布置示意圖見圖2。

圖2 沉墊沖樁管布置示意圖

4 沉墊式平臺(tái)與樁靴式平臺(tái)回收方案對(duì)比

本案例的吸附力消除系統(tǒng)其實(shí)從形式和作用來(lái)看與傳統(tǒng)的沖樁系統(tǒng)類似。但傳統(tǒng)沖樁系統(tǒng)主船體與樁腿沖樁管之間的連接是長(zhǎng)期困擾用戶的一個(gè)問(wèn)題，由于更換不同地點(diǎn)時(shí)樁腿要完成下放、回收動(dòng)作，樁腿和主船體之間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。這就意味著主船體和樁腿之間必須用高壓軟管來(lái)進(jìn)行連接，同時(shí)，樁腿上還需要開設(shè)多個(gè)軟管接口以適應(yīng)不同

相比而言，本案例沒(méi)有軟管連接，因此不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)沖樁系統(tǒng)存在的問(wèn)題。如果需要使用沖樁系統(tǒng)，直接打開相關(guān)閥門，啟動(dòng)潛水泵即可，節(jié)約物資成本，也減輕了船員的體力勞動(dòng)，同時(shí)在拔樁準(zhǔn)備工序中節(jié)省了時(shí)間成本，可提高工效2倍～3倍。

5 結(jié)論

本案例與其他平臺(tái)最大的不同在于采用上船體加沉墊的形式，且沉墊帶有鎖緊機(jī)構(gòu)，并非與樁腿固定連接。在無(wú)法借鑒以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的情況下，本案例將沖樁泵以潛水泵形式布置在沉墊的上表面?？朔景咐嬖诘睦щy，同時(shí)又解決傳統(tǒng)沖樁系統(tǒng)一直存在的系統(tǒng)操作繁瑣、制造工藝費(fèi)時(shí)費(fèi)料、系統(tǒng)管線復(fù)雜等頑疾。在系統(tǒng)的控制方面，閥門遙控系統(tǒng)采用電液驅(qū)動(dòng)的ringbus控制方式，節(jié)省大量電的作業(yè)水深。于是每次拔樁前需要船員先連接好軟管才能開始進(jìn)行作業(yè)，拆卸和安裝軟管費(fèi)時(shí)費(fèi)力（圖3）。為解決這個(gè)問(wèn)題，一些項(xiàng)目的用戶甚至提出采購(gòu)與樁腿長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)能浌軓臉锻软敳拷尤霙_樁管系，再配卷盤用于收放軟管以適應(yīng)不同的作業(yè)水深（圖4）。這個(gè)方案雖然省去了在樁腿上開軟管接口和軟管裝卸工作，但是最終這個(gè)項(xiàng)目的沖樁系統(tǒng)較以往多出了幾倍的總成本。纜并提高了系統(tǒng)的安全可靠性。本案例的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)今后類似項(xiàng)目提供新的思路。

圖3 傳統(tǒng)沖樁系統(tǒng)示意圖

圖4 樁腿頂部接入沖樁管系方案