海上自升式平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)探討

王 鵬，高連燁，穆勝軍

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

0 引 言

隨著海洋石油勘探開發(fā)逐漸向深海海域發(fā)展，坐底式平臺(tái)已無(wú)法滿足上述要求，自升式平臺(tái)便隨之發(fā)展起來(lái)。自升式平臺(tái)的樁腿可以垂直升降，作業(yè)時(shí)提升系統(tǒng)下放樁腿著地，平臺(tái)沿樁腿升至海面上一定高度；移位時(shí)平臺(tái)通過(guò)提升系統(tǒng)降到水面，樁腿升起，平臺(tái)像駁船，可以拖航至新的作業(yè)地點(diǎn)[1-2]。

自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)現(xiàn)在也已經(jīng)由適用于淺水海域作業(yè)逐漸向適用于深水海域作業(yè)發(fā)展[3]，即使對(duì)于淺海海域作業(yè)的自升式平臺(tái)的作業(yè)功能要求不同，平臺(tái)的設(shè)計(jì)也有新的要求，以前的自升式平臺(tái)主要是簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜和能夠滿足基本的功能要求即可，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變成作業(yè)方便、高效、舒適的高端要求[4]。隨著對(duì)作業(yè)效率的要求提高，提升系統(tǒng)也呈現(xiàn)趨于選擇提升效率更高的齒輪齒條升降系統(tǒng)[5]。

不同的作業(yè)水深和不同的功能設(shè)計(jì)需求不僅決定著自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，更重要的是對(duì)自升式平臺(tái)樁腿的設(shè)計(jì)有著很大的影響。樁腿是自升式平臺(tái)的承載結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能起到重要的作用。本文探討了影響樁腿設(shè)計(jì)的主要因素，主要的兩種樁腿結(jié)構(gòu)形式——圓柱樁腿和桁架式樁腿對(duì)自升式平臺(tái)發(fā)揮的重要作用，不同的樁腿數(shù)量對(duì)平臺(tái)是否有影響，對(duì)自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)尤其是樁腿的設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。

1 自升式平臺(tái)的類型及其特點(diǎn)

自升式平臺(tái)的類型有很多，可以分別按照平臺(tái)的用途、提升系統(tǒng)的型式、樁腿下端與土壤的接觸型式以及樁腿的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分類[5]。

1.1 平臺(tái)的用途

自升式平臺(tái)的用途很廣，目前常用的有自升式鉆井平臺(tái)、采油平臺(tái)、修井平臺(tái)、生活平臺(tái)、施工作業(yè)平臺(tái)等。

1.2 提升系統(tǒng)的型式

可以分為液壓升降系統(tǒng)和齒輪齒條式提升系統(tǒng)。齒輪齒條提升系統(tǒng)的效率要高于液壓插銷式提升系統(tǒng)。對(duì)于需要頻繁升降的自升式平臺(tái)，齒輪齒條升降系統(tǒng)更為合適。

1.3 樁腿下部和土壤的接觸方式

樁腿下部不帶沉墊的插樁式自升式平臺(tái)，樁腿直接插入海底，用樁腿支撐整個(gè)平臺(tái)，站位作業(yè)，主要適用于海底土壤較好的海域。

樁腿下部帶整個(gè)沉墊的自升式平臺(tái)，沉墊能有效傳遞來(lái)自樁腿的載荷，用沉墊和平臺(tái)的重量保證平臺(tái)的抗傾和抗滑穩(wěn)性，適用于海底土壤承載力較差的海域。

樁腿下部帶獨(dú)立的樁靴的平臺(tái)，可以減少插樁深度，現(xiàn)在多數(shù)平臺(tái)是此設(shè)計(jì)。

1.4 樁腿結(jié)構(gòu)型式

圓柱式樁腿自升式平臺(tái)，其樁腿截面一般為圓形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性大，一般適用于60 m水深以內(nèi)的淺水海域。如工作水深再增大，殼體樁腿的波浪載荷將隨著樁腿尺度增加而劇增，樁腿重量也會(huì)增加，所以對(duì)于深水平臺(tái)用殼體式樁腿不夠經(jīng)濟(jì)。

桁架式樁腿自升式平臺(tái)。樁腿截面一般為三角形，主要是由弦桿、撐桿和內(nèi)撐桿組成，一般3個(gè)弦桿上帶有齒條，與齒輪齒條升降系統(tǒng)配合。桁架式結(jié)構(gòu)樁腿上的波浪載荷和海流載荷相比同尺寸的殼體樁腿要小，因此桁架式樁腿常用于深水海域。

2 自升式平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)

自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成主要由樁腿(包括沉墊或者樁靴)、船體和固樁架等結(jié)構(gòu)組成。船體主要是提供作業(yè)和生活場(chǎng)地，并在拖航時(shí)提供浮力及保證拖航穩(wěn)定性；樁腿是升降并支持整個(gè)平臺(tái)海上作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)施；固樁架是把樁腿和船體固定在一起，形成一個(gè)整體，將船體的載荷傳遞給樁腿，樁腿再通過(guò)樁靴(或沉墊)傳遞給海底地基[6]。

樁腿是自升式平臺(tái)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其設(shè)計(jì)主要包括樁腿數(shù)量的確定和樁腿結(jié)構(gòu)型式的確定，樁腿的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)因素影響。

2.1 設(shè)計(jì)水深

通常情況下平臺(tái)的工作水深越深，波浪載荷越大，當(dāng)水深增大時(shí)，樁腿長(zhǎng)度、尺寸和重量都會(huì)迅速增加。桁架式樁腿較圓柱式樁腿受的波浪載荷小，重量輕，深水作業(yè)一般選擇桁架式樁腿，水深小于60 m宜選擇圓柱樁腿[7]。

2.2 提升系統(tǒng)

自升式平臺(tái)的提升系統(tǒng)主要有齒輪齒條提升系統(tǒng)和液壓升降提升系統(tǒng)。液壓插銷提升系統(tǒng)一般采用圓柱樁腿，齒輪齒條提升系統(tǒng)多采用桁架式樁腿，國(guó)內(nèi)的自升式平臺(tái)也有齒輪齒條提升系統(tǒng)采用樁腿截面為圓形加齒條的圓柱樁腿的型式[8]。

2.3 作業(yè)要求

自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)根據(jù)作業(yè)要求，比如鉆井作業(yè)、生活支持作業(yè)、生產(chǎn)支持作業(yè)等，其布置會(huì)有不同，對(duì)平臺(tái)主船體的尺寸要求也不一樣。在相同樁腿間距的情況下，四樁腿自升式平臺(tái)的甲板面積要大于三樁腿。

2.4 樁腿加工制造成本

對(duì)于加工制造，圓柱型樁腿的加工制造較桁架式樁腿要簡(jiǎn)單些，加工成本也會(huì)降低。

綜上，樁腿的設(shè)計(jì)是受多方面因素影響的，對(duì)于深水自升式平臺(tái)，由于波浪載荷變大，多采用波浪載荷小的桁架式樁腿結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮能夠使得自升式平臺(tái)取得穩(wěn)定支撐的三樁桁架式樁腿的自升式平臺(tái)。對(duì)于淺水海域，波浪載荷小，圓柱樁腿是非常經(jīng)濟(jì)合適的。四樁腿的自升式平臺(tái)的主船體呈矩形，可以提供更大的甲板面積，相比三樁腿的自升式平臺(tái)還可以采用對(duì)角預(yù)壓的方式進(jìn)行預(yù)壓，不需要壓載水。

3 自升式平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)實(shí)例比較

從上面的分析中可以知道，自升式平臺(tái)樁腿的設(shè)計(jì)和許多因素有關(guān)系，深水作業(yè)的自升式平臺(tái)的樁腿基本上都是桁架式樁腿，也就是自升式平臺(tái)配有齒輪齒條提升系統(tǒng)[9]；對(duì)于淺水區(qū)，水深小于60 m的自升式平臺(tái)的樁腿一般是選擇圓柱樁腿的設(shè)計(jì)。但是從平臺(tái)的整個(gè)生命周期和不同的建造預(yù)算方面考慮，也會(huì)影響樁腿的設(shè)計(jì)。

下面對(duì)一淺海作業(yè)平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較分析[10-13]?；谝恢碌年P(guān)鍵技術(shù)輸入，比如凈甲板面積、甲板載荷、住艙人數(shù)等，分別就三樁腿、四樁腿、液壓提升系統(tǒng)和齒輪齒條提升系統(tǒng)的自升式平臺(tái)進(jìn)行比較分析。

在甲板凈面積一致的前提下，為了獲得相同的凈甲板面積，三樁腿平臺(tái)的主尺度要大于四樁腿的平臺(tái)。甲板面積三樁腿和四樁腿是相當(dāng)?shù)?。因此，三樁腿自升式平臺(tái)和四樁腿自升式平臺(tái)主船體的差異不大，但是提升系統(tǒng)和樁腿截面的不同，對(duì)樁腿的重量會(huì)造成很大差別。樁腿尺寸及重量情況對(duì)比如表1所示。

表1 樁腿尺寸及重量對(duì)比Tab.1 Leg size and weight comparison

重量對(duì)比結(jié)果是：三樁腿約為四樁腿的80%，插銷提升系統(tǒng)的樁腿約為齒輪齒條提升系統(tǒng)的85%。

對(duì)三樁腿和四樁腿的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of structural performance parameters

結(jié)構(gòu)性能對(duì)比結(jié)果：四樁腿的結(jié)構(gòu)剛度更好；四樁腿的抗傾覆穩(wěn)定性更好；四樁腿的作業(yè)安全性更好。

綜上，三樁腿方案的結(jié)構(gòu)重量低于四樁腿方案，液壓插銷式提升系統(tǒng)的方案平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量要低于齒輪齒條提升系統(tǒng)的方案，四樁腿方案結(jié)構(gòu)總體性能優(yōu)于三樁腿方案。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)自升式平臺(tái)的類型和組成進(jìn)行闡述，以設(shè)計(jì)實(shí)例方式介紹了自升式平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)，提出對(duì)平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)幾個(gè)重要的影響因素：根據(jù)作業(yè)水深和提升系統(tǒng)的型式確定樁腿的結(jié)構(gòu)型式；對(duì)于淺水海域的自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)，三樁腿的結(jié)構(gòu)重量要小于四樁腿的結(jié)構(gòu)重量，而且液壓插銷提升系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)重量要低于齒輪齒條方案，因此三樁腿的液壓插銷式平臺(tái)更經(jīng)濟(jì)；對(duì)于淺水海域的自升式平臺(tái)，四樁腿的平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能要優(yōu)于三樁腿的自升式平臺(tái)?！?/p>