自升式平臺碼頭升降試驗(yàn)安全性分析

于衛(wèi)紅,卓佐泳,吳春美,賈 濤,宮經(jīng)海

1.太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心,天津 300457

2.國家管網(wǎng)集團(tuán)天津天然氣管道有限責(zé)任公司,天津 300457

自升式平臺的樁腿樁靴可以插入海底，具有作業(yè)穩(wěn)定性高、對環(huán)境條件不敏感、海上有效作業(yè)窗口期較長等優(yōu)點(diǎn)。隨著海上油氣開發(fā)及海上風(fēng)電的不斷發(fā)展，自升式平臺作為海上油氣及海上風(fēng)電開發(fā)的重要裝備得到了廣泛應(yīng)用[1]。

自升式平臺主要由主船體、樁腿樁靴及升降系統(tǒng)等組成，其中升降系統(tǒng)是自升式平臺最關(guān)鍵的部分，直接決定著自升式平臺的使用性能。在自升式平臺處于或接近完工狀態(tài)時(shí)需進(jìn)行升降試驗(yàn)，升降試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)自升式平臺已安裝好的升降系統(tǒng)（升降裝置和升降基礎(chǔ)）的操作性能和樁腿結(jié)構(gòu)的尺寸公差控制精度、安裝狀態(tài)等，以保證平臺的操作安全可靠。通過試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)安裝正確、安全裝置可以正常使用、系統(tǒng)功能正常。

升降試驗(yàn)是自升式平臺最重要的大型試驗(yàn)之一，面臨試驗(yàn)載荷多變、環(huán)境條件復(fù)雜、海床地質(zhì)條件未全部可知、人員操作影響等諸多不確定性因素，即面臨的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)非常高。為保證升降試驗(yàn)的順利完成，必須對潛在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析研究，提出可靠的安全應(yīng)對措施，以確保升降試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

1 升降試驗(yàn)程序

根據(jù)實(shí)際作業(yè)中存在的正常升降、帶載升降、預(yù)壓載等工況，升降試驗(yàn)主要分為四個階段。

1.1 階段1--最大預(yù)壓載試驗(yàn)

自升式平臺在海上完成插樁升船后，要進(jìn)行預(yù)壓操作。此階段可檢驗(yàn)平臺的最大預(yù)壓載能力，根據(jù)平臺壓載能力可采用單樁預(yù)壓或多樁預(yù)壓方案。試驗(yàn)時(shí)平臺氣隙要大于最大潮高，對平臺進(jìn)行壓載直至樁靴的支反力達(dá)到平臺作業(yè)及自存時(shí)的最大支反力。保持靜止觀察，確保地基穩(wěn)定沒有下陷，完成最大預(yù)壓載試驗(yàn)。

1.2 階段2--壓載升降試驗(yàn)

此階段可檢驗(yàn)在一定的壓載狀態(tài)下升降系統(tǒng)的提升能力。最大預(yù)壓載試驗(yàn)完成后，泄放部分壓載水，重新配載至每個升降齒輪的負(fù)荷達(dá)到齒輪設(shè)定的壓載升降能力。平臺從適當(dāng)?shù)臍庀稜顟B(tài)將船體向上提升約齒輪旋轉(zhuǎn)一周的高度，保持該負(fù)荷約15 min，再下降相同的高度。

1.3 階段3--正常升降試驗(yàn)

此階段可檢驗(yàn)正常工作狀態(tài)升降系統(tǒng)的工作能力，平臺壓載到每個升降齒輪的負(fù)荷達(dá)到齒輪設(shè)定的正常升降能力。平臺從適當(dāng)?shù)臍庀稜顟B(tài)向上提升至平臺最大氣隙，完成正常升降試驗(yàn)。

1.4 階段4--全程升降試驗(yàn)

正常升降試驗(yàn)完成后，泄放壓載水，調(diào)整壓載至升降小齒輪達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)能力，船體的重心應(yīng)位于三個樁腿的形心，保證所有小齒輪受力均勻。準(zhǔn)備進(jìn)行全程升降試驗(yàn)，將主船體升至樁腿最高處合攏焊縫以上，然后下降到約0.5 m的氣隙，完成全程升降試驗(yàn)。全程升降試驗(yàn)在升到最高處時(shí)仍要保證樁腿有一定的余高，便于某樁腿突發(fā)下陷時(shí)對船體進(jìn)行調(diào)平。

2 升降試驗(yàn)安全性分析要點(diǎn)

從目前平臺在升降試驗(yàn)中發(fā)生的事故來看，試驗(yàn)過程中可能存在以下風(fēng)險(xiǎn)。

（1）升降運(yùn)動及振動或地基承載力不足導(dǎo)致某條樁腿突然下沉，造成平臺大幅傾斜（穿刺）。

（2）地層承載力不均勻，各樁腿的入泥深度相差太大，升降同步性較差。

（3）樁腳入泥過深，導(dǎo)致拔樁異常困難。

上述風(fēng)險(xiǎn)都離不開預(yù)壓荷載、對地比壓、地基承載力及插拔樁能力等的確定，如何準(zhǔn)確計(jì)算上述因素、真實(shí)模擬作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境條件是降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的重要手段。

2.1 預(yù)壓荷載

自升式平臺在開始作業(yè)狀態(tài)之前應(yīng)將主船體升離海面并保持與水面較近距離，然后進(jìn)行預(yù)壓載操作。預(yù)壓載的目的是保證平臺能夠抵御極限惡劣的環(huán)境條件，避免造成平臺的傾覆和損壞。

預(yù)壓荷載的準(zhǔn)確計(jì)算對平臺的安全非常重要，結(jié)果偏小會導(dǎo)致入泥深度不足引起樁腿的附加貫入，增加平臺傾覆或損壞風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)果偏大又會導(dǎo)致地基風(fēng)險(xiǎn)增加或入泥過深，拔樁風(fēng)險(xiǎn)增加。預(yù)壓荷載的計(jì)算方法有直接疊加法、準(zhǔn)靜態(tài)法、動力分析法等[2]，本文采用準(zhǔn)靜態(tài)法和動力分析法相結(jié)合的方法確定預(yù)壓荷載，能充分考慮垂向及橫向荷載、平臺側(cè)向位移產(chǎn)生的附加彎矩及環(huán)境荷載產(chǎn)生的動力放大效應(yīng)等。

2.2 地基承載力

對于自升式平臺插樁時(shí)的地基承載力，主要是考慮其樁端阻力[3]。碼頭預(yù)定平臺插樁處地基承載力計(jì)算將依據(jù)SY/T 6707—2016《海洋井場調(diào)查規(guī)范》推薦的承載力公式[4]，即：

式中：Q為地基極限承載力，kN；A為樁靴的最大承載面積，m2；γ1為由樁靴排出土的平均有效重度，kN/m3；V為樁腳排出土的體積，m3；其中qn的計(jì)算方法如下：

（1）對于不排水的黏性土質(zhì)。

式中：Su為樁靴最大截面以下B/2深度內(nèi)的平均不排水抗剪強(qiáng)度，kN/m2；B為樁靴的當(dāng)量直徑，m；D為樁靴最大入泥深度，m。

（2）對于排水粒狀土質(zhì)。

式中：γ為樁靴以下B/2深度范圍內(nèi)土的平均有效重度，kN/m3；Nr、Nq為排水粒狀土的無量綱承載力系數(shù)，據(jù)內(nèi)摩擦角而定；P0為樁靴端部位置的有效上覆土壓力，kN/m2；qmax為qn的限制值。

2.3 穿刺分析

當(dāng)一硬黏土層或粒狀土層之下潛伏著一層軟黏土層時(shí)，上下之間承載力的不同可能會存在樁腳穿刺危險(xiǎn)。對于這種類型的土質(zhì)剖面必須進(jìn)行穿刺分析，通常以合適的穿刺相對安全系數(shù)來評價(jià)穿刺發(fā)生的可能性[5]。

穿刺相對安全系數(shù)：Fs=樁靴所處硬土層的最大極限承載力/單樁最大預(yù)壓荷載。當(dāng)Fs≥1.5時(shí)，此位置是可以適應(yīng)自升式平臺插樁的；當(dāng)Fs＜1.5時(shí)，只要在軟下臥層中計(jì)算出的最小安全系數(shù)Fs′≥1.2，此位置適合自升式平臺插樁。其中Fs′=樁靴所處深度以下軟下臥層的最小極限承載力/單樁最大預(yù)壓荷載。

2.4 拔樁能力評估

自升式平臺的拔樁是依靠平臺本身過量吃水而產(chǎn)生的上浮力起拔，當(dāng)平臺產(chǎn)生的上浮力F大于總抗拔力R時(shí)平臺才能夠拔起，反之，平臺則拔不起。平臺拔樁時(shí)單樁的抗拔力R主要由以下幾方面力組成。

（1）樁腳箱上覆土體的重量P1。

式中：r為插樁深度以上各層土體的浮容重，kN/m3；H為插樁深度以上各層土體的厚度，m；B為樁靴最大截面等效圓直徑，m。

（2）樁腳箱側(cè)面與周圍土體間的摩阻力F1。

式中：L為樁腳箱側(cè)面高度，m；C為樁腳箱側(cè)面高度內(nèi)土體的內(nèi)聚力，kPa。

（3）插樁深度以上各土層土體破壞所需要的剪切力：

式中：C為插樁深度以上各土層內(nèi)聚力，kPa。

3 安全性分析結(jié)果

本文以某一自升式平臺為研究對象，從預(yù)壓荷載、對地比壓、地基承載力、插樁深度、穿刺風(fēng)險(xiǎn)、拔樁能力等方面對其碼頭升降試驗(yàn)的安全性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。

3.1 總體參數(shù)

平臺船體近似為三角形箱型結(jié)構(gòu)，平臺首尾設(shè)有3個三角形桁架式樁腿，樁腿下端帶有樁靴。懸臂梁坐落在平臺尾部主甲板上，安裝在縱向主龍骨艙壁頂部，生活區(qū)呈“V”字形布置于平臺首部，前端布設(shè)了直升機(jī)飛機(jī)坪，如圖1所示。平臺總體技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 自升式平臺立面

表1 自升式平臺總體技術(shù)參數(shù)

預(yù)壓荷載的確定應(yīng)充分考慮風(fēng)暴自存工況和正常作業(yè)工況，選取最危險(xiǎn)工況來計(jì)算預(yù)壓荷載，見表2。

表2 自升式平臺最危險(xiǎn)工況參數(shù)

3.2 預(yù)壓荷載及對地比壓

計(jì)算預(yù)壓荷載時(shí)，僅為核算預(yù)壓荷載及樁靴對地壓力等，而非校核主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此可以合理簡化主船體結(jié)構(gòu)[6]。本文將甲板、底板、舷側(cè)板等等效為梁單元，單元特性應(yīng)能等效反映艙壁、甲板、底板等的剛度，主船體等效梁通常位于型深高度一半位置。分析時(shí)充分考慮了以下荷載：第一，自重、可變荷載；第二，風(fēng)、浪、流荷載；第三，動力放大效應(yīng)（DAF）；第四，P-Delta效應(yīng)等荷載，各荷載的計(jì)算可參考船級社相關(guān)規(guī)范[7-8]。為準(zhǔn)確模擬樁腿剛度，精確計(jì)算P-Delta效應(yīng)等荷載，樁腿采用詳細(xì)模型，并依據(jù)SNAME規(guī)范選取合理的拖曳力系數(shù)[9]；為準(zhǔn)確模擬樁腿與船體間的相互作用，樁架導(dǎo)向處采用限制一個平動自由度的約束，在鎖緊裝置處采用限制一個平動和一個轉(zhuǎn)動自由度的約束，有限元計(jì)算模型如圖2所示。經(jīng)有限元分析計(jì)算，該自升式平臺環(huán)境荷載、樁靴反力、對地比壓等結(jié)果見表3。

圖2 自升式平臺預(yù)壓荷載計(jì)算模型

表3 荷載、樁靴反力及預(yù)壓荷載結(jié)果

本平臺升降試驗(yàn)預(yù)壓荷載為147 925 kN，因升降試驗(yàn)時(shí)甲板可變荷載較小，壓載艙全部壓滿時(shí)樁靴對地比壓約為39.4 t/m2，壓載艙容量無法滿足升降試驗(yàn)預(yù)壓荷載要求，將采取單樁壓載的方式進(jìn)行最大預(yù)壓載試驗(yàn)。圖3給出了不同荷載引起的樁靴支反力，可以看出DAF、P-Delta、風(fēng)和浪流荷載引起的樁靴反力約占總樁靴反力的30%左右，在評估預(yù)壓荷載及樁靴對地比壓時(shí)應(yīng)重視DAF、P-Delta、風(fēng)和浪流等荷載的影響。

圖3 不同荷載引起的樁靴支反力

3.3 地基承載力及插樁深度

當(dāng)自升式平臺在升降試驗(yàn)預(yù)定的位置就位后，樁靴將緩慢插入地基中，當(dāng)?shù)鼗鶚O限承載力小于樁靴壓力時(shí)，樁靴繼續(xù)向下貫入；當(dāng)?shù)鼗鶚O限承載力大于或等于樁靴施加壓力時(shí)，樁靴停止貫入，穩(wěn)定在地層的某一層，此時(shí)平臺樁靴貫入地基的深度為平臺的插樁深度。

為準(zhǔn)確評估升降試驗(yàn)處的地基承載力、插樁深度、穿刺風(fēng)險(xiǎn)等，依據(jù)工程地質(zhì)勘察的地基參數(shù)，采用SY/T 6707—2016推薦的承載力計(jì)算公式，對自升式平臺插樁處的地基承載力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。在升降試驗(yàn)最大對地比壓41.7 t/m2的作用下（不考慮下部軟弱層的影響），樁靴入泥深度約5.9～6.4 m。

圖4 插樁位置單一土層承載力曲線

3.4 穿刺風(fēng)險(xiǎn)評估

圖4中地基力曲線趨于平緩區(qū)域，說明地層較穩(wěn)定，即使樁靴對地壓力增大也不會出現(xiàn)入泥深度的明顯增加；曲線陡峭位置說明地層較軟，當(dāng)樁靴對地壓力達(dá)到其極限壓力時(shí)會出現(xiàn)樁腳突然下沉。

鑒于地質(zhì)勘查鉆孔揭示的淺部地層10.7～11.8 m土層為粒狀土，其下臥11.8～15 m為相對軟弱的黏性土層，平臺升降試驗(yàn)插樁時(shí)樁靴是否存在刺穿危險(xiǎn)，需對上述上硬下軟的土層剖面進(jìn)行刺穿計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)擬建平臺單樁滿荷載插樁時(shí)，對地比壓為41.7 t/m2，10.7～11.8 m粒狀土層中最大相對刺穿安全系數(shù)FS為1.06（＜1.5），其軟下臥層最小相對安全系數(shù)FS′＜1.2，平臺插樁存在刺穿風(fēng)險(xiǎn)，穿刺后地基承載力曲線如圖5所示。一旦發(fā)生刺穿，樁靴入泥深度可能達(dá)12.1 m左右。

圖5 插樁位置穿刺分析后承載力曲線

3.5 拔樁能力評估

自升式平臺在升降試驗(yàn)位置以滿荷載插樁，對地比壓達(dá)到41.7 t/m2，假設(shè)樁靴入泥形成的孔洞被排開土回填，其樁尖入泥深度達(dá)6.4 m。依據(jù)2.4節(jié)的計(jì)算方法，其單樁總抗拔力R=P1+F1+F2=13 510+1 280+8 850=23 640 kN。依據(jù)自升式平臺靜水力計(jì)算，平臺單樁每吃水1 m時(shí)可產(chǎn)生的上浮力（上拔力）為11 754 kN/m。因此，當(dāng)平臺入泥深度在6.4 m時(shí)需平臺過量吃水2.0 m可將平臺樁腿拔起。

自升式平臺滿荷載插樁存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生穿刺，平臺樁腳尖最大入泥深度達(dá)12.7 m，此時(shí)其單樁總抗拔力R=P1+F1+F2=25 730+1 160+23 960=50 850 kN，平臺需過量吃水4.4 m將平臺樁腿拔起。

平臺插樁位置水深約13.5 m，平臺空船質(zhì)量約16 000 t，自身吃水約4.4 m，平臺自身吃水加上過量吃水深度小于型深且小于水深深度，此平臺可滿足穿刺前后的拔樁要求，拔樁時(shí)可采取分步平穩(wěn)沖樁或清泥方式降低拔樁阻力。因此當(dāng)平臺存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，經(jīng)分析平臺拔樁能力充足的情況下，可考慮采用主動穿刺降低風(fēng)險(xiǎn)的方法[10]，即考慮提高平臺預(yù)壓荷載以主動穿刺硬土層，從而達(dá)到穩(wěn)定的承載土層。

4 結(jié)論

本文依托于自升式平臺，從預(yù)壓荷載、對地比壓、地基承載力、插樁深度、穿刺風(fēng)險(xiǎn)、拔樁能力等方面對其碼頭升降試驗(yàn)的安全性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，為后續(xù)同船型升降試驗(yàn)的安全性分析提供了參考依據(jù)。

本自升式平臺碼頭升降試驗(yàn)最大對地比壓41.7 t/m2，存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)，為降低穿刺風(fēng)險(xiǎn)，對升降試驗(yàn)給出以下建議。

（1）碼頭升降試驗(yàn)預(yù)壓荷載及樁靴對地比壓等的估算應(yīng)重視DAF、P-Delta、風(fēng)和浪流等荷載的影響。

（2）選擇7～8月風(fēng)小的季節(jié)，提前咨詢當(dāng)?shù)貧庀缶肢@取氣象預(yù)告，選擇具有一周以上持續(xù)良好天氣的窗口期進(jìn)行升降試驗(yàn)。

（3）碼頭升降試驗(yàn)要盡量避開其他平臺插樁過的位置，以防蹩壞樁腿。

（4）在插樁過程中應(yīng)盡可能地保持平臺接近水面，建議保持≤1.5 m高度壓載，一是防止?jié)q潮淹沒船體而降低壓載效應(yīng)，二是一旦某條樁腿地層穿刺船體沉落水面能夠提供浮力支持。

（5）建議平臺在插樁過程中壓載水的增加應(yīng)緩慢適量，并按順序采取多級壓載方式，以避免因預(yù)壓載增量過大及壓樁速度過快而導(dǎo)致樁腿快速下沉的風(fēng)險(xiǎn)。每次加載后注意觀察并加強(qiáng)監(jiān)測，保持船體平衡，力保樁腿不傾。