葉永彪，高 峰，張 行，傅文志，葉海賓

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067)

大直徑超長樁海上吊裝技術(shù)與應(yīng)用

葉永彪，高 峰，張 行，傅文志，葉海賓

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067)

海上鋼樁是海洋工程中常見的一種結(jié)構(gòu)，常用于海洋平臺(tái)導(dǎo)管架、海上風(fēng)電裝置樁基及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)錨端等。海上鋼樁的安裝對(duì)整個(gè)海上工程的進(jìn)程及費(fèi)用都具有重大影響，其中鋼樁的海上吊裝作業(yè)是最重要的一環(huán)，對(duì)船舶的吊機(jī)能力有很大的要求。當(dāng)鋼樁超過一定長度時(shí)，倘若吊機(jī)無法將鋼樁垂直起吊，則需要水平吊裝至水下進(jìn)行扶正。闡述了大直徑超長樁的海上吊裝水下扶正方案，研究了其中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，并以南海某海域單點(diǎn)系泊系統(tǒng)樁基打樁為工程實(shí)例，詳細(xì)介紹并驗(yàn)證了水下扶正方案的可靠性。該方案可為大直徑超長樁的海上安裝提供新的思路和途徑。

海上工程；鋼樁；水下扶正；索具布置；水下機(jī)器人

0 引 言

近年來，隨著海洋石油行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類海洋工程結(jié)構(gòu)都向著深水、大型化及集成化發(fā)展，對(duì)這類大型海上工程結(jié)構(gòu)的施工也提出了更高的要求。海上鋼樁是海洋工程中常見的一種結(jié)構(gòu)，常用于海洋平臺(tái)導(dǎo)管架、海上風(fēng)電裝置樁基及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)錨端等。對(duì)于常用的海洋平臺(tái)導(dǎo)管架、海上風(fēng)電裝置樁基等，都采用大型浮吊船來進(jìn)行安裝，其結(jié)構(gòu)材料和施工作業(yè)對(duì)海上工程的費(fèi)用都具有重大影響[1-2]。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)樁基使用一段鋼樁作為錨端，其特點(diǎn)是抗拉能力強(qiáng)，尤其是抗垂向拉力，它是最理想的錨端之一[3]。對(duì)于普通的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)樁基而言，若動(dòng)用大型浮吊船來進(jìn)行安裝，則容易造成工程成本過大，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)生不利影響。本文基于采用常規(guī)多功能施工船進(jìn)行大直徑超長鋼樁的海上安裝遇到的技術(shù)瓶頸，詳細(xì)介紹了單點(diǎn)系泊系統(tǒng)大直徑超長樁基的海上吊裝水下扶正方案，研究了樁基吊裝的索具布置方案設(shè)計(jì)及吊裝存在的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。以南海某海域單點(diǎn)系泊系統(tǒng)樁基打樁為工程實(shí)例，詳細(xì)介紹并驗(yàn)證了海上吊裝水下扶正方案的可靠性。

1 鋼樁海上吊裝方案簡介

對(duì)于安裝導(dǎo)管架的大型起重船，一般可以依靠其大噸位的吊機(jī)在甲板直接豎樁，然后垂直下放至海底。但是對(duì)于常規(guī)多功能施工船而言，其吊機(jī)能力很難達(dá)到要求。因此，當(dāng)鋼樁超過一定長度時(shí)，吊機(jī)無法在甲板豎樁，則需要在甲板預(yù)先裝好起樁器及安裝索具，然后將鋼樁吊裝下放至海底再進(jìn)行水下扶正[4]。

水下扶正方案在操作性、安全性等方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于大型鋼樁的海上吊裝作業(yè)。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)對(duì)吊機(jī)作業(yè)能力要求大大降低；(2)水下豎樁，不需要對(duì)船舶甲板進(jìn)行加強(qiáng)或限位改造；(3)全程水下機(jī)器人(ROV)操作，不需要飽和潛水，適于深水水下工程安裝。

2 吊裝索具設(shè)計(jì)

水下扶正方案需要ROV全程操作，因此關(guān)鍵是如何布置索具[5-6]以便ROV水下操作。對(duì)于一般的鋼樁海上吊裝水下扶正問題，錨樁的吊裝索具布置參考圖1。

圖1 錨樁吊裝索具布置Fig.1 Rigging arrangement for anchor pile lifting

起樁器(見圖2)是整套水下扶正系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于連接錨樁和吊機(jī)鋼絲繩。其作用原理是基于液壓控制，預(yù)先將起樁器安裝至錨樁頂部，然后加壓使其膨脹，通過外層復(fù)合橡膠材料與錨樁內(nèi)壁的摩擦力，來提供扶正錨樁所需的吊裝力。

圖2 起樁器現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Photo of internal lifting tools

3 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

從鋼樁海上吊裝作業(yè)的施工流程可以看出，吊裝作業(yè)的關(guān)鍵是索具布置及水下ROV操作，其中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要是以下幾點(diǎn)：

(1) 吊裝重心控制。為了確保鋼樁在吊裝過程中的平衡，需要精確計(jì)算錨樁的重心，然后調(diào)整索具長度以確保吊點(diǎn)在重心位置[5]。

(2) 飛濺區(qū)索具松弛現(xiàn)象。由于鋼樁內(nèi)部中空，因此當(dāng)鋼樁下放進(jìn)入飛濺區(qū)時(shí)，需要控制吊機(jī)速度以防出現(xiàn)索具松弛現(xiàn)象，另外索具還要設(shè)計(jì)成進(jìn)水端稍微向下傾斜(傾斜高度約為鋼樁半徑)，這樣下放穿越飛濺區(qū)時(shí)海水能比較快速地進(jìn)入鋼樁內(nèi)部，從而避免出現(xiàn)索具松弛現(xiàn)象。

(3) ROV操作。水下解開ROV卸扣和吊裝卡以釋放吊裝索具，但倘若出現(xiàn)緊急情況無法解開ROV卸扣時(shí)，則需ROV配備液壓剪剪掉對(duì)應(yīng)的環(huán)形吊帶[5]。

4 工程應(yīng)用舉例

4.1 工程背景

南海某油田計(jì)劃開發(fā)1艘15萬噸級(jí)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)計(jì)劃采用3組共12根錨系來固定，錨系起始點(diǎn)計(jì)劃采用鋼樁作為錨端，油田作業(yè)水深為115 m。表1是錨樁的參數(shù)[5]。

主作業(yè)船參數(shù)為船長120.8 m，船寬22 m，型深9 m，吃水6.6 m，主吊機(jī)最大吊重能力250 t，吊臂范圍12～36 m。

表1 錨樁參數(shù)Table 1 Anchor pile parameters

4.2 施工流程

鋼樁海上吊裝作業(yè)主要包括以下幾個(gè)步驟：

(1) 運(yùn)輸駁船甲板安裝起樁器，并加壓膨脹使其與錨樁內(nèi)部完全接觸并產(chǎn)生摩擦力，見圖3。

圖3 運(yùn)輸駁船甲板安裝起樁器Fig.3 Internal lifting tool installation on transportation vessel

(2) 運(yùn)輸駁船甲板安裝吊裝索具，索具布置參考圖1。

(3) 主作業(yè)船靠泊運(yùn)輸駁船，起吊鋼樁，見圖4。

(4) 起吊鋼樁，進(jìn)入飛濺區(qū)，下放至海底，ROV全程監(jiān)控，見圖5。

(5) ROV水下解開ROV卸扣和吊裝卡，開始豎樁，見圖6。

(6) 吊機(jī)扶正鋼樁，完成吊裝，進(jìn)行下一步打樁工作，見圖7。

圖5 安裝船下放鋼樁,ROV監(jiān)控Fig.5 Installation vessel deploying anchor pile with ROV monitoring

圖6 ROV解扣，吊機(jī)豎樁Fig.6 ROV release; anchor pile upending with the help of crane

圖7 完成豎樁Fig.7 Anchor pile upending finished

5 結(jié) 語

在超長樁基的安裝過程中，水下扶正操作是施工的關(guān)鍵?；跇痘跹b的過程分析、索具選擇和ROV控制，提出了一套合理的施工方法并應(yīng)用于工程實(shí)際，主要形成了如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 鋼樁海上吊裝水下扶正方案能大大降低吊機(jī)作業(yè)需求，避免甲板豎樁，且采用全程水下ROV操作，因而可廣泛應(yīng)用于大直徑超長鋼樁的海上吊裝。

(2) 索具布置是鋼樁吊裝水下扶正方案的關(guān)鍵之一。要精確計(jì)算好重心，確定索具的長度以及吊點(diǎn)位置以確保吊裝過程錨樁平衡，同時(shí)下水過程需控制吊機(jī)速度及錨樁進(jìn)水速度以確保不會(huì)發(fā)生索具松弛現(xiàn)象。

(3) 南海某油田海上工程鋼樁直徑達(dá)2.13 m、長度達(dá)49 m、重量達(dá)145 t。該工程的順利施工為大直徑超長鋼樁的海上吊裝提供了新的思路和方案。

[1] 侯金林. 海上平臺(tái)樁基施工風(fēng)險(xiǎn)及技術(shù)對(duì)策[C].第十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集, 2011: 532.

[2] 宗紅霞. 海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)扶正導(dǎo)向裝置研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)， 2009.

[3] 中國海油(中國)有限公司深圳分公司. 海上浮式生產(chǎn)設(shè)施系泊錨系檢測與維修關(guān)鍵技術(shù)手冊(cè)[S]. 2013.

[4] 王啟茂,王江天. 液壓打樁錘在海港樁基工程中的應(yīng)用[J]. 中國港灣建設(shè), 2003(6): 9.

[5] 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司. 錨樁安裝程序[S]. 2014.

[6] 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司. 錨樁安裝分析[S]. 2014.

TechnologyandApplicationofOffshoreLiftingforLarge-DiameterandUltra-LongAnchorPile

YE Yong-biao, GAO Feng, ZHANG Xing, FU Wen-zhi, YE Hai-bin

(COOECSubseaTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Offshore anchor pile is very common in offshore structures such as jacket platform, offshore wind turbine platform and single point mooring system, etc. The installation of anchor pile has significant effect on the cost and process for the whole engineering, in which the lifting is the most important procedure in the offshore operation because it has a great demand for the crane capacity of the vessel. When the anchor pile is too long for the crane to lift vertically, underwater horizontal upending is required in the operation. We elaborate the scheme of underwater horizontal upending for the large-diameter and ultra-long anchor pile offshore lifting and discuss the key technical difficult points. An engineering example of anchor pile installation of single point mooring system in South China Sea is given, through which the reliability of underwater horizontal upending scheme is introduced and validated. This program provides new ideas and approaches for large-diameter and ultra-long anchor pile offshore installation.

offshore engineering; anchor pile; underwater horizontal upending; rigging arrangement; remotely operated vehicle

TE54;P752

A

2095-7297(2015)01-0060-04

2015-01-29

葉永彪(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。