許海東

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

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自升式試采平臺海水提升泵塔系統(tǒng)設計

許海東

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

考慮到在站立狀態(tài)，海水提升泵塔系統(tǒng)是自升式海洋平臺上消防、生產、生活等用水的惟一來源，與平臺安全、生產直接相關，結合中海油建造的自升式試采平臺，對海水提升泵塔系統(tǒng)升降方式選型、整體結構形式、不同工況下結構強度進行介紹，該系統(tǒng)具有結構簡單、操作方便、安全性高等特點。

自升式；試采平臺；海水提升泵塔；設計

自升式海洋平臺是目前應用最為廣泛的移動式海洋平臺，其主要由平臺主體、樁腿和升降系統(tǒng)組成，平臺主體與樁腿通過升降系統(tǒng)進行連接[1-2]。自升式平臺到達井位時，通過升降系統(tǒng)將平臺船體升離水面，準備海上作業(yè)；作業(yè)結束后，通過升降系統(tǒng)將船體降回水面，升起樁腿，使平臺重新恢復成漂浮狀態(tài)，準備拖航至下一井位作業(yè)[3]。海水提升泵塔系統(tǒng)的作用是在站立狀態(tài)將海水從海中提升至平臺，為平臺消防、壓載、生產、設備冷卻、生活等提供海水[4]。

中海油建造的自升式試采平臺是一座四樁腿的自升式試采、井口作業(yè)一體化平臺，鋼質非自航。平臺設計最大作業(yè)水深40 m(含天文潮與風暴潮)，具有試采、油氣分離、儲存和外輸、井口作業(yè)、井口回接、棄井及輔助熱采等功能。平臺在站立狀態(tài)距離水面最大氣隙達到15 m。

1 泵塔升降方式選取

目前，自升式海洋平臺海水提升泵塔系統(tǒng)的升降主要有以下幾種方式。

1)起重機升降式。如圖1a)所示，采用平臺起重機作為動力來實現泵塔升降，這是一種最原始的方式。優(yōu)點：不需要額外的動力源，造價低。缺點: 泵塔重量不能太大，否則需要提高起重機提升能力；如更換潛水泵，需要將泵塔整體提出，操作麻煩，影響平臺正常作業(yè)。

2)齒輪齒條升降式。如圖1b)所示，可采用電動齒輪齒條升降裝置或液壓馬達驅動齒輪齒條升降裝置進行升降，這是目前國內外普遍采用的方式[5]。優(yōu)點：升降速度快，操作方便；海水供應管路及潛水泵等水下設施多安裝在海水提升泵塔之內，更換潛水泵不需要提升泵塔。缺點：成本高，加工及裝配要求嚴格。

3)液壓插銷升降式。如圖1c)所示，液壓插銷升降系統(tǒng)是由銷子、銷孔、插銷油缸、上環(huán)梁和頂升液壓缸等組成，其工作原理與自升式平臺液壓插銷升降系統(tǒng)相似。優(yōu)點：海水供應管路及潛水泵等水下設施多安裝在海水提升泵塔之內，更換潛水泵不需要提升泵塔；相對齒輪齒條升降式泵塔造價較低。缺點：升降速度慢，操作復雜。

中海油自升式試采平臺主要用于探井試采作業(yè)，在一個井位作業(yè)周期較短，平臺升降作業(yè)的頻次較高，因此對泵塔升降操作要求相對高一些。結合平臺特點，對上述3種海水泵塔升降型式進行對比，見表1。

表1 海水泵塔升降型式對比

圖1 海水泵塔升降型式

由表1可以看出，齒輪齒條升降式泵塔雖然造價較高，但具有操作簡單，升降速度快的優(yōu)點，非常適于移動頻繁的自升式試采平臺應用。

中海油自升式試采平臺主要用于油氣處理、儲存、外輸等，危險區(qū)范圍大，海水提升泵塔臨近危險區(qū)，因此采用液壓馬達驅動齒輪齒條升降方式，其動力源來自平臺懸臂梁移動用液壓站。

2 泵塔系統(tǒng)整體型式

平臺海水提升泵塔系統(tǒng)主要由主泵塔結構、齒條及液壓馬達驅動齒輪升降裝置、揚水軟管、固定落水管及潛水泵等組成，系統(tǒng)結構見圖2。

圖2 海水泵塔整體結構形式

主海水泵塔是由無縫鋼管焊接而成的桁架式結構，泵塔外形為等邊三角形，總長32 m。泵塔立管的直徑×壁厚為273.1 mm×11.1 mm、219.1 mm×11.1 mm及219.1 mm×12.7 mm，水平撐管及斜撐管直徑168.3 mm，壁厚9.5 mm。在海水提升泵塔底部設有托架結構，用于安置2臺海水提升泵，并在海水泵相應高度處設導向固定結構用于固定海水泵。海水泵出口與泵塔主立管(兼作揚水管)的底部側面進水管通過法蘭進行連接。在平臺生活樓外圍壁上設有固定落水管，其與兼作揚水管的泵塔主立管頂部通過軟管進行連接。綜合考慮泵塔高度、落水管高度及泵塔與落水管間距離等因素確定軟管長度，滿足海水泵塔升降過程中不拆卸軟管的要求，便于操作。

主甲板上設有液壓馬達驅動齒輪齒條裝置及導向機構，在拖航狀態(tài)，海水提升泵塔通過液壓馬達升降裝置升至泵塔底部與平臺底部平齊；在站立狀態(tài)，海水泵塔通過液壓馬達升降裝置下放至預定入水高度處；在平臺拖航及站立狀態(tài)時，也可以通過升降裝置實現對海水泵塔的鎖緊固定。

在平臺主船體海水提升泵塔圍阱區(qū)內設有導向機構，引導海水泵塔升降作業(yè)。在二層甲板海水提升泵塔開口處，設有導向裝置，在平臺作業(yè)及拖航時，通過插入楔塊固定海水泵塔，防止海水泵塔發(fā)生較大晃動。

該海水泵塔系統(tǒng)具有以下特點。

1)采用液壓馬達驅動齒輪齒條升降裝置進行海水泵塔升降，升降速度快，操作方便，可實現與平臺進行同步升降。

2)液壓馬達動力來自平臺懸臂梁移動用液壓站，無需增設專用液壓站，降低了平臺投資。

3)升降平臺全過程中，無需進行軟管的拆卸、連接等工作，省時省力，降低了作業(yè)風險。

3 海水泵塔強度分析

3.1 計算模型

利用有限元分析軟件ANSYS建立海水泵塔結構強度分析模型，見圖3。根據海水提升泵塔的特點，利用PIPE59管單元來模擬泵塔主立管和撐管等結構。在平臺主船體海水泵塔圍阱區(qū)及二層甲板導向位置處施加UX、UY位移約束，在主甲板升降齒輪及鎖緊棘爪位置處垂向UZ位移約束。

圖3 海水泵塔有限元模型

3.2 計算工況與載荷

根據平臺工作狀態(tài)，海水泵塔設計工況主要分為平臺站立和拖航2種工況。

3.2.1 站立工況

平臺站立狀態(tài)以風暴自存工況作為海水泵塔的計算工況，對應環(huán)境條件如下：作業(yè)水深40 m，氣隙15 m，波高9.3 m，波浪周期9.6 s，表面流速1.285 m/s，入水深度6.1 m，風速51.5 m/s。

計算所用坐標系如圖4所示，環(huán)境載荷作用方向分別取為0°(縱向)、60°(斜向)、90°(橫向)、120°(斜向)、180°(縱向)、240°(斜向)、270°(橫向)、300°(斜向)。

圖4 結構坐標系

海水泵塔結構主要承受系統(tǒng)重量、波浪、海流及泵送的海水等載荷。

波浪、海流載荷按式(1)進行計算。波浪、流載荷按照同一方向考慮，利用ANSYS中的PIPE59單元模擬浸沒在水中受波浪、海流力作用管狀結構，設置好相應參數后由程序自動施加[6]。

(1)

式中：ρ——海水密度，kg/m3；

CD——拖曳力系數，由試驗確定，當實驗資料不足時，對圓形構件，可以取CD=0.6～1.2，本平臺考慮齒條影響，CD取上限值1.2；

CM——慣性力系數，對圓形構件，可以取CM=1.2～2.0；

D——圓形構件直徑，m；

u——垂直于構件軸線的水質點相對于構件的速度分量，為其絕對值，當海流與波浪聯合作用于平臺時，u為波浪水質點的速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構件方向上的分矢量；

風載荷按式(2)進行計算，計算得到風載荷按集中載荷施加在泵塔相應高度處[6]。

F=ChCsSp

(2)

式中：Ch——受風構件高度系數；

Cs——風載荷形狀系數；

S——受風面積，m2；

p——風壓，p=0.613×10-3v2，kPa，

其中：v——設計風速，m/s。

海水泵塔結構承受重量、海水等載荷通按慣性載荷施加。

3.2.2 拖航工況

平臺拖航狀態(tài)以風暴拖航工況作為海水泵塔的計算工況，對應條件如下：泵塔頂端距基線32 m，風速51.5 m/s，平臺搖擺角15°(縱搖/橫搖)，平臺搖擺周期10 s。

拖航工況，泵塔水平方向承受搖擺慣性力、搖擺重力水平力、風力等載荷；垂直方向承受搖擺軸向力、搖擺重力軸向力等載荷[7-8]。

搖擺慣性力按式(3)進行計算。

(3)

式中：m——泵塔懸伸段的質量，t/m；

θ——搖擺角,rad；

T——搖擺周期，s。

搖擺慣性力矩按式(4)進行計算。

(4)

搖擺重力水平力按式(5)進行計算：

(5)

式中：G——泵塔懸伸段重量，kN。

搖擺重力水平力引起的彎矩按式(6)進行計算：

(6)

式中：l——泵塔懸伸段長度，m。

作用在泵塔上的水平風載荷按照式(2)進行計算。

作用在泵塔上的搖擺軸向力按式(7)進行計算：

(7)

作用在泵塔上的搖擺重力垂直力按式(8)進行計算：

(8)

式中：G——泵塔懸伸段重量，kN。

將計算的相應水平載荷、軸向載荷按照集中載荷施加在相應作用位置處。

3.3 強度分析

海水泵塔結構部分立管采用API X80材質，屈服強度552 MPa，海水泵塔部分立管、撐管采用API X52材質，屈服強度359 MPa。根據CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》(2012)，安全系數取1.25，則API X52鋼管的許用應力為359/1.25=287.2 MPa，API X80鋼管的許用應力為552/1.25=441.6 MPa。

根據強度分析結果，使用API X80的立管的最大應力為383.511 MPa，使用API X52的立管、撐管的最大應力為248.183 MPa，均小于許用應力，站強度滿足規(guī)范要求。

4 結論

1)結合中海油自升式試采平臺特點，采用了液壓馬達齒輪齒條驅動的海水提升泵塔升降型式，與平臺懸臂梁移動共用一個液壓站，并在泵塔頂部出口設有軟管與固定落水管連接，保證了平臺升降過程中無需進行軟管的拆卸、連接等工作，具有升降速度快、操作方便、安全性能高等特點。

2)對平臺站立工況、拖航工況下海水提升泵塔結構強度分析表明，強度滿足要求。

[1] 徐松森．自升式平臺上下分體探討[J],船海工程,2008(1):88-90.

[2] 鄭振豪，盧永然，徐少柯，等.某自升式平臺結構性能分析與評估[J],船海工程,2014(6):157-160.

[3] 吳南，馮帆.某自升式平臺升降系統(tǒng)結構強度評估[J].船海工程,2014(2):144-145.

[4] 曹士峰，張純朋.新式海水提升泵塔在自升式鉆井平臺中的應用[J].中國海洋平臺,2012(6):51-55.

[5] 賈芳民.海洋石油161平臺海水泵塔液壓油缸升降系統(tǒng)的設計[J].液壓與氣動,2011(8):77-78.

[6] 中國船級社．海上移動平臺入級規(guī)范(2012)[S]．北京：人民交通出版社,2012.

[7] 孫東昌，潘斌．海洋自升式移動平臺設計與研究[M]．上海: 上海交通大學出版社，2008.

[8] 尹秀鳳，劉靜，李磊，等.拖航工況自升式平臺樁腿結構強度計算分析[J].船海工程,2013(2):100-102.

Design of the Seawater Lift Pump Tower System of the Jack-up Production Test Unit

XU Hai-dong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Under the elevated conditions seawater lift pump tower system is the only source for the fire fighting, production and living of the jack-up unit, which is directly involved with the safety and production of the unit. The choice of jacking type, integral structure type and structure strength analysis under different conditions was presented in example of the CNOOC jack-up production test unit. The system has the advantages of simple structure, convenient in operation, high safety, etc.

jack-up; production test unit; seawater lift pump tower; design

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.011

2016-07-10

中海石油總公司項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 08 LTD NFCY 2014-01)

許海東(1978—)，男，學士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0042-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋工程技術與裝備

E-mail:xuhd@cnooc.com.cn