沈健 宮小康 羅壘

摘要：結(jié)合多型自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比沖樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及配置，結(jié)合使用條件，分析各種系統(tǒng)的適用性及性價(jià)比。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái);沖樁系統(tǒng);設(shè)備配置

中圖分類號(hào)：U664.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A

Abstract：Based on the design and construction experience of multi-type jack-up platforms， the design and configuration of jetting systems are compared. Combined with the use conditions， the applicability and cost performance of various jetting systems are analyzed.

Key words： Jack-up platform; Jetting system; Equipment configuration

1 前言

自升式平臺(tái)通過升降系統(tǒng)將樁腿下降插入到海底并達(dá)到樁靴設(shè)計(jì)入泥深度，然后通過升降系統(tǒng)將平臺(tái)船體升離水面一定高度，保持所需的工作氣隙，在海上形成不受波浪影響的固定作業(yè)平臺(tái)。

沖樁系統(tǒng)作為自升式平臺(tái)特有的管路系統(tǒng)，其主要作用是幫助平臺(tái)在站樁結(jié)束后順利完成平臺(tái)的拔樁作業(yè)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的遷移功能，讓平臺(tái)在海洋中亦能如履平地完成賦予平臺(tái)的施工作業(yè)任務(wù)。

根據(jù)平臺(tái)作業(yè)海域及施工類型等因素，自升式平臺(tái)配置有不同類型的沖樁系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)沖樁系統(tǒng)的優(yōu)化選擇，本文對(duì)自升式平臺(tái)的沖樁系統(tǒng)進(jìn)行分析，以利于在船舶設(shè)計(jì)初期對(duì)沖樁系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置。

2 自升式平臺(tái)沖樁系統(tǒng)簡介

自升式平臺(tái)的沖樁系統(tǒng)，主要由沖樁設(shè)備、沖樁管路及閥附件組成：

（1）沖樁設(shè)備

一般沖樁空氣瓶、高壓沖水泵和消防水泵。其中：沖樁空氣瓶的作用是為沖樁管路提供一定壓力和體積的壓縮空氣;高壓沖水泵的作用是為沖樁系統(tǒng)提供高壓水;消防水泵的作用是為沖樁系統(tǒng)提供低壓水。

（2）沖樁管路

分為兩部分：一部分位于平臺(tái)的主船體上;另一部分位于平臺(tái)的樁腿樁靴中。主船體的管路和樁腿樁靴管路之間，通過帶由壬的高壓軟管進(jìn)行快速連接;平臺(tái)樁腿樁靴內(nèi)的沖樁管路，由樁腿頂部延伸至底部樁靴處，并在樁靴的上下表面布置若干噴頭（見圖1），其目的是利用沖樁介質(zhì)降低樁靴底部吸附力，破除樁靴上部的淤泥壓力，減小拔樁阻力，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的成功拔樁;在樁腿沖樁總管上，每間隔2～2.5m設(shè)置由壬接頭，在平臺(tái)升降到任意位置時(shí)均可以通過鄰近的由壬進(jìn)行連接。

沖樁系統(tǒng)根據(jù)沖樁介質(zhì)的類型不同，主要分為以下三種形式：

高壓水沖樁系統(tǒng);

低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統(tǒng);

高壓壓縮空氣與高壓水混合沖樁系統(tǒng)。

通常，對(duì)于高壓水的設(shè)計(jì)壓力為2～5MPa;低壓壓縮空氣的設(shè)計(jì)壓力小于3MPa，消防水的設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa（常與消防泵的設(shè)計(jì)壓力一致）;高壓壓縮空氣的設(shè)計(jì)壓力為3MPa（常與空壓機(jī)的設(shè)計(jì)壓力一致）。

基于對(duì)樁靴受力分析，拔樁時(shí)樁靴所受到的總阻力，主要有：樁靴底部吸入力;樁靴表面摩擦力;樁靴上部的淤泥壓力和樁靴淤泥的剪切破壞力等。由于壓縮空氣對(duì)于樁靴底部吸附力的克服比水作用要好，同時(shí)水對(duì)于破除樁靴頂部的淤泥壓力效果比壓縮空氣優(yōu)，因此在進(jìn)行系統(tǒng)選型時(shí)應(yīng)充分考慮平臺(tái)作業(yè)海域海床地質(zhì)情況和平臺(tái)自身施工要求。

表1列出了6種自升式平臺(tái)沖樁系統(tǒng)的配置。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各型平臺(tái)根據(jù)其用途和作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，配置了不同類型的沖樁系統(tǒng)。

3 自升式平臺(tái)沖樁系統(tǒng)配置

3.1高壓水沖樁系統(tǒng)

高壓水沖樁系統(tǒng)，主要是通過高壓沖水泵提供高壓海水，并將海水通過管路系統(tǒng)輸送至樁靴噴頭進(jìn)行沖樁。在進(jìn)行沖樁作業(yè)時(shí)，通過閥門控制可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的單樁沖樁和多樁沖樁。由于水壓高，對(duì)樁靴土質(zhì)作用力大，沖樁效率較高;同時(shí)，沖樁介質(zhì)為海水，可直接從海底門獲取，一定程度上縮短了沖樁時(shí)間。

此系統(tǒng)使用的高壓沖水泵多為多級(jí)離心泵，該泵通過泵體各級(jí)葉輪層層加壓后達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，由于葉輪級(jí)數(shù)多，因此泵的尺寸大、重量重、價(jià)格相對(duì)較貴。

高壓水沖樁系統(tǒng)工作原理，見圖2所示;高壓沖水泵的相關(guān)參數(shù)，總見表2。

3.2 低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統(tǒng)

低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統(tǒng)，主要由壓縮空氣系統(tǒng)和消防水系統(tǒng)組成：

（1）壓縮空氣系統(tǒng)

主要由空壓機(jī)、沖樁空氣瓶和減壓閥組組成，是平臺(tái)主發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)空氣系統(tǒng)的分支系統(tǒng)?？諌簷C(jī)輸出高壓壓縮空氣，經(jīng)減壓閥組輸送至沖樁空氣瓶進(jìn)行儲(chǔ)備。當(dāng)進(jìn)行沖樁作業(yè)時(shí)，通過控制沖樁出口閥開度來控制壓縮空氣的流量，進(jìn)而控制沖樁速率。

（2）消防水系統(tǒng)

主要由消防水泵組成，是平臺(tái)消防水系統(tǒng)的分支系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)行沖樁作業(yè)時(shí)，僅需啟動(dòng)消防泵便可獲得沖樁水動(dòng)力。上述兩個(gè)系統(tǒng)的主要設(shè)備及管路，均為平臺(tái)自身必須配置的，除增加沖樁空氣瓶外，不需另行采購其它沖樁設(shè)備，因而整套設(shè)備成本低廉;但由于沖樁介質(zhì)壓力較低，沖樁空氣瓶儲(chǔ)氣量有限，因此，在沖樁作業(yè)過程中需空壓機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣，同時(shí)消防水泵水壓較低，導(dǎo)致沖樁時(shí)作用力較小，延長了沖樁時(shí)間。在平臺(tái)沖樁作業(yè)時(shí)，多采用壓縮空氣和消防水的混合介質(zhì)進(jìn)行（見圖3），根據(jù)實(shí)際拔樁需求也可采用壓縮空氣單獨(dú)沖樁。

3.3 高壓水與高壓壓縮空氣混合沖樁系統(tǒng)

高壓水與高壓壓縮空氣混合沖樁系統(tǒng)（見圖4），主要由高壓沖水系統(tǒng)和高壓壓縮空氣系統(tǒng)組成：高壓水來源于高壓沖水泵;高壓壓縮空氣來源于平臺(tái)沖樁空氣瓶。

該系統(tǒng)所用介質(zhì)壓力高，每種系統(tǒng)均可單獨(dú)進(jìn)行沖樁作業(yè)，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)樁靴頂部和底部同時(shí)進(jìn)行高壓水和高壓壓縮空氣沖樁，也可水氣混合沖樁，即樁靴的上表面采用高壓水沖樁，下表面采用壓縮空氣沖樁;或者，某一個(gè)樁靴采用高壓水沖樁，另一樁靴采用壓縮空氣沖樁。因此，此種混合沖樁系統(tǒng)操作性強(qiáng)，沖樁效率高，在平臺(tái)拔樁作業(yè)時(shí)可實(shí)現(xiàn)不間斷沖樁，大幅減少了沖樁時(shí)間，提高了平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性。

4 各類沖樁系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

不同類型的自升式平臺(tái)，由于其作業(yè)類型和工作環(huán)境的不同，其沖樁系統(tǒng)的配置也有所不同。下面對(duì)各類沖樁系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，以便進(jìn)行優(yōu)選配置。

4.1高壓水沖樁系統(tǒng)

高壓水沖樁系統(tǒng)，其主要設(shè)備為高壓沖水泵及高壓管附件。系統(tǒng)原理相對(duì)簡單，管系布置較為簡便;但在設(shè)計(jì)壓力下系統(tǒng)全部為I級(jí)管系及閥附件，采購成本較高，施工要求也較高。

高壓水沖樁系統(tǒng)依靠5MPa的高壓水進(jìn)行沖樁作業(yè)，對(duì)破除樁靴淤泥壓力作用效果好，拔樁效率較高，但對(duì)于克服樁靴底部吸附力相對(duì)較弱，故其適用于海床較硬區(qū)域作業(yè)。

4.2低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統(tǒng)

低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統(tǒng)，其主要設(shè)備為沖樁空氣瓶和消防泵。消防泵及空壓機(jī)為平臺(tái)自身配置設(shè)備，不需要額外進(jìn)行訂購，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力低，相對(duì)而言設(shè)備及管附件成本低廉，施工要求不高。

由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力較低，在進(jìn)行沖樁作業(yè)時(shí)需控制壓縮空氣和消防水的流量進(jìn)行沖樁，且在作業(yè)過程中需空壓機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣，造成沖樁作業(yè)時(shí)間長，沖樁效率較低。由于沖樁介質(zhì)采用了壓縮空氣，對(duì)破除樁靴底部吸附力作用效果較好，故適用于淺淤泥海床區(qū)域。

4.3高壓水與高壓壓縮空氣混合沖樁系統(tǒng)

高壓水與高壓壓縮空氣混合沖樁系統(tǒng)，其主要設(shè)備為高壓沖樁泵及高壓管附件和沖樁空氣瓶。沖樁系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)為I/II級(jí)管系，設(shè)備及管附件采購成本高。

高壓水和高壓壓縮空氣均可進(jìn)行獨(dú)立沖樁作業(yè)，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，可操作性強(qiáng)，作業(yè)效率高，對(duì)海床的適應(yīng)性強(qiáng)。

通過對(duì)上述三種沖樁系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析（見表3），可以看到適當(dāng)增加壓縮空氣沖樁可以提高沖樁效率，且對(duì)系統(tǒng)整體的成本影響較小。在進(jìn)行自升式平臺(tái)沖樁系統(tǒng)選擇時(shí)，可根據(jù)其作業(yè)環(huán)境進(jìn)行水和壓縮空氣的配置，在滿足使用條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語

隨著全球海工市場的逐漸回暖，自升式平臺(tái)的需求顯著提升，尤其在清潔能源領(lǐng)域，自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的市場前景廣闊。沖樁系統(tǒng)作為自升式平臺(tái)特有的作業(yè)系統(tǒng)，其配置優(yōu)良尤為重要，直接影響平臺(tái)的拔樁效率和風(fēng)險(xiǎn)，是對(duì)平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性考量的重要標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對(duì)常用的沖樁系統(tǒng)的配置進(jìn)行了分析，總結(jié)出不同配置系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，期望對(duì)沖樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選配有所幫助。

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