沈健 宮小康 羅壘

摘要：結(jié)合多型自升式平臺設(shè)計建造經(jīng)驗，對比沖樁系統(tǒng)的設(shè)計及配置，結(jié)合使用條件，分析各種系統(tǒng)的適用性及性價比。

關(guān)鍵詞：自升式平臺;沖樁系統(tǒng);設(shè)備配置

中圖分類號：U664.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識號：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

自升式平臺通過升降系統(tǒng)將樁腿下降插入到海底并達到樁靴設(shè)計入泥深度，然后通過升降系統(tǒng)將平臺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。

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

根據(jù)平臺作業(yè)海域及施工類型等因素，自升式平臺配置有不同類型的沖樁系統(tǒng)。為實現(xiàn)平臺沖樁系統(tǒng)的優(yōu)化選擇，本文對自升式平臺的沖樁系統(tǒng)進行分析，以利于在船舶設(shè)計初期對沖樁系統(tǒng)進行優(yōu)化配置。

2 自升式平臺沖樁系統(tǒng)簡介

自升式平臺的沖樁系統(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：一部分位于平臺的主船體上;另一部分位于平臺的樁腿樁靴中。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行快速連接;平臺樁腿樁靴內(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，實現(xiàn)平臺的成功拔樁;在樁腿沖樁總管上，每間隔2～2.5m設(shè)置由壬接頭，在平臺升降到任意位置時均可以通過鄰近的由壬進行連接。

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

基于對樁靴受力分析，拔樁時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。由于壓縮空氣對于樁靴底部吸附力的克服比水作用要好，同時水對于破除樁靴頂部的淤泥壓力效果比壓縮空氣優(yōu)，因此在進行系統(tǒng)選型時應(yīng)充分考慮平臺作業(yè)海域海床地質(zhì)情況和平臺自身施工要求。

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

3 自升式平臺沖樁系統(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)輸送至樁靴噴頭進行沖樁。在進行沖樁作業(yè)時，通過閥門控制可實現(xiàn)平臺的單樁沖樁和多樁沖樁。由于水壓高，對樁靴土質(zhì)作用力大，沖樁效率較高;同時，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間。

此系統(tǒng)使用的高壓沖水泵多為多級離心泵，該泵通過泵體各級葉輪層層加壓后達到設(shè)計壓力，由于葉輪級數(shù)多，因此泵的尺寸大、重量重、價格相對較貴。

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、沖樁空氣瓶和減壓閥組組成，是平臺主發(fā)電機組啟動空氣系統(tǒng)的分支系統(tǒng)。空壓機輸出高壓壓縮空氣，經(jīng)減壓閥組輸送至沖樁空氣瓶進行儲備。當進行沖樁作業(yè)時，通過控制沖樁出口閥開度來控制壓縮空氣的流量，進而控制沖樁速率。

（2）消防水系統(tǒng)

主要由消防水泵組成，是平臺消防水系統(tǒng)的分支系統(tǒng)。當進行沖樁作業(yè)時，僅需啟動消防泵便可獲得沖樁水動力。上述兩個系統(tǒng)的主要設(shè)備及管路，均為平臺自身必須配置的，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，沖樁空氣瓶儲氣量有限，因此，在沖樁作業(yè)過程中需空壓機進行補氣，同時消防水泵水壓較低，導致沖樁時作用力較小，延長了沖樁時間。在平臺沖樁作業(yè)時，多采用壓縮空氣和消防水的混合介質(zhì)進行（見圖3），根據(jù)實際拔樁需求也可采用壓縮空氣單獨沖樁。

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)均可單獨進行沖樁作業(yè)，因此可實現(xiàn)對樁靴頂部和底部同時進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，沖樁效率高，在平臺拔樁作業(yè)時可實現(xiàn)不間斷沖樁，大幅減少了沖樁時間，提高了平臺的經(jīng)濟性。

4 各類沖樁系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析

不同類型的自升式平臺，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。下面對各類沖樁系統(tǒng)進行對比分析，以便進行優(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)原理相對簡單，管系布置較為簡便;但在設(shè)計壓力下系統(tǒng)全部為I級管系及閥附件，采購成本較高，施工要求也較高。

高壓水沖樁系統(tǒng)依靠5MPa的高壓水進行沖樁作業(yè)，對破除樁靴淤泥壓力作用效果好，拔樁效率較高，但對于克服樁靴底部吸附力相對較弱，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。消防泵及空壓機為平臺自身配置設(shè)備，不需要額外進行訂購，且系統(tǒng)設(shè)計壓力低，相對而言設(shè)備及管附件成本低廉，施工要求不高。

由于該系統(tǒng)設(shè)計壓力較低，在進行沖樁作業(yè)時需控制壓縮空氣和消防水的流量進行沖樁，且在作業(yè)過程中需空壓機進行補氣，造成沖樁作業(yè)時間長，沖樁效率較低。由于沖樁介質(zhì)采用了壓縮空氣，對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)復雜，系統(tǒng)為I/II級管系，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行獨立沖樁作業(yè)，系統(tǒng)功能強大，可操作性強，作業(yè)效率高，對海床的適應(yīng)性強。

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

5 結(jié)束語

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

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