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        海上自升式平臺樁腿設(shè)計探討

        2021-09-16 11:06:30高連燁穆勝軍
        天津科技 2021年8期
        關(guān)鍵詞:自升式齒條桁架

        王 鵬,高連燁,穆勝軍

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

        0 引 言

        隨著海洋石油勘探開發(fā)逐漸向深海海域發(fā)展,坐底式平臺已無法滿足上述要求,自升式平臺便隨之發(fā)展起來。自升式平臺的樁腿可以垂直升降,作業(yè)時提升系統(tǒng)下放樁腿著地,平臺沿樁腿升至海面上一定高度;移位時平臺通過提升系統(tǒng)降到水面,樁腿升起,平臺像駁船,可以拖航至新的作業(yè)地點[1-2]。

        自升式平臺的設(shè)計現(xiàn)在也已經(jīng)由適用于淺水海域作業(yè)逐漸向適用于深水海域作業(yè)發(fā)展[3],即使對于淺海海域作業(yè)的自升式平臺的作業(yè)功能要求不同,平臺的設(shè)計也有新的要求,以前的自升式平臺主要是簡單、價格便宜和能夠滿足基本的功能要求即可,現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變成作業(yè)方便、高效、舒適的高端要求[4]。隨著對作業(yè)效率的要求提高,提升系統(tǒng)也呈現(xiàn)趨于選擇提升效率更高的齒輪齒條升降系統(tǒng)[5]。

        不同的作業(yè)水深和不同的功能設(shè)計需求不僅決定著自升式平臺的結(jié)構(gòu)形式,更重要的是對自升式平臺樁腿的設(shè)計有著很大的影響。樁腿是自升式平臺的承載結(jié)構(gòu),對整個平臺的結(jié)構(gòu)性能起到重要的作用。本文探討了影響樁腿設(shè)計的主要因素,主要的兩種樁腿結(jié)構(gòu)形式——圓柱樁腿和桁架式樁腿對自升式平臺發(fā)揮的重要作用,不同的樁腿數(shù)量對平臺是否有影響,對自升式平臺的設(shè)計尤其是樁腿的設(shè)計有一定借鑒意義。

        1 自升式平臺的類型及其特點

        自升式平臺的類型有很多,可以分別按照平臺的用途、提升系統(tǒng)的型式、樁腿下端與土壤的接觸型式以及樁腿的結(jié)構(gòu)型式進行分類[5]。

        1.1 平臺的用途

        自升式平臺的用途很廣,目前常用的有自升式鉆井平臺、采油平臺、修井平臺、生活平臺、施工作業(yè)平臺等。

        1.2 提升系統(tǒng)的型式

        可以分為液壓升降系統(tǒng)和齒輪齒條式提升系統(tǒng)。齒輪齒條提升系統(tǒng)的效率要高于液壓插銷式提升系統(tǒng)。對于需要頻繁升降的自升式平臺,齒輪齒條升降系統(tǒng)更為合適。

        1.3 樁腿下部和土壤的接觸方式

        樁腿下部不帶沉墊的插樁式自升式平臺,樁腿直接插入海底,用樁腿支撐整個平臺,站位作業(yè),主要適用于海底土壤較好的海域。

        樁腿下部帶整個沉墊的自升式平臺,沉墊能有效傳遞來自樁腿的載荷,用沉墊和平臺的重量保證平臺的抗傾和抗滑穩(wěn)性,適用于海底土壤承載力較差的海域。

        樁腿下部帶獨立的樁靴的平臺,可以減少插樁深度,現(xiàn)在多數(shù)平臺是此設(shè)計。

        1.4 樁腿結(jié)構(gòu)型式

        圓柱式樁腿自升式平臺,其樁腿截面一般為圓形,結(jié)構(gòu)簡單,剛性大,一般適用于60 m水深以內(nèi)的淺水海域。如工作水深再增大,殼體樁腿的波浪載荷將隨著樁腿尺度增加而劇增,樁腿重量也會增加,所以對于深水平臺用殼體式樁腿不夠經(jīng)濟。

        桁架式樁腿自升式平臺。樁腿截面一般為三角形,主要是由弦桿、撐桿和內(nèi)撐桿組成,一般3個弦桿上帶有齒條,與齒輪齒條升降系統(tǒng)配合。桁架式結(jié)構(gòu)樁腿上的波浪載荷和海流載荷相比同尺寸的殼體樁腿要小,因此桁架式樁腿常用于深水海域。

        2 自升式平臺樁腿設(shè)計

        自升式平臺的結(jié)構(gòu)組成主要由樁腿(包括沉墊或者樁靴)、船體和固樁架等結(jié)構(gòu)組成。船體主要是提供作業(yè)和生活場地,并在拖航時提供浮力及保證拖航穩(wěn)定性;樁腿是升降并支持整個平臺海上作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)施;固樁架是把樁腿和船體固定在一起,形成一個整體,將船體的載荷傳遞給樁腿,樁腿再通過樁靴(或沉墊)傳遞給海底地基[6]。

        樁腿是自升式平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一,其設(shè)計主要包括樁腿數(shù)量的確定和樁腿結(jié)構(gòu)型式的確定,樁腿的設(shè)計主要考慮以下幾個因素影響。

        2.1 設(shè)計水深

        通常情況下平臺的工作水深越深,波浪載荷越大,當(dāng)水深增大時,樁腿長度、尺寸和重量都會迅速增加。桁架式樁腿較圓柱式樁腿受的波浪載荷小,重量輕,深水作業(yè)一般選擇桁架式樁腿,水深小于60 m宜選擇圓柱樁腿[7]。

        2.2 提升系統(tǒng)

        自升式平臺的提升系統(tǒng)主要有齒輪齒條提升系統(tǒng)和液壓升降提升系統(tǒng)。液壓插銷提升系統(tǒng)一般采用圓柱樁腿,齒輪齒條提升系統(tǒng)多采用桁架式樁腿,國內(nèi)的自升式平臺也有齒輪齒條提升系統(tǒng)采用樁腿截面為圓形加齒條的圓柱樁腿的型式[8]。

        2.3 作業(yè)要求

        自升式平臺的設(shè)計根據(jù)作業(yè)要求,比如鉆井作業(yè)、生活支持作業(yè)、生產(chǎn)支持作業(yè)等,其布置會有不同,對平臺主船體的尺寸要求也不一樣。在相同樁腿間距的情況下,四樁腿自升式平臺的甲板面積要大于三樁腿。

        2.4 樁腿加工制造成本

        對于加工制造,圓柱型樁腿的加工制造較桁架式樁腿要簡單些,加工成本也會降低。

        綜上,樁腿的設(shè)計是受多方面因素影響的,對于深水自升式平臺,由于波浪載荷變大,多采用波浪載荷小的桁架式樁腿結(jié)構(gòu),同時考慮能夠使得自升式平臺取得穩(wěn)定支撐的三樁桁架式樁腿的自升式平臺。對于淺水海域,波浪載荷小,圓柱樁腿是非常經(jīng)濟合適的。四樁腿的自升式平臺的主船體呈矩形,可以提供更大的甲板面積,相比三樁腿的自升式平臺還可以采用對角預(yù)壓的方式進行預(yù)壓,不需要壓載水。

        3 自升式平臺樁腿設(shè)計實例比較

        從上面的分析中可以知道,自升式平臺樁腿的設(shè)計和許多因素有關(guān)系,深水作業(yè)的自升式平臺的樁腿基本上都是桁架式樁腿,也就是自升式平臺配有齒輪齒條提升系統(tǒng)[9];對于淺水區(qū),水深小于60 m的自升式平臺的樁腿一般是選擇圓柱樁腿的設(shè)計。但是從平臺的整個生命周期和不同的建造預(yù)算方面考慮,也會影響樁腿的設(shè)計。

        下面對一淺海作業(yè)平臺的樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計進行比較分析[10-13]?;谝恢碌年P(guān)鍵技術(shù)輸入,比如凈甲板面積、甲板載荷、住艙人數(shù)等,分別就三樁腿、四樁腿、液壓提升系統(tǒng)和齒輪齒條提升系統(tǒng)的自升式平臺進行比較分析。

        在甲板凈面積一致的前提下,為了獲得相同的凈甲板面積,三樁腿平臺的主尺度要大于四樁腿的平臺。甲板面積三樁腿和四樁腿是相當(dāng)?shù)?。因此,三樁腿自升式平臺和四樁腿自升式平臺主船體的差異不大,但是提升系統(tǒng)和樁腿截面的不同,對樁腿的重量會造成很大差別。樁腿尺寸及重量情況對比如表1所示。

        表1 樁腿尺寸及重量對比Tab.1 Leg size and weight comparison

        重量對比結(jié)果是:三樁腿約為四樁腿的80%,插銷提升系統(tǒng)的樁腿約為齒輪齒條提升系統(tǒng)的85%。

        對三樁腿和四樁腿的結(jié)構(gòu)性能進行對比,主要結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對比如表2所示。

        表2 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對比Tab.2 Comparison of structural performance parameters

        結(jié)構(gòu)性能對比結(jié)果:四樁腿的結(jié)構(gòu)剛度更好;四樁腿的抗傾覆穩(wěn)定性更好;四樁腿的作業(yè)安全性更好。

        綜上,三樁腿方案的結(jié)構(gòu)重量低于四樁腿方案,液壓插銷式提升系統(tǒng)的方案平臺結(jié)構(gòu)重量要低于齒輪齒條提升系統(tǒng)的方案,四樁腿方案結(jié)構(gòu)總體性能優(yōu)于三樁腿方案。

        4 結(jié) 論

        本文通過對自升式平臺的類型和組成進行闡述,以設(shè)計實例方式介紹了自升式平臺樁腿設(shè)計,提出對平臺樁腿設(shè)計幾個重要的影響因素:根據(jù)作業(yè)水深和提升系統(tǒng)的型式確定樁腿的結(jié)構(gòu)型式;對于淺水海域的自升式平臺設(shè)計,三樁腿的結(jié)構(gòu)重量要小于四樁腿的結(jié)構(gòu)重量,而且液壓插銷提升系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)重量要低于齒輪齒條方案,因此三樁腿的液壓插銷式平臺更經(jīng)濟;對于淺水海域的自升式平臺,四樁腿的平臺結(jié)構(gòu)性能要優(yōu)于三樁腿的自升式平臺?!?/p>

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