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        自升式平臺(tái)碼頭升降試驗(yàn)安全性分析

        2022-08-15 13:36:14于衛(wèi)紅卓佐泳吳春美宮經(jīng)海
        石油工程建設(shè) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:插樁自升式船體

        于衛(wèi)紅,卓佐泳,吳春美,賈 濤,宮經(jīng)海

        1.太重(天津)濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心,天津 300457

        2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)天津天然氣管道有限責(zé)任公司,天津 300457

        自升式平臺(tái)的樁腿樁靴可以插入海底,具有作業(yè)穩(wěn)定性高、對(duì)環(huán)境條件不敏感、海上有效作業(yè)窗口期較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著海上油氣開發(fā)及海上風(fēng)電的不斷發(fā)展,自升式平臺(tái)作為海上油氣及海上風(fēng)電開發(fā)的重要裝備得到了廣泛應(yīng)用[1]。

        自升式平臺(tái)主要由主船體、樁腿樁靴及升降系統(tǒng)等組成,其中升降系統(tǒng)是自升式平臺(tái)最關(guān)鍵的部分,直接決定著自升式平臺(tái)的使用性能。在自升式平臺(tái)處于或接近完工狀態(tài)時(shí)需進(jìn)行升降試驗(yàn),升降試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)自升式平臺(tái)已安裝好的升降系統(tǒng)(升降裝置和升降基礎(chǔ))的操作性能和樁腿結(jié)構(gòu)的尺寸公差控制精度、安裝狀態(tài)等,以保證平臺(tái)的操作安全可靠。通過試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)安裝正確、安全裝置可以正常使用、系統(tǒng)功能正常。

        升降試驗(yàn)是自升式平臺(tái)最重要的大型試驗(yàn)之一,面臨試驗(yàn)載荷多變、環(huán)境條件復(fù)雜、海床地質(zhì)條件未全部可知、人員操作影響等諸多不確定性因素,即面臨的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)非常高。為保證升降試驗(yàn)的順利完成,必須對(duì)潛在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析研究,提出可靠的安全應(yīng)對(duì)措施,以確保升降試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

        1 升降試驗(yàn)程序

        根據(jù)實(shí)際作業(yè)中存在的正常升降、帶載升降、預(yù)壓載等工況,升降試驗(yàn)主要分為四個(gè)階段。

        1.1 階段1--最大預(yù)壓載試驗(yàn)

        自升式平臺(tái)在海上完成插樁升船后,要進(jìn)行預(yù)壓操作。此階段可檢驗(yàn)平臺(tái)的最大預(yù)壓載能力,根據(jù)平臺(tái)壓載能力可采用單樁預(yù)壓或多樁預(yù)壓方案。試驗(yàn)時(shí)平臺(tái)氣隙要大于最大潮高,對(duì)平臺(tái)進(jìn)行壓載直至樁靴的支反力達(dá)到平臺(tái)作業(yè)及自存時(shí)的最大支反力。保持靜止觀察,確保地基穩(wěn)定沒有下陷,完成最大預(yù)壓載試驗(yàn)。

        1.2 階段2--壓載升降試驗(yàn)

        此階段可檢驗(yàn)在一定的壓載狀態(tài)下升降系統(tǒng)的提升能力。最大預(yù)壓載試驗(yàn)完成后,泄放部分壓載水,重新配載至每個(gè)升降齒輪的負(fù)荷達(dá)到齒輪設(shè)定的壓載升降能力。平臺(tái)從適當(dāng)?shù)臍庀稜顟B(tài)將船體向上提升約齒輪旋轉(zhuǎn)一周的高度,保持該負(fù)荷約15 min,再下降相同的高度。

        1.3 階段3--正常升降試驗(yàn)

        此階段可檢驗(yàn)正常工作狀態(tài)升降系統(tǒng)的工作能力,平臺(tái)壓載到每個(gè)升降齒輪的負(fù)荷達(dá)到齒輪設(shè)定的正常升降能力。平臺(tái)從適當(dāng)?shù)臍庀稜顟B(tài)向上提升至平臺(tái)最大氣隙,完成正常升降試驗(yàn)。

        1.4 階段4--全程升降試驗(yàn)

        正常升降試驗(yàn)完成后,泄放壓載水,調(diào)整壓載至升降小齒輪達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)能力,船體的重心應(yīng)位于三個(gè)樁腿的形心,保證所有小齒輪受力均勻。準(zhǔn)備進(jìn)行全程升降試驗(yàn),將主船體升至樁腿最高處合攏焊縫以上,然后下降到約0.5 m的氣隙,完成全程升降試驗(yàn)。全程升降試驗(yàn)在升到最高處時(shí)仍要保證樁腿有一定的余高,便于某樁腿突發(fā)下陷時(shí)對(duì)船體進(jìn)行調(diào)平。

        2 升降試驗(yàn)安全性分析要點(diǎn)

        從目前平臺(tái)在升降試驗(yàn)中發(fā)生的事故來(lái)看,試驗(yàn)過程中可能存在以下風(fēng)險(xiǎn)。

        (1)升降運(yùn)動(dòng)及振動(dòng)或地基承載力不足導(dǎo)致某條樁腿突然下沉,造成平臺(tái)大幅傾斜(穿刺)。

        (2)地層承載力不均勻,各樁腿的入泥深度相差太大,升降同步性較差。

        (3)樁腳入泥過深,導(dǎo)致拔樁異常困難。

        上述風(fēng)險(xiǎn)都離不開預(yù)壓荷載、對(duì)地比壓、地基承載力及插拔樁能力等的確定,如何準(zhǔn)確計(jì)算上述因素、真實(shí)模擬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境條件是降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的重要手段。

        2.1 預(yù)壓荷載

        自升式平臺(tái)在開始作業(yè)狀態(tài)之前應(yīng)將主船體升離海面并保持與水面較近距離,然后進(jìn)行預(yù)壓載操作。預(yù)壓載的目的是保證平臺(tái)能夠抵御極限惡劣的環(huán)境條件,避免造成平臺(tái)的傾覆和損壞。

        預(yù)壓荷載的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)平臺(tái)的安全非常重要,結(jié)果偏小會(huì)導(dǎo)致入泥深度不足引起樁腿的附加貫入,增加平臺(tái)傾覆或損壞風(fēng)險(xiǎn);結(jié)果偏大又會(huì)導(dǎo)致地基風(fēng)險(xiǎn)增加或入泥過深,拔樁風(fēng)險(xiǎn)增加。預(yù)壓荷載的計(jì)算方法有直接疊加法、準(zhǔn)靜態(tài)法、動(dòng)力分析法等[2],本文采用準(zhǔn)靜態(tài)法和動(dòng)力分析法相結(jié)合的方法確定預(yù)壓荷載,能充分考慮垂向及橫向荷載、平臺(tái)側(cè)向位移產(chǎn)生的附加彎矩及環(huán)境荷載產(chǎn)生的動(dòng)力放大效應(yīng)等。

        2.2 地基承載力

        對(duì)于自升式平臺(tái)插樁時(shí)的地基承載力,主要是考慮其樁端阻力[3]。碼頭預(yù)定平臺(tái)插樁處地基承載力計(jì)算將依據(jù)SY/T 6707—2016《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》推薦的承載力公式[4],即:

        式中:Q為地基極限承載力,kN;A為樁靴的最大承載面積,m2;γ1為由樁靴排出土的平均有效重度,kN/m3;V為樁腳排出土的體積,m3;其中qn的計(jì)算方法如下:

        (1)對(duì)于不排水的黏性土質(zhì)。

        式中:Su為樁靴最大截面以下B/2深度內(nèi)的平均不排水抗剪強(qiáng)度,kN/m2;B為樁靴的當(dāng)量直徑,m;D為樁靴最大入泥深度,m。

        (2)對(duì)于排水粒狀土質(zhì)。

        式中:γ為樁靴以下B/2深度范圍內(nèi)土的平均有效重度,kN/m3;Nr、Nq為排水粒狀土的無(wú)量綱承載力系數(shù),據(jù)內(nèi)摩擦角而定;P0為樁靴端部位置的有效上覆土壓力,kN/m2;qmax為qn的限制值。

        2.3 穿刺分析

        當(dāng)一硬黏土層或粒狀土層之下潛伏著一層軟黏土層時(shí),上下之間承載力的不同可能會(huì)存在樁腳穿刺危險(xiǎn)。對(duì)于這種類型的土質(zhì)剖面必須進(jìn)行穿刺分析,通常以合適的穿刺相對(duì)安全系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)穿刺發(fā)生的可能性[5]。

        穿刺相對(duì)安全系數(shù):Fs=樁靴所處硬土層的最大極限承載力/單樁最大預(yù)壓荷載。當(dāng)Fs≥1.5時(shí),此位置是可以適應(yīng)自升式平臺(tái)插樁的;當(dāng)Fs<1.5時(shí),只要在軟下臥層中計(jì)算出的最小安全系數(shù)Fs′≥1.2,此位置適合自升式平臺(tái)插樁。其中Fs′=樁靴所處深度以下軟下臥層的最小極限承載力/單樁最大預(yù)壓荷載。

        2.4 拔樁能力評(píng)估

        自升式平臺(tái)的拔樁是依靠平臺(tái)本身過量吃水而產(chǎn)生的上浮力起拔,當(dāng)平臺(tái)產(chǎn)生的上浮力F大于總抗拔力R時(shí)平臺(tái)才能夠拔起,反之,平臺(tái)則拔不起。平臺(tái)拔樁時(shí)單樁的抗拔力R主要由以下幾方面力組成。

        (1)樁腳箱上覆土體的重量P1。

        式中:r為插樁深度以上各層土體的浮容重,kN/m3;H為插樁深度以上各層土體的厚度,m;B為樁靴最大截面等效圓直徑,m。

        (2)樁腳箱側(cè)面與周圍土體間的摩阻力F1。

        式中:L為樁腳箱側(cè)面高度,m;C為樁腳箱側(cè)面高度內(nèi)土體的內(nèi)聚力,kPa。

        (3)插樁深度以上各土層土體破壞所需要的剪切力:

        式中:C為插樁深度以上各土層內(nèi)聚力,kPa。

        3 安全性分析結(jié)果

        本文以某一自升式平臺(tái)為研究對(duì)象,從預(yù)壓荷載、對(duì)地比壓、地基承載力、插樁深度、穿刺風(fēng)險(xiǎn)、拔樁能力等方面對(duì)其碼頭升降試驗(yàn)的安全性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。

        3.1 總體參數(shù)

        平臺(tái)船體近似為三角形箱型結(jié)構(gòu),平臺(tái)首尾設(shè)有3個(gè)三角形桁架式樁腿,樁腿下端帶有樁靴。懸臂梁坐落在平臺(tái)尾部主甲板上,安裝在縱向主龍骨艙壁頂部,生活區(qū)呈“V”字形布置于平臺(tái)首部,前端布設(shè)了直升機(jī)飛機(jī)坪,如圖1所示。平臺(tái)總體技術(shù)參數(shù)見表1。

        圖1 自升式平臺(tái)立面

        表1 自升式平臺(tái)總體技術(shù)參數(shù)

        預(yù)壓荷載的確定應(yīng)充分考慮風(fēng)暴自存工況和正常作業(yè)工況,選取最危險(xiǎn)工況來(lái)計(jì)算預(yù)壓荷載,見表2。

        表2 自升式平臺(tái)最危險(xiǎn)工況參數(shù)

        3.2 預(yù)壓荷載及對(duì)地比壓

        計(jì)算預(yù)壓荷載時(shí),僅為核算預(yù)壓荷載及樁靴對(duì)地壓力等,而非校核主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,因此可以合理簡(jiǎn)化主船體結(jié)構(gòu)[6]。本文將甲板、底板、舷側(cè)板等等效為梁?jiǎn)卧?,單元特性?yīng)能等效反映艙壁、甲板、底板等的剛度,主船體等效梁通常位于型深高度一半位置。分析時(shí)充分考慮了以下荷載:第一,自重、可變荷載;第二,風(fēng)、浪、流荷載;第三,動(dòng)力放大效應(yīng)(DAF);第四,P-Delta效應(yīng)等荷載,各荷載的計(jì)算可參考船級(jí)社相關(guān)規(guī)范[7-8]。為準(zhǔn)確模擬樁腿剛度,精確計(jì)算P-Delta效應(yīng)等荷載,樁腿采用詳細(xì)模型,并依據(jù)SNAME規(guī)范選取合理的拖曳力系數(shù)[9];為準(zhǔn)確模擬樁腿與船體間的相互作用,樁架導(dǎo)向處采用限制一個(gè)平動(dòng)自由度的約束,在鎖緊裝置處采用限制一個(gè)平動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束,有限元計(jì)算模型如圖2所示。經(jīng)有限元分析計(jì)算,該自升式平臺(tái)環(huán)境荷載、樁靴反力、對(duì)地比壓等結(jié)果見表3。

        圖2 自升式平臺(tái)預(yù)壓荷載計(jì)算模型

        表3 荷載、樁靴反力及預(yù)壓荷載結(jié)果

        本平臺(tái)升降試驗(yàn)預(yù)壓荷載為147 925 kN,因升降試驗(yàn)時(shí)甲板可變荷載較小,壓載艙全部壓滿時(shí)樁靴對(duì)地比壓約為39.4 t/m2,壓載艙容量無(wú)法滿足升降試驗(yàn)預(yù)壓荷載要求,將采取單樁壓載的方式進(jìn)行最大預(yù)壓載試驗(yàn)。圖3給出了不同荷載引起的樁靴支反力,可以看出DAF、P-Delta、風(fēng)和浪流荷載引起的樁靴反力約占總樁靴反力的30%左右,在評(píng)估預(yù)壓荷載及樁靴對(duì)地比壓時(shí)應(yīng)重視DAF、P-Delta、風(fēng)和浪流等荷載的影響。

        圖3 不同荷載引起的樁靴支反力

        3.3 地基承載力及插樁深度

        當(dāng)自升式平臺(tái)在升降試驗(yàn)預(yù)定的位置就位后,樁靴將緩慢插入地基中,當(dāng)?shù)鼗鶚O限承載力小于樁靴壓力時(shí),樁靴繼續(xù)向下貫入;當(dāng)?shù)鼗鶚O限承載力大于或等于樁靴施加壓力時(shí),樁靴停止貫入,穩(wěn)定在地層的某一層,此時(shí)平臺(tái)樁靴貫入地基的深度為平臺(tái)的插樁深度。

        為準(zhǔn)確評(píng)估升降試驗(yàn)處的地基承載力、插樁深度、穿刺風(fēng)險(xiǎn)等,依據(jù)工程地質(zhì)勘察的地基參數(shù),采用SY/T 6707—2016推薦的承載力計(jì)算公式,對(duì)自升式平臺(tái)插樁處的地基承載力進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。在升降試驗(yàn)最大對(duì)地比壓41.7 t/m2的作用下(不考慮下部軟弱層的影響),樁靴入泥深度約5.9~6.4 m。

        圖4 插樁位置單一土層承載力曲線

        3.4 穿刺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

        圖4中地基力曲線趨于平緩區(qū)域,說(shuō)明地層較穩(wěn)定,即使樁靴對(duì)地壓力增大也不會(huì)出現(xiàn)入泥深度的明顯增加;曲線陡峭位置說(shuō)明地層較軟,當(dāng)樁靴對(duì)地壓力達(dá)到其極限壓力時(shí)會(huì)出現(xiàn)樁腳突然下沉。

        鑒于地質(zhì)勘查鉆孔揭示的淺部地層10.7~11.8 m土層為粒狀土,其下臥11.8~15 m為相對(duì)軟弱的黏性土層,平臺(tái)升降試驗(yàn)插樁時(shí)樁靴是否存在刺穿危險(xiǎn),需對(duì)上述上硬下軟的土層剖面進(jìn)行刺穿計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)擬建平臺(tái)單樁滿荷載插樁時(shí),對(duì)地比壓為41.7 t/m2,10.7~11.8 m粒狀土層中最大相對(duì)刺穿安全系數(shù)FS為1.06(<1.5),其軟下臥層最小相對(duì)安全系數(shù)FS′<1.2,平臺(tái)插樁存在刺穿風(fēng)險(xiǎn),穿刺后地基承載力曲線如圖5所示。一旦發(fā)生刺穿,樁靴入泥深度可能達(dá)12.1 m左右。

        圖5 插樁位置穿刺分析后承載力曲線

        3.5 拔樁能力評(píng)估

        自升式平臺(tái)在升降試驗(yàn)位置以滿荷載插樁,對(duì)地比壓達(dá)到41.7 t/m2,假設(shè)樁靴入泥形成的孔洞被排開土回填,其樁尖入泥深度達(dá)6.4 m。依據(jù)2.4節(jié)的計(jì)算方法,其單樁總抗拔力R=P1+F1+F2=13 510+1 280+8 850=23 640 kN。依據(jù)自升式平臺(tái)靜水力計(jì)算,平臺(tái)單樁每吃水1 m時(shí)可產(chǎn)生的上浮力(上拔力)為11 754 kN/m。因此,當(dāng)平臺(tái)入泥深度在6.4 m時(shí)需平臺(tái)過量吃水2.0 m可將平臺(tái)樁腿拔起。

        自升式平臺(tái)滿荷載插樁存在穿刺風(fēng)險(xiǎn),一旦發(fā)生穿刺,平臺(tái)樁腳尖最大入泥深度達(dá)12.7 m,此時(shí)其單樁總抗拔力R=P1+F1+F2=25 730+1 160+23 960=50 850 kN,平臺(tái)需過量吃水4.4 m將平臺(tái)樁腿拔起。

        平臺(tái)插樁位置水深約13.5 m,平臺(tái)空船質(zhì)量約16 000 t,自身吃水約4.4 m,平臺(tái)自身吃水加上過量吃水深度小于型深且小于水深深度,此平臺(tái)可滿足穿刺前后的拔樁要求,拔樁時(shí)可采取分步平穩(wěn)沖樁或清泥方式降低拔樁阻力。因此當(dāng)平臺(tái)存在穿刺風(fēng)險(xiǎn)時(shí),經(jīng)分析平臺(tái)拔樁能力充足的情況下,可考慮采用主動(dòng)穿刺降低風(fēng)險(xiǎn)的方法[10],即考慮提高平臺(tái)預(yù)壓荷載以主動(dòng)穿刺硬土層,從而達(dá)到穩(wěn)定的承載土層。

        4 結(jié)論

        本文依托于自升式平臺(tái),從預(yù)壓荷載、對(duì)地比壓、地基承載力、插樁深度、穿刺風(fēng)險(xiǎn)、拔樁能力等方面對(duì)其碼頭升降試驗(yàn)的安全性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究,為后續(xù)同船型升降試驗(yàn)的安全性分析提供了參考依據(jù)。

        本自升式平臺(tái)碼頭升降試驗(yàn)最大對(duì)地比壓41.7 t/m2,存在穿刺風(fēng)險(xiǎn),為降低穿刺風(fēng)險(xiǎn),對(duì)升降試驗(yàn)給出以下建議。

        (1)碼頭升降試驗(yàn)預(yù)壓荷載及樁靴對(duì)地比壓等的估算應(yīng)重視DAF、P-Delta、風(fēng)和浪流等荷載的影響。

        (2)選擇7~8月風(fēng)小的季節(jié),提前咨詢當(dāng)?shù)貧庀缶肢@取氣象預(yù)告,選擇具有一周以上持續(xù)良好天氣的窗口期進(jìn)行升降試驗(yàn)。

        (3)碼頭升降試驗(yàn)要盡量避開其他平臺(tái)插樁過的位置,以防蹩壞樁腿。

        (4)在插樁過程中應(yīng)盡可能地保持平臺(tái)接近水面,建議保持≤1.5 m高度壓載,一是防止?jié)q潮淹沒船體而降低壓載效應(yīng),二是一旦某條樁腿地層穿刺船體沉落水面能夠提供浮力支持。

        (5)建議平臺(tái)在插樁過程中壓載水的增加應(yīng)緩慢適量,并按順序采取多級(jí)壓載方式,以避免因預(yù)壓載增量過大及壓樁速度過快而導(dǎo)致樁腿快速下沉的風(fēng)險(xiǎn)。每次加載后注意觀察并加強(qiáng)監(jiān)測(cè),保持船體平衡,力保樁腿不傾。

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