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深水吸力樁施工技術(shù)研究

2020-12-23 02:15毛志豪胡紹峰李龍祥賴禺王迪祥
機(jī)械工程師 2020年12期
關(guān)鍵詞:流花吸力深水

毛志豪,胡紹峰,李龍祥,賴禺,王迪祥

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司,廣東 深圳518000;2. 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司,廣東 深圳518000)

0 引 言

南海地區(qū)海洋油氣儲(chǔ)備豐富,但由于其水深較深、水下環(huán)境較為復(fù)雜,現(xiàn)階段對(duì)于其開發(fā)利用處于起步階段,但未來具有較大的潛力。作為一種深水基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式,吸力樁具有定位準(zhǔn)確、回收簡(jiǎn)單、可以重復(fù)利用、對(duì)重型安裝設(shè)備沒有過多依賴、可以承受較大的橫向力和轉(zhuǎn)矩、安裝時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[1-2],因而得到越來越多的應(yīng)用。例如較為常見的系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)、重型結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)等均可采用吸力樁的基礎(chǔ)形式,本文基于南海流花項(xiàng)目吸力樁安裝項(xiàng)目,重點(diǎn)介紹深水吸力樁安裝過程及其貫入分析。

1 吸力樁結(jié)構(gòu)及安裝

1.1 典型吸力樁結(jié)構(gòu)形式

吸力樁作為一種新型海洋樁基礎(chǔ),其在深水及超深水中應(yīng)用較為廣泛。典型的吸力樁單樁結(jié)構(gòu)形式為大型圓柱薄壁鋼制結(jié)構(gòu),圓筒兩端一端開口、一端密閉(密閉端會(huì)設(shè)計(jì)吸力泵接口及排水閥,以便吸力樁在入水過程中保證良好的排氣及排水性能),同時(shí)根據(jù)吸力樁的使用功能,在吸力樁封閉端或筒壁設(shè)計(jì)一些結(jié)構(gòu)形式用于滿足其使用要求[3]。

1.2 吸力樁安裝原理

當(dāng)吸力樁吊裝入水并下放至預(yù)定水深后,其開口端先行入泥,在入泥初始階段,依靠吸力樁的自重開始進(jìn)行貫入,當(dāng)吸力樁入泥一定深度后,依靠其自重?zé)o法繼續(xù)貫入,此時(shí)整個(gè)吸力樁圓筒內(nèi)部形成密閉空間,此時(shí)圓筒內(nèi)外壓力保持平衡狀態(tài),為保證吸力樁貫入到設(shè)計(jì)深度,通過連接吸力泵至吸力樁密閉端的接口,啟動(dòng)吸力泵抽水使吸力樁圓桶形成內(nèi)外壓差,從而促進(jìn)吸力樁的貫入,當(dāng)貫入深度滿足設(shè)計(jì)要求后,關(guān)閉回收吸力泵,吸力樁安裝完成[4]。

2 深水吸力樁施工技術(shù)

2.1 流花吸力樁安裝項(xiàng)目概況

流花項(xiàng)目作業(yè)區(qū)域水深在390~420 m,其中單點(diǎn)錨系是我國(guó)海域水深較深、懸掛較多的單點(diǎn)系泊系統(tǒng),且系泊荷載較大??紤]各種型式錨樁承載能力特點(diǎn),大抓力錨不能承受上拔力,在大水深的工況下系泊半徑會(huì)較大,整個(gè)錨系的造價(jià)將增加很多,地質(zhì)條件同樣適用的情形下,最終在在吸力樁和錨樁兩種樁型中選用更適應(yīng)流花作業(yè)區(qū)域的吸力樁。其中用于FPSO 連接錨固的吸力樁共計(jì)9根(單點(diǎn)系泊布置如圖1 所示),分為3 簇,每簇間隔120° ,其中:每簇包含3 個(gè)吸力樁,每個(gè)吸力樁之間的間隔為5°,系泊半徑為1250 m。

圖1 吸力樁安裝布置圖

2.2 吸力樁結(jié)構(gòu)參數(shù)

作為FPSO 連接錨固用的吸力樁,需通過在吸力樁圓筒外壁上設(shè)計(jì)了一個(gè)鑄造吊耳,用于連接錨鏈,故其設(shè)計(jì)階段主要考慮安裝完成后的吸力樁具備良好的抗拔性能及側(cè)向承載力,相較而言,吸力樁端側(cè)封閉段并未存在太多的使用功能要求。

本次安裝的吸力樁質(zhì)量為120 t 左右,圓筒直徑為5.5 m,樁長(zhǎng)為15.9 m,其中用于錨鏈回接的大吊耳位置距樁頂10.4 m。

2.3 吸力樁主要安裝設(shè)備

1)施工船舶。本次吸力樁運(yùn)輸及安裝的作業(yè)船舶為DPⅢ型多功能工程船“海洋石油”286,船舶帶有2 臺(tái)吊機(jī),其中主吊吊重為400 t,滿足吸力樁的安裝要求,同時(shí)船舶配備兩臺(tái)工作級(jí)ROV 協(xié)助吸力樁水下安裝,其中,一臺(tái)ROV 主要負(fù)責(zé)監(jiān)控吸力樁貫入過程,另一臺(tái)ROV負(fù)責(zé)操作吸力泵。

2)吸力泵。吸力泵作為吸力樁安裝的主要施工設(shè)備,既要滿足吸力樁貫入過程中的吸力要求,也需考慮吸力泵的流量是否匹配吸力樁的安裝速率,如果流量過小,吸力泵的抽水速度比較慢,會(huì)影響吸力樁的貫入速度。

本次吸力樁安裝選用的吸力泵為SPT 公司設(shè)計(jì)的吸力泵,該吸力泵內(nèi)部包含2 個(gè)不同類型的單泵,分別滿足不同工況下的吸力樁的安裝要求,最大工作水深可以達(dá)到3000 m,同時(shí)泵頂部配備了一個(gè)300 t 的寬體卸扣用于吸力泵和吸力樁的起吊,節(jié)省了吸力樁安裝吊裝吊耳的設(shè)計(jì),優(yōu)化了吊裝流程,減輕吊裝風(fēng)險(xiǎn)。吸力泵需要在甲板上提前安裝至吸力樁頂部,水下通過ROV 提供動(dòng)力操作吸力泵進(jìn)行吸力樁的貫入。

3)定位設(shè)備。吸力樁作為一種水下較高精度的結(jié)構(gòu)物,尤其對(duì)于深水安裝,如果誤差超出安裝要求范圍,吸力樁回收及再就位將會(huì)耽誤很長(zhǎng)的時(shí)間,故需要提供一套可靠的定位設(shè)備用于吸力樁安裝過程調(diào)節(jié)控制。

吸力樁安裝的定位設(shè)備主要依靠水下羅經(jīng)進(jìn)行安裝位置誤差及艏向的控制,同時(shí)在吸力樁入泥及安裝過程中ROV 始終關(guān)注吸力樁(泵)上的水平傾度指示儀讀數(shù)控制吸力樁的傾斜度,從而在全安裝過程中控制吸力樁的安裝誤差。

2.4 吸力樁施工流程

1)吸力泵安裝。吸力樁安裝船舶抵達(dá)安裝作業(yè)海域后,首先需要將吸力泵安裝至吸力樁頂部法蘭上,保證其具備良好的密封性能。通過船舶主吊將吸力泵吊至樁頂?shù)慕涌诜ㄌm上側(cè),輔吊吊起載有人員的吊籃至樁頂法蘭外一段距離進(jìn)行觀察(此過程需保證兩個(gè)吊機(jī)不出現(xiàn)干涉),吸力泵通過甲板的動(dòng)力單元保證其與法蘭的連接鎖銷可以正常開關(guān),當(dāng)載人吊籃內(nèi)的人員確認(rèn)(只需觀察,不必離開吊籃)吸力泵下部接口與樁頂接口法蘭對(duì)接完成且艏向符合要求后,通知甲板人員關(guān)閉吸力泵鎖銷,完成吸力泵在吸力樁頂部的安裝。

2)吸力樁起吊入水下放。當(dāng)吸力泵安裝完成后,需要進(jìn)行吸力樁的起吊入水。由于吸力泵頂部的300 t 寬體卸扣可以作為吸力樁的吊點(diǎn),當(dāng)吸力泵安裝完成后,其吊裝索具無需解鉤,可繼續(xù)作為吸力樁吊裝的索具使用。

吸力樁起吊之前,需要對(duì)其海固進(jìn)行切除。吸力樁起吊入水前需提前確認(rèn)安裝作業(yè)的海域是否滿足要求。同時(shí)為保證吸力樁入水狀態(tài)良好,通常而言,吊機(jī)入水速度要比較慢,下放至水下80~150 m 時(shí),ROV 水下確認(rèn)吸力樁(包括樁側(cè)錨鏈)、吸力泵及吊裝索具狀態(tài)良好,繼續(xù)下放吸力樁至離海底30 m 處再次檢查上述的幾項(xiàng)參數(shù),確認(rèn)一切正常后,準(zhǔn)備開始吸力樁的貫入。

3)吸力樁貫入。當(dāng)下放至離海底30 m 時(shí)檢查不存在問題之后,通過移船使吸力樁大概移至安裝位置上方,繼續(xù)下放吸力樁,ROV 在此段下放過程中始終觀察吸力樁的下放過程,確保吸力樁狀態(tài)滿足要求,當(dāng)至海底1 m 處時(shí),ROV 通過轉(zhuǎn)動(dòng)吸力樁調(diào)整吸力樁的艏向,保證吸力樁側(cè)的鑄造吊耳的方向指向FPSO 中心位置,同時(shí)通過定位設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)確認(rèn)吸力樁安裝的傾斜度及安裝位置都滿足要求后,繼續(xù)下放吸力樁并開始吸力樁的自沉貫入,自沉貫入過程中,ROV 需要一直監(jiān)測(cè)吸力樁樁側(cè)的標(biāo)度,同時(shí)關(guān)注吸力樁的安裝誤差參數(shù)是否滿足要求。如果出現(xiàn)問題,須在自沉初期進(jìn)行調(diào)整,如果入泥過深,其調(diào)整的空間較小,調(diào)整難度較大。

當(dāng)吸力樁自沉完成之后,需要啟動(dòng)吸力泵開始抽水來使吸力樁繼續(xù)貫入,由于海底土層的分布不均勻,隨著貫入深度的增加,其需要的吸力越來越大,若離心泵無法滿足吸力要求時(shí),可以將SPT 吸力泵的吸力工作模式調(diào)節(jié)為凸輪泵抽水,從而滿足貫入要求。當(dāng)吸力樁貫入完成之后,ROV 對(duì)安裝完成的吸力樁進(jìn)行后調(diào)查,后調(diào)查項(xiàng)目包括貫入深度、安裝位置誤差、安裝艏向要求、安裝傾斜度要求,當(dāng)都沒有問題后,ROV 解開連接于吸力泵的吊裝索具,并回收吸力泵至甲板,從而完成吸力樁的安裝。

3 結(jié) 語

吸力樁作為海洋工程深水樁基的重要安裝結(jié)構(gòu),具有很廣闊的未來發(fā)展空間。通過流花項(xiàng)目吸力樁海上安裝,總結(jié)一套適用于深水吸力樁安裝的施工技術(shù),包括設(shè)備及施工流程操作,對(duì)未來走向更深水深的吸力樁安裝提供良好的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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