自升式海洋平臺樁靴噴沖系統設計

徐增強

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院 海洋工程裝備研究所，山東 東營257017)

自升式海洋平臺在其整個生命過程中需要頻繁拔樁移位作業。在每次拔樁之前，一般應進行樁靴噴沖作業，也就是“沖樁”，目的是克服一部分樁靴周圍泥土的吸附力和摩擦力。以往的自升式海洋平臺所采用的噴沖動力源為消防水和壓縮空氣［1］，噴沖壓力較低，噴沖效果不很理想，沒有充分發揮樁靴噴沖系統的作用。為此，在自升式海洋平臺輪機系統設計中，引進10 MPa高壓噴沖系統，并運用于新建50 m作業水深自升式海洋平臺樁靴噴沖系統，作業水深自升式海洋平臺中。

1 樁靴噴沖基本原理

樁靴噴沖的水射流為淹沒射流，根據水射流理論［2］，射流的幾何結構如圖1，整個過程可分為初始段、過渡段和基本段。

圖1 射流結構示意

初始段:指由噴嘴至等速核端斷面之間的射流區域。該段的核心區內的速度等于噴嘴出口速度u0，為有勢流，各點的速度大小、方向均相同。

過渡段:指從等速核消失的B至D斷面之間的區域。

基本段:指轉折斷面以后的區域。該段中射流的紊動特性表現充分。

根據馬飛等人研究理論［3］，射流作用下土體表面壓力分布為

式中:Fb——r=b處的截面作用力，kN;

p0——噴嘴出口壓力，MPa;

R0——噴嘴出口半徑，m。

自升式平臺對地的最大壓力一般出現在預壓狀態。預壓狀態下重量約為平臺自重的1.5倍。預壓形成的樁靴對地比壓小于100 kPa［4］。假定樁靴對地比壓為100 kPa，則認為土體內部壓力近似是0.1 MPa，根據式(1)計算噴沖射流壓力下降到與土體壓力相等時的圓斷面半徑Rh。

以往設計中，采用0.8 MPa消防泵作為動力源噴沖，最終噴沖斷面半徑為Rb=2.83R0。

若采用10 MPa鉆井泵作為動力源噴沖，最終噴沖斷面半徑為Rb=10R0。

噴沖面積大大增加，效果顯著提升。

2 噴嘴選擇及布置形式

噴嘴浸入泥中，需要具有止回功能，防止泥沙侵入噴沖管內，造成堵塞。勝利三號平臺等用加止回閥的方式，但是閥體在船底板外側，被破壞的可能性較大，并且不可避免地會發生泥沙侵入噴沖管內的現象。

勝利作業三號、四號平臺采用的是堵管結構，同樣存在泥沙侵入噴沖管內的現象。調研后決定采用自力啟閉防堵解堵噴沖器，見圖2。

圖2 自力啟閉防堵解堵噴沖器結構示意

該噴沖器具有阻斷泥沙進入噴沖管路和解除來水管路中沉降板結泥沙的特殊功能，并通過其噴射出的高壓水流消除樁靴底部吸附力和周圈泥沙剪切力。閥的本體位于樁靴內部，受樁靴保護;啟閉方式為壓差啟閉，入泥開啟壓力≤0.1 MPa，時間≤1 s，停噴失壓同步止回封閉時間≤1 s。雙防堵性能:噴頭及噴口具備止回封閉功能;解堵性能:解堵來水管路中沉降泥沙最大粒徑≤4 mm，解堵來水管路內的沉降板結泥沙量≤1 300 cm3，解堵時間≤2 s。可見，此噴沖器能夠很好地滿足海洋自升式平臺樁靴噴沖系統要求。

噴沖器一般采用對稱的布置形式，以求均勻噴沖。為提高噴沖效果，設上、下、側三面噴沖。上、側面的噴沖共用一根供水總管，底面噴沖單獨用一根供水總管。在樁靴內部采用環形噴沖主管，保證每個噴嘴的噴沖流量及壓力。圖3～5是新建50 m作業水深自升式海洋平臺樁靴內噴沖頭布置圖。噴沖頭采用環形均布的方式，每個樁靴頂噴沖頭有16個，側噴沖頭有8個，底噴沖頭有16個。

圖3 新建50 m作業水深自升式海洋平臺樁靴內噴沖頭布置示意

3 噴沖動力源的選擇及管線布置

平臺常用泵的出口壓力較低，最高為1.0 MPa左右，高壓泵一般是鉆井作業、修井作業等所用的泥漿泵［5］，其最高壓力可達45 MPa。泥漿泵根據不同的需要分成若干檔位，新建50 m作業水深自升式海洋平臺中，最低檔位壓力約10 MPa，考慮到噴沖管系的壓力耐受及經濟成本，選定泥漿泵最低檔位出口10 MPa作為噴沖壓力。另外，可以選擇消防泵作為備用動力源，空氣壓縮機作為管線吹掃用動力源。

在噴沖管路上，須設置安全閥，當管路壓力超過11 MPa后，能夠自動開啟，對管路進行泄壓。

但是，由于作業水深及插樁深度不同，自噴沖源到樁腿的噴沖管線與樁腿內部噴沖管線之間不能用簡單的剛性連接，要解決樁腿升降帶來的問題，需要在上述兩部分管線中間用軟管連接。海洋作業環境中的氣隙不同，需要軟管長度不同，若只用1根軟管，則管線過長。因此，考慮將樁腿內部噴沖管線加長，在樁腿上每隔5 m設置1套軟管接口，見圖6。

如此，則只需要用1根10 m長的軟管就可以實現自噴沖源到樁腿的噴沖管線與樁腿內部噴沖管線之間的柔性連接。工作時，將旋塞取出，將軟管連接到管口上即可。

圖6 樁腿外壁預留軟管接口示意

4 噴沖管線壁厚計算

根據文獻［6-8］計算沖樁管路的壁厚。

按照《海上移動平臺入級與建造規范》［7］要求，噴沖管路為受內壓的鋼管，最小壁厚δ為

式中:b——彎曲附加裕量，mm;

c——腐蝕裕量，mm;

δ0——基本附加裕量，mm，

其中:p——設計壓力，MPa;

D——鋼管外徑，mm;

［σ］——鋼管許用應力，MPa;

e——焊接有效系數;

式中:R——平均彎曲半徑，mm。

5 計算實例

噴沖管外徑76 mm，材料為船用無縫鋼管，材質為碳鋼，設計壓力為10 MPa。

通過計算取［δ］為

根據式(3)計算，δ0=3.40 mm。

根據式(4)計算，b=0.34 mm。

查腐蝕裕量表知:c=3 mm。

則根據式(1)計算，δ=6.74 mm。

因此選擇噴沖管線外徑76 mm壁厚為7 mm。

6 結論

1)運用水射流技術論證10 MPa壓力噴沖的可行性。

2)對噴沖器進行調研篩選，采用新型自力啟閉防堵解堵噴沖器，對噴沖形式進行合理布置，用軟管連接方式解決了樁腿上下移動帶來的問題。

3)計算噴沖管壁厚，滿足強度要求，保證噴沖系統的安全性。

4)對于噴沖系統所克服的有效吸附力大小、有效噴沖時間等方面有待深入研究。

［1］孟家榮.勝利三號的噴沖裝置［J］.中國海洋平臺，1989(S1):61-62.

［2］沈忠厚.水射流理論與技術［M］.東營:石油大學出版社，1989.

［3］馬 飛.水射流動力特性及破土機理［J］.北京科技大學學報，2006，28(5):414.

［4］孫東昌.海洋自升式平臺設計與研究［M］.上海:上海交通大學出版社，2008.

［5］萬邦烈.石油工程流體機械［M］.北京:石油工業出版社，1999.

［6］中國船級社.鋼制海船入級規范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］中國船級社.材料與焊接規范［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［8］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范［M］.北京:人民交通出版社，2005.