自升式平臺沖樁系統設計配置分析

沈健 宮小康 羅壘

摘要：結合多型自升式平臺設計建造經驗，對比沖樁系統的設計及配置，結合使用條件，分析各種系統的適用性及性價比。

關鍵詞：自升式平臺;沖樁系統;設備配置

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將樁腿下降插入到海底并達到樁靴設計入泥深度，然后通過升降系統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平臺。

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

根據平臺作業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。為實現平臺沖樁系統的優化選擇，本文對自升式平臺的沖樁系統進行分析，以利于在船舶設計初期對沖樁系統進行優化配置。

2 自升式平臺沖樁系統簡介

自升式平臺的沖樁系統，主要由沖樁設備、沖樁管路及閥附件組成：

（1）沖樁設備

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提供高壓水;消防水泵的作用是為沖樁系統提供低壓水。

（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，實現平臺的成功拔樁;在樁腿沖樁總管上，每間隔2～2.5m設置由壬接頭，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。

沖樁系統根據沖樁介質的類型不同，主要分為以下三種形式：

高壓水沖樁系統;

低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統;

高壓壓縮空氣與高壓水混合沖樁系統。

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

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，因此在進行系統選型時應充分考慮平臺作業海域海床地質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的配置。通過對比發現，各型平臺根據其用途和作業環境特點，配置了不同類型的沖樁系統。

3 自升式平臺沖樁系統配置

3.1高壓水沖樁系統

高壓水沖樁系統，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輸送至樁靴噴頭進行沖樁。在進行沖樁作業時，通過閥門控制可實現平臺的單樁沖樁和多樁沖樁。由于水壓高，對樁靴土質作用力大，沖樁效率較高;同時，沖樁介質為海水，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計壓力，由于葉輪級數多，因此泵的尺寸大、重量重、價格相對較貴。

高壓水沖樁系統工作原理，見圖2所示;高壓沖水泵的相關參數，總見表2。

3.2 低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統

低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統，主要由壓縮空氣系統和消防水系統組成：

（1）壓縮空氣系統

主要由空壓機、沖樁空氣瓶和減壓閥組組成，是平臺主發電機組啟動空氣系統的分支系統。空壓機輸出高壓壓縮空氣，經減壓閥組輸送至沖樁空氣瓶進行儲備。當進行沖樁作業時，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

主要由消防水泵組成，是平臺消防水系統的分支系統。當進行沖樁作業時，僅需啟動消防泵便可獲得沖樁水動力。上述兩個系統的主要設備及管路，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備，因而整套設備成本低廉;但由于沖樁介質壓力較低，沖樁空氣瓶儲氣量有限，因此，在沖樁作業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。在平臺沖樁作業時，多采用壓縮空氣和消防水的混合介質進行（見圖3），根據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

高壓水與高壓壓縮空氣混合沖樁系統（見圖4），主要由高壓沖水系統和高壓壓縮空氣系統組成：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。

該系統所用介質壓力高，每種系統均可單獨進行沖樁作業，因此可實現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，此種混合沖樁系統操作性強，沖樁效率高，在平臺拔樁作業時可實現不間斷沖樁，大幅減少了沖樁時間，提高了平臺的經濟性。

4 各類沖樁系統的優缺點分析

不同類型的自升式平臺，由于其作業類型和工作環境的不同，其沖樁系統的配置也有所不同。下面對各類沖樁系統進行對比分析，以便進行優選配置。

4.1高壓水沖樁系統

高壓水沖樁系統，其主要設備為高壓沖水泵及高壓管附件。系統原理相對簡單，管系布置較為簡便;但在設計壓力下系統全部為I級管系及閥附件，采購成本較高，施工要求也較高。

高壓水沖樁系統依靠5MPa的高壓水進行沖樁作業，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域作業。

4.2低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統

低壓壓縮空氣與消防水混合沖樁系統，其主要設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備，不需要額外進行訂購，且系統設計壓力低，相對而言設備及管附件成本低廉，施工要求不高。

由于該系統設計壓力較低，在進行沖樁作業時需控制壓縮空氣和消防水的流量進行沖樁，且在作業過程中需空壓機進行補氣，造成沖樁作業時間長，沖樁效率較低。由于沖樁介質采用了壓縮空氣，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域。

4.3高壓水與高壓壓縮空氣混合沖樁系統

高壓水與高壓壓縮空氣混合沖樁系統，其主要設備為高壓沖樁泵及高壓管附件和沖樁空氣瓶。沖樁系統復雜，系統為I/II級管系，設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，系統功能強大，可操作性強，作業效率高，對海床的適應性強。

通過對上述三種沖樁系統的優缺點進行分析（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，且對系統整體的成本影響較小。在進行自升式平臺沖樁系統選擇時，可根據其作業環境進行水和壓縮空氣的配置，在滿足使用條件下實現最優的經濟性。

5 結束語

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，尤其在清潔能源領域，自升式風電安裝平臺的市場前景廣闊。沖樁系統作為自升式平臺特有的作業系統，其配置優良尤為重要，直接影響平臺的拔樁效率和風險，是對平臺的經濟性考量的重要標準。本文通過對常用的沖樁系統的配置進行了分析，總結出不同配置系統的優缺點，期望對沖樁系統的設計選配有所幫助。

參考文獻

[1]中國船級社.海上移動平臺入級規范[S].北京：人民交通出版社，2016.

[2]中交第三航務工程局有限公司.一種用于沖樁控制的閥門遙控控制系統及方法.CN105805386B.2019-02-19.

[3] 李會通，王芳，程龍.自升式平臺沖樁分析及沖樁系統設計，中國海洋平臺，2018.

[4] 徐增強.自升式海洋平臺樁靴噴沖系統設計，船海工程，2013.

[5]黎劍波. 自升式鉆井平臺沖樁系統優化設計研究[J].石油機械， 2014（12）：52-56.

[6] 崔偉， 成穎媛. 自升式平臺拔樁問題分析[J]. 船海工程， 2015（11）：156-158.