海洋平臺鋼樁內水泥清理技術研究

徐龍達，劉雪宜，趙 軍，楊孝龍，楊春江

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300457）

0 引言

自20世紀60 年代以來，在53 個國家的海域中［1］，投資建設的油氣生產設施共有7 500 多座。水深從數米延伸到200多米，上部組塊的質量也從數百噸變化至數萬噸。平臺的設計壽命一般約為10～30年。

從1990年到2006年，墨西哥灣新建平臺2 251 座，棄置2 188 座。根據文獻［2-3］，預計2040年全球將有2 000 座海洋平臺停止生產，600余座平臺需要拆除［4］。2022 年以前，泰國預計要完成50座平臺的拆除。目前國內拆除業務呈逐年上升趨勢，據中國海洋石油集團公司工程建設部預測，僅國內的拆除額就達到數百億元人民幣，據統計，近幾年僅中國海域就有19個油田的部分平臺到達服役期。由此可見，海洋平臺拆除既是龐大的技術產業，又有廣闊的經濟市場，未來幾年平臺拆除市場機遇非常大［4］。

《海上油氣生產設施廢棄處置管理暫行規定》要求：“海上油氣田終止生產后，如果沒有新的用途或者其他正當理由，作業者應當自終止生產之日起一年內開始廢棄作業”［5］。對海上廢棄設施已經或將要達到服役期進行拆除工作時，無論采用內切割方式還是外切割方式，都需要進行導管架鋼樁內排泥作業［6-7］。作為海洋結構設施拆除的重要環節，吸排泥作業是首先需要解決的問題，若排泥設備效率低、不便于水下操作，勢必會影響工期，增加船舶成本以及項目施工成本，所以研究制作操作方便、適用于多種管徑鋼樁效果良好的水泥清理設備，在海洋結構設施拆除中是十分必要的。對于渤海海域現役的導管架在安裝時普遍存在返漿情況，這樣給鋼樁內的排泥工作造成了很大的困難。導管架拆除時，如何清理鋼樁內固化水泥，應該創新開拓技術，研發裝備。

針對渤海海域大部分灌漿導管架水泥標號強度，本文有針對性地研究樁內水泥清理技術措施方法，并制作了一套鋼樁內水泥清理原理樣機。水泥清理效率高，研發投入比較低廉，屬于低投入高產出的典型設備，且結構清晰操作方便。解決了在海洋平臺廢棄拆除時遇到鋼樁內存在水泥情況如何清理的問題，為后續海洋平臺樁內水泥清理提供參考。

1 技術方案設計

鉆水泥原理［8-9］：通過液壓管線驅動底部的液壓馬達，帶動滾刀鉆頭旋轉，對鋼樁內水泥進行破壞。在樁內采用4個液壓支撐臂結構來實現防扭轉，鉆頭向下的推力由液壓缸提供。其中防扭液壓缸伸縮為單獨動作，驅動馬達回轉和推進油缸的伸縮為同時動作。主要技術包括如下3點：水下液壓鉆頭系統設計、水下液壓臂防扭轉裝置、水下推進系統設計。整體設計如圖1所示。

圖1 整體結構

1.1 固定部分設計

鉆頭在轉動時會對上部機構產生扭轉力，本設計采用液壓臂來實現防扭轉功能。液壓臂推動導桿與樁壁緊密接觸，產生較大的摩擦力，在整個受力過程中，液壓缸只提供推力，扭轉制動力最終傳遞到導桿上，從而保護液壓缸。本設計采用上下兩組液壓缸提供推力，前端帶摩擦頭與鋼樁壁接觸產生摩擦力來防止扭轉。上面是兩排水平布置錯開成90°的4 個液壓缸，提供4點定位；下面是垂直布置的2 個液壓缸，推動圓盤從而帶動4根軸伸出進行定位［10］。如圖2～3所示。

圖2 防扭液壓缸

圖3 防扭液壓缸

1.2 水下推進系統設計

推進裝置采用液壓缸與導桿組合的形式，兩個液壓缸只提供推力，而扭矩通過4根導桿來傳遞到鋼樁壁上。推進系統行程為300 mm。推進系統內導桿和套筒之間上下均采用密封，防止外部泥沙進入損壞導桿。如圖4所示。

圖4 推進系統

1.3 水下鉆進部分設計

根據國內鉆頭制造廠家的參數，選用鑲齒滾刀鉆頭，完全能夠滿足鉆水泥的需要。動力裝置采用液壓馬達，通過減速機帶動鉆頭旋轉，從而向下鉆進，如圖5所示。

圖5 鉆頭總體結構

1.4 液壓動力單元設計

液壓動力單元主要功能包括：（1）控制鎖緊液壓缸的伸縮，實現設備的固定；（2）控制推進液壓缸的伸縮，實現鉆頭的升降；（3）控制液壓馬達，實現鉆頭的推進。液壓原理如圖6所示。

圖6 液壓原理

1.5 控制系統設計

控制系統設計為控制柜，采用不銹鋼材質焊接制成，底座懸空方便搬用及運輸；柜內電氣控制采用自動化可編程控制器和超大人機界面作為核心控制器，同時設計了不依賴核心控制器的手動系統，用以在設備出現故障或者調試設備時可提供的控制方式。

弱電系統采用電氣隔離以及濾波，增強系統抗干擾能力；外部控制電壓采用安全電壓（DC24V），用以控制電磁閥或其他被控制裝置。

強電系統用于油泵電機的動力驅動，大功率油泵采用自耦減壓的方式進行啟動，同時配備電機綜合保護控制器，在電機出現過載或缺相以及自身電氣故障時切斷動力供電回路用以保護電機。

控制柜按鈕安裝于柜體門上，用以控制操作設備時使用同時在人機界面上也有相應的控制窗口；柜門上設有電氣儀表用以監測和查看設備的電流以及電壓，同時柜體右側上方醒目的地方設層疊狀態指示燈用以指示設備當前的狀態。如圖7所示。

圖7 控制柜布置

2 設備選型

2.1 鉆頭選型

海洋平臺導管架灌漿水泥強度等級為52.5 MPa，水泥強度是表示水泥力學性能的一項重要指標，是評定水泥強度等級的依據。各強度等級水泥在各齡期的強度值不得低于表1 所示的數值［11］。

表1 水泥強度值

（1）鉆頭分類

用于破巖的刀具主要分為滾刀和刮刀兩類，考慮到實際工作條件，應選擇滾刀，如圖8所示。

圖8 滾刀鉆頭

滾刀鉆頭以刀具的滾刀鉆進地層。鉆頭由鉆頭體和若干滾刀組合而成。滾刀有楔齒、盤形齒和球齒3 種形式，其支座有懸臂式和雙支點鞍形兩類。鉆頭通常采用平底或階梯式，適用于鉆進硬土、砂礫石及各種巖石。

（2）滾刀布置

滾刀的刀具布置如圖9所示，分布于刀盤最外圈的刀具為邊刀，介于邊刀與中心刀之間布置的刀具為正刀，安裝在刀盤中心位置的刀具為中心刀。

圖9 滾刀

（3）刀齒

滾刀刀齒的分類如圖10 所示，滾刀鉆頭可分為鋼齒及鑲齒（硬質合金鋼）兩種。鋼齒牙輪鉆頭主要用楔形齒。根據巖石軟硬不同，楔形齒的高度、齒數、齒圈、齒圈距等都不同。巖石越硬，楔形齒的高度越低，齒數越多，齒圈越密。反之則相反。牙輪外排齒采用“T”形齒或“II”形齒。

圖10 刀齒分類

鑲齒鉆頭的齒形有球形齒、楔形齒和錐形齒等。在軟巖中使用楔形齒，在中硬巖中使用錐形齒及錐球齒，在硬巖中使用球形齒。隨巖石硬度的增加，硬質合金齒的露齒高度減少，齒數增多，齒圈數增多。反之則相反。

（4）滾刀結構

刀體的結構如圖11 所示，刀體表面鑲嵌硬質合金齒的滾刀，它由滾刀體、主軸、軸承及密封等部分組成。鉆頭選型根據“中國地質科學院勘探技術研究所大口徑鉆頭鉆具研制中心”提供資料，滾刀鉆頭分為表2所示的3種。

圖11 滾刀結構簡圖

表2 滾刀鉆頭分類

在海洋平臺導管架灌漿中，灌漿水泥強度等級不小于52.5 MPa，因此選用鑲齒滾刀鉆頭。針對鋼樁直徑1 000 mm的鋼樁，鉆頭直徑選用900 mm，每個鉆頭上安裝5 個8 in滾刀。

2.2 液壓馬達選型

（1）鉆頭扭矩計算

滾刀鉆頭在鋼樁內部轉動過程中，受到的力如下式所示：

式中：T1為刀具上的切削阻力；T2為刀盤正面與水泥的摩擦力扭矩；T3為刀盤側面與鋼樁的摩擦力扭矩；T4為刀盤轉動時自身內摩擦阻力扭矩。

根據在工程實例中，刀具的切削力扭矩T1和刀具正面與水泥的摩擦阻力扭矩T2在總設計扭矩中所占的比例估算：

在巖石條件下理論所需最大扭矩T1 是在最大轉速下扭矩所得出［12］：

式中：Pu為單個滾刀的載荷；n 為滾刀數量；k1為地質因數；R為刀盤半徑；K2為刀盤的半徑因數（決定滾刀的平均回轉半徑）；D為刀盤直徑；FC為軸推力。

一般情況下，當相對運動速度較低時，隨著運動速度的增加，動摩擦因數也增加；但當運動速度達到某一數值時，動摩擦因數就不再增加，反而減小。鉆進時，動摩擦因數可由下式近似求得：

式中：μ為動摩擦因數；μ0為靜摩擦因數；υ為工具與巖石的相對運動速度。

參考鉆頭與巖石的摩擦因數，在泥漿濕潤的情況下，取靜摩擦因數μ0＝0.4；計算得，動摩擦因

當清理直徑1 000 mm鋼樁時，鉆頭直徑為900 mm，Td＝16 kN·m。

（2）鉆頭轉速計算

根據廠家提供的鉆頭數據，鉆頭的轉速不超過27 r／min，綜合上述論證，最終確定鉆頭的主要技術參數如表3所示。

表3 鉆頭參數

（3）減速機計算選型

減速機輸出轉速：N1＝27 r／min。

式中：T1為鉆頭工作扭矩，T1＝16 kN·m；η為減速機到鉆頭的最大效率，η ＝0.97。

選擇寧波邦力減速機的GFB36T3 回轉減速機，該減速機的主要參數如表4所示。

表4 所選減速機參數

（4）液壓馬達計算選型

液壓馬達的最大輸出扭矩：

馬達輸出轉速：

馬達的排量：

式中：P1為馬達進出口壓差，P1＝32 MPa；η2為馬達機械效率，η2＝0.9。

馬達轉速n ＝N ＝3.6 ×103r／min。

旋轉內嵌式斜軸定量柱塞馬達A2FE-63-VAL107，其主要技術參數如表5所示［13-14］。

表5 所選馬達技術參數

2.3 液壓缸選型

2.3.1 液壓缸軸向推力計算

參考《現代采礦手冊》潛孔鉆機的合理推力可用以下經驗公式計算：

式中：Fc為軸推力，N；D 為鉆孔直徑，cm；f 為巖石的普式硬度因數。

通常用的普式巖石分級法根據堅固性系數進行巖石分級［15］，如：極堅固巖石f ＝15～20（堅固的花崗巖，石灰巖，石英巖等）；堅硬巖石f ＝8～10（如不堅固的花崗巖，堅固的砂巖等）；中等堅固巖石f ＝4～6（如普通砂巖，鐵礦等）；不堅固巖石f ＝0.8～3（如黃土，僅為0.3）。

根據以上對水泥的普式硬度值取f ＝6，通過計算可以得出不同內徑樁腿鉆進時鉆頭所要的軸向推力。鋼樁直徑1 000 mm時，鉆頭直徑為900 mm，軸推力Fc＝18.9 kN。

2.3.2 推進液壓缸計算選型

本設計采用單活塞桿雙作用推力液壓缸。防扭油缸和推力油缸的工作壓力均為16 MPa，根據工程實際需要，液壓缸的行程選300 mm。

（1）油缸活塞直徑計算

式中：P為油缸的工作壓力，P ＝16 MPa；P1為假設油缸回油壓力，P1＝1 MPa；F為油缸最大推力，F ＝19.74 kN；?為油缸速比，? ＝＝2；V1為油缸伸出速度，V1＝6 m／min；V2為油缸縮回速度，V2＝12 m／min。

（2）活塞桿直徑

選擇北京華德液壓油缸HD-HSG-L01-80／55G4311-300*安裝距，其主要技術參數如表6所示。

表6 所選液壓缸參數

（3）系統所需流量

液壓缸伸出時的流量：

液壓缸縮回時的流量：

2.3.3 上部防扭液壓缸的計算選型

（2）油缸活塞桿直徑

選擇北京華德液壓HSG 型液壓缸HD-HSG-L01-80／55G1311-50*安裝距，其主要技術參數如表7所示。

表7 所選液壓缸參數

2.3.4 下部防扭液壓缸的計算選型

（2）油缸活塞桿直徑

選擇華德液壓HSG型液壓缸HD-HSG-L01-80／55G1311-50*安裝距，其主要技術參數如表7所示。

3 結構有限元分析

3.1 分析對象

鋼樁水泥清理設備主要分析整體結構強度及變形。模型從Solidworks中導入，在Ansys Workbench 中進行有限元分析。本次分析采用的材料為不銹鋼316L，其材料屬性如表8所示。

表8 有限元分析中使用的材料屬性

3.2 邊界條件

水泥清理設備由8根防扭臂支撐，采用固定約束，下方扭轉力矩為16 kN·m，向上推力為18.9 N。施加載荷及邊界條件后的有限元模型如圖12所示。

圖12 模型的載荷及邊界條件

3.3 計算結果

本次分析采用靜力分析，設備受力后的應力及變形云圖如圖13～14所示。其中應力最大值為114 MPa，在下部防扭臂處，變形最大值為0.09 mm，該最大值位于設備底部。

圖13 應力云圖

圖14 變形云圖

由本次有限元計算結果可知，鋼樁內水泥清理設備在最大載荷作用下，最大應力為114 MPa，而材料最小的靜態屈服極限為170 MPa，安全系數為170／114 ＝1.5，則可知，設備在最大載荷作用下安全。

4 結束語

隨著海洋石油事業的不斷發展，水下排泥作業日益增多，海洋水下結構物拆除作為海洋石油的末端產業起步較晚，專門針對海洋水下結構物拆除吸排泥設備的技術尚未成熟，特別是對于水泥等硬質材料的清理方法需要進一步研究，以提高吸排泥下來，降低海上施工成本。

針對渤海海域大部分灌漿導管架水泥標號強度，本文有針對性地研究樁內水泥清理技術措施及方法，并結合海洋結構設施拆除排泥的特點，制作了適用于海洋結構設施的水泥清理設備，解決了在海洋平臺廢棄拆除時遇到鋼樁內存在水泥情況如何清理的問題，為后續海洋平臺樁內水泥清理裝備研發提供參考。