油田深水管網(wǎng)檢測(cè)維修裝置穩(wěn)定性分析

油田深水管網(wǎng)檢測(cè)維修裝置穩(wěn)定性分析

經(jīng)過20多年的勘探和開發(fā)，勝利平原區(qū)石油天然氣生產(chǎn)面積近9000公里2。經(jīng)過20多年的勘探和開發(fā)，形成了“中央平臺(tái)、衛(wèi)星平臺(tái)”的開發(fā)模式。每個(gè)平臺(tái)都連接著海上商業(yè)渠和海上公路，整個(gè)開發(fā)領(lǐng)域都被連接著。在水下形成一個(gè)截面管道和電網(wǎng)，相互連接和依賴，是海上油氣開發(fā)的動(dòng)脈。為了及時(shí)了解和掌握這些管網(wǎng)和電網(wǎng)的使用狀況,便于及時(shí)維修和更換,勝利油田建造了一艘淺海水下管線(電纜)檢測(cè)維修裝置(以下簡(jiǎn)稱“裝置”),它是具有水面船舶和水下潛器二重性的海上裝備,定位并坐落于海底,對(duì)管線、電纜進(jìn)行檢測(cè)和維修。盡管該裝置通過先進(jìn)的智能操縱、控制和動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的定位及坐落,但是坐落后能否牢固地固定在海床上將直接影響到維修作業(yè)及整個(gè)裝置的安全。因此,裝置坐底后的穩(wěn)定性成為一個(gè)不容忽視的問題,在設(shè)計(jì)中要進(jìn)行重點(diǎn)考慮,尤其是為了提高抗滑能力要采取必要的措施和手段。1坐在地上綜合分析整個(gè)勝利埕島海區(qū)的歷史成因、海洋環(huán)境、地質(zhì)地貌等因素,歸納為以下幾個(gè)方面:(1)泥沙對(duì)地基的固結(jié)性勝利埕島海區(qū)位于黃河三角洲東北部的渤海淺海中,是黃河的入海口。由于黃河具有特大的含沙量,每年將大量的泥沙輸入到該海域,并不斷的淤積、延伸。這些泥沙的沉積物由粉沙、細(xì)沙及含少量粘土的沙所構(gòu)成,其顆粒松散,膠結(jié)性差,使得地基不易固結(jié),強(qiáng)度低,并極易發(fā)生液化。因此,裝置一旦坐落在這樣的地基上,在海流、風(fēng)浪的不斷作用下,海底土壤將會(huì)造成破壞,底部摩擦力減少,導(dǎo)致裝置發(fā)生滑移而影響其正常工作。(2)海底流場(chǎng)的變化處于自然平衡環(huán)境下的海底,其海流、波浪等是有規(guī)律、無阻礙的,通常不會(huì)出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象。但是裝置坐底后,使海底的流場(chǎng)發(fā)生了變化,改變了海流的方向,形成了旋渦。當(dāng)流動(dòng)速度超過泥沙啟動(dòng)流速時(shí),將會(huì)產(chǎn)生局部沖刷,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),沖刷不斷地進(jìn)行,較輕的懸浮物被海流帶走,在裝置四周出現(xiàn)凹坑和凸起,淘空現(xiàn)象也隨之發(fā)生,并由局部擴(kuò)展到整體,情況嚴(yán)重時(shí)在裝置的底部形成大面積凹坑,造成裝置傾斜。(3)影響水體的風(fēng)力由于裝置坐底后所受到的外力為風(fēng)、浪、流的合成,所以船型的設(shè)計(jì)選型十分重要。船型肥大,其水阻力也大,工作水深的變化也會(huì)影響波浪對(duì)船體的作用力。其次風(fēng)力的強(qiáng)弱也會(huì)影響到船體的坐底穩(wěn)性。勝利油田埕島海域在冬、春兩季北風(fēng)較強(qiáng),形成較大的波浪,同時(shí)涌的持續(xù)時(shí)間也長(zhǎng),造成裝置淘空的概率也大。夏、秋兩季風(fēng)力相對(duì)較小,以南風(fēng)為主,海上不易形成大浪,海面較平穩(wěn),造成沖刷、淘空的可能性較小,因此,設(shè)計(jì)船型的合理與否、適合的工作環(huán)境條件等都是引起裝置滑移的因素,在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。2抗滑能力的計(jì)算裝置在坐底狀態(tài)下,引起滑移的外力來自波浪力、海流力和風(fēng)力的組合,即:滑移力FH=F+∑FLi(kN)其中:F—風(fēng)力,∑FLi—波浪力。因?yàn)樵撗b置長(zhǎng)度大于寬度,故只考慮橫向?qū)︼L(fēng)、浪、流時(shí)的抗滑穩(wěn)定性。裝置作業(yè)時(shí)工作水深的不同,其合成后的總滑移力是變化的,該裝置工作水深范圍2.5～20m之間,經(jīng)計(jì)算分析,在水深5m的海區(qū)作業(yè)時(shí),所受到的外力最大,各力疊加后滑移力達(dá)到886kN,這與淺水區(qū)域且近水面處波浪規(guī)律的復(fù)雜、不規(guī)則性造成波浪力變化較大是一致的,此時(shí)裝置的迎風(fēng)面積也較大,風(fēng)力也偏大。而抵抗裝置發(fā)生滑移的阻力RH根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》知:RH=RC+RCf+Rs(kN)RΗ=RC+RCf+Rs(kΝ)其中:RC—裝置底部的土壤凝聚力,RC=C×Amb;RCf—裝置底部周邊的摩擦力;RCf=C×Ams;Rs—裙板或抗滑樁等外加措施產(chǎn)生的抗滑力;Rs=C×Ams;Amb—裝置底部與海底有效接觸面積(m2);Ams—裝置底部埋入海床部分與滑移方向平行的兩個(gè)側(cè)面積之和(m2);C—土壤的剪切強(qiáng)度(kN/m2)?？够€(wěn)定性以抗滑安全系數(shù)KH為衡量標(biāo)準(zhǔn):KH=RH/FH?！兑?guī)范》要求:作業(yè)工況時(shí),KH不應(yīng)小于1.4;自存工況時(shí),KH不應(yīng)小于1.2。從上述計(jì)算公式可以看出,要提高裝置的抗滑能力,一是減小滑移力FH,這取決于一定的設(shè)計(jì)海況條件和裝置的設(shè)計(jì)線型。由于工作環(huán)境條件是自然客觀存在的,已經(jīng)確定的設(shè)計(jì)海況條件是不能改變的,而裝置的線型設(shè)計(jì)在總體設(shè)計(jì)構(gòu)想時(shí)為了滿足正常工作的需要,往往首先確定了整個(gè)裝置的外型,在這種情況下,滑移力也就確定了,因此,提高抗滑能力應(yīng)主要從提高抗滑阻力方面著手。從抗滑阻力計(jì)算公式中可以看出,RH取決于:1)土壤的剪切強(qiáng)度;2)底部及有關(guān)各側(cè)面的有效接觸面積;3)有無裙板或抗滑樁等輔助設(shè)施。根據(jù)對(duì)埕島油田所在海域的土質(zhì)取樣調(diào)查看,海底地基如前所述,主要是由于黃河攜帶泥沙入海,經(jīng)過歷代的反復(fù)沖積、沉淀后形成的,表層的土質(zhì)狀況極不穩(wěn)定。對(duì)不同水深和海區(qū)進(jìn)行的土質(zhì)取樣進(jìn)行分析,其性能參數(shù)雖略有不同,但其0～6m表層土質(zhì)屬性和快剪內(nèi)聚力都很相近。對(duì)于要適應(yīng)埕島海域2.5～20m范圍內(nèi)進(jìn)行維修作業(yè)的裝置來講,土壤剪切強(qiáng)度的取值大小直接影響到坐底的穩(wěn)定性。綜合對(duì)比各不同井位的鉆孔資料分析,作為工程實(shí)際應(yīng)用一般取平均土壤剪切強(qiáng)度,其C值取15kN/m2。因此對(duì)于裝置抗滑移阻力RH來講C值是確定的。從增大有效接觸面積提高抗滑能力來看,這是一條有效途徑。該裝置既可以在水面航行,又可以在水下航行,還能坐底定位。對(duì)于水面航行和水下航行時(shí)為了減少船體的航行阻力,設(shè)計(jì)的船型要求艏尖、底窄,并且還要保證螺旋漿的推水效率,但是為增大底部接觸面積必然船型要肥胖,航行阻力也大。為了兩方面均能做到最好,在設(shè)計(jì)船型時(shí)要對(duì)比、優(yōu)化,做到二者兼顧。增加輔助的抗滑措施,同樣是提高抗滑能力的有效途徑。從目前淺海正在使用的各類型坐底式平臺(tái)來看,為增大其坐底后的穩(wěn)性,所采用的方法有:在平臺(tái)的四周投放沙袋;設(shè)置方形或圓形的抗滑樁;設(shè)置水平和垂直裙板等。該裝置工作時(shí)類似于坐底式平臺(tái)作業(yè)時(shí)的工況,故完全可以借鑒以上抗滑措施,并加以改進(jìn)。因此,增加有效的接觸面積和采取輔助措施是提高裝置抗滑穩(wěn)定性的可靠方法,在設(shè)計(jì)中作了重點(diǎn)考慮。3本工程中采取的抗滑措施3.1裝置的底部設(shè)置由于耐壓結(jié)構(gòu)殼體的需要,裝置底部的底板和邊側(cè)板設(shè)計(jì)成圓弧形圓滑過渡,艏艉兩頭為了減少水阻力也處理成弧形。因此,船體的流線型較好,但是卻減少了有效坐底面積且易于引起沖刷,造成裝置底部土壤的淘空。為了解決這一問題,裝置借用了船舶的防搖鰭和坐底式平臺(tái)防淘空裙板的原理,在裝置的底部四周設(shè)置了防沖、抗滑裙板。裙板與底部成60°角且比底部凸出50mm(見圖1),這樣既彌補(bǔ)了圓形過渡所造成的面積損失,增大了有效接觸面積,也減緩了海流對(duì)裝置底部的沖刷而形成的淘空,同時(shí)增加了裝置23%的對(duì)地接觸面積。3.2馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺旋裝置設(shè)置抗滑樁是增加抗滑能力、提高裝置坐底穩(wěn)性的有效途徑。該裝置的抗滑樁在傳統(tǒng)的抗滑樁基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大的改進(jìn),它完全不同于坐底式平臺(tái)的抗滑樁(見圖2),螺旋樁定位系統(tǒng)是由液壓油缸和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的。它的運(yùn)動(dòng)是依靠液壓油缸驅(qū)動(dòng)螺旋裝置上下運(yùn)動(dòng),液壓馬達(dá)提供螺旋裝置旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。它由液壓油缸、液壓馬達(dá)、滑動(dòng)底座、螺旋樁體、導(dǎo)向柱和限位底座組成。共設(shè)置4套,每舷各2套,其功能有3個(gè)方面:1)裝置坐底后進(jìn)行定位,將船體牢固地固定在海床上;2)提供裝置的垂向正壓力,防止裝置因浮力變化而減小其對(duì)地壓力,提高裝置的抗傾穩(wěn)性;3)提高裝置的抗滑移能力,增強(qiáng)坐底穩(wěn)性。該螺旋樁的螺旋葉片直徑達(dá)400mm,總行程1800mm(裝置的型深3000mm)。僅從提高抗滑能力這一方面來考慮,根據(jù)Rs=C×Ams計(jì)算,裝置的有效接觸面積可提高約10%。3.3水體的過渡帶在設(shè)計(jì)船型時(shí),由于艏、艉均裝有推進(jìn)器,為了保證推進(jìn)效率和推水效果,艏、艉船型采用了高速船舶的流線型設(shè)計(jì),考慮殼體的耐壓,船側(cè)上部、底部采用了大半徑的圓弧過渡。因此,縱向流線型船體占去了船體總長(zhǎng)度的一半,而圓弧形過渡又占去船寬的十分之一(考慮船體在海底要有一定的埋入深度,這部分面積可作為有效面積計(jì)入)。另外,工作艙又占去了船體近14m2的面積(工作艙直徑4.2m),剩余的底部面積才能作為有效接觸面積使用,所以,設(shè)計(jì)該裝置船型時(shí),除了必要的船體線型和工作艙等所占去的面積外,其余的整個(gè)底部均設(shè)計(jì)成平底,盡可能在總船體尺度確定的前提下,保證其有效接觸面積為最大。3.4工作艙結(jié)構(gòu)形式由于工作性質(zhì)的需要,直徑4m的工作艙在正常作業(yè)時(shí)需要進(jìn)入海床0.5～2.6m,為保證工作艙的安全,在工作艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了一旦裝置發(fā)生滑移對(duì)工作艙產(chǎn)生的擠壓力。反之,工作艙的結(jié)構(gòu)能夠承受一定的擠壓力,這對(duì)整個(gè)裝置的穩(wěn)定性起到加強(qiáng)作用。3.5海底地基物理指標(biāo)裝置配備這些設(shè)備后,可對(duì)所工作海域的海底地貌情況預(yù)先探明,提供海底地基的物理參數(shù),判斷其地基承載能力、土質(zhì)類型等。必要時(shí)可對(duì)地基進(jìn)行加固處理,改善土壤的性質(zhì),保證裝置坐底后有足夠的穩(wěn)定