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移动平台评估服务能力锦上添花

新闻来源:中国船检    浏览量:2533 黄磊 李红涛 2018-03-07
  

  自升式钻井平台在某一井位作业通常的作业流程为:①迁移,由拖轮拖带,将平台迁移到指定的作业地点,此时通常桩靴收入船体,桩腿悬于船体之上;②插桩,升船压载,将桩靴压入预定深度,以使地基对平台的承载力达到作业及风暴工况的要求,避免极端条件下桩腿出现不均匀下沉;③作业,平台处于升船状态,承受作业工况及自存工况的载荷;④拔桩,降船依靠浮力及桩靴冲桩系统,将桩靴由泥面下拔出。
  由于地基土体性质复杂,平台在插桩、拔桩作业中,准确计算桩靴与土体相互作用对自升式平台安全作业起到至关重要的作用。中国船级社(CCS)海工技术中心在多年评估、科研的基础上,依托承担的工信部科研项目研究成果,参考国内外最新研究进展及美国造船工程学会(SNAME)规范等,开发出一套可预评估桩靴阻力-位移曲线变化趋势、预估插桩过程中穿刺现象及最终插桩深度、验算地基稳定性、预测拔桩总阻力的程序,该程序可用于优化桩靴设计,评判各类复杂土质条件是否可供作业、作业工况是否安全、拔桩是否可行等。程序主要实现如下功能: 
  1插桩分析
  自升式平台迁移到指定作业地点后进行插桩作业,在预压载荷下将桩靴压入海底地基。预压载荷根据平台遭遇极端海况时桩靴承受最大载荷确定,确保平台整个作业过程中桩靴压力不会大于预压载荷而产生进一步下沉。自升式钻井平台在进行插桩作业时,桩靴入泥深度相对较浅,海底地基具有浅基础的基本特点,预压过程中当压载超过地基承载能力时,地基土发生冲剪破坏,桩靴继续贯入直至承载力等于设计预压载荷。插桩分析通过输入基本的土质参数、桩靴参数、预压载荷、土体回流率,准确预报复杂层状地基条件下桩靴与海底地基的相互作用,实现成层土下桩靴承载力的分析。计算得到桩靴阻力-位移曲线,并确定最终插桩深度。
  2穿刺分析
  海上自升式钻井平台需要在不同井位作业,在实际桩靴设计时地质条件具有不确定性。当桩靴下沉到坚硬土层在软弱土层之上的情况时,可能发生桩靴突然下沉的穿刺现象。当桩腿桩靴穿刺速度超过平台齿轮齿条维持船体平衡时的下放能力,将导致平台偏转而引起力矩的增加,对平台造成损坏,直到穿刺后土体承载力或船体入水增加的浮力达到预压载量时为止,穿刺过程才会停止。穿刺对于平台来说是属于非常严重的事故类型,因此需要对平台插桩过程中桩腿桩靴与土体的相互作用机理进行深入研究,尽量避免穿刺事故的发生。
  海上自升式钻井平台的失效模式通常与海底土质条件有关。压插桩作业时桩靴遭遇上硬下软的层状地基,很可能发生穿刺现象。若插桩过程中硬土层中最大插桩阻力大于1.5倍预压荷载或在软土层中最小插桩阻力大于1.2倍预压荷载即认为此土层无穿刺风险。穿刺分析需准确预报插桩过程中上硬下软土层的桩靴承载力,预判插桩过程的穿刺风险,保证平台作业安全。
  3拔桩分析
  桩靴拔出的难易程度是衡量自升式钻井平台总体性能优劣的重要指标之一,顺利拔出插入泥中的桩靴是保证自升式钻井操作安全的基本要求。桩靴的上拔过程可以被看作不排水土质条件下的上拔造成土体破坏的过程。拔桩过程中,垂直向上的力有船体浮力和桩腿、桩靴浮力两部分;垂直向下的力有四部分:桩腿、桩靴的重力、桩靴底部的吸附力、桩靴侧面的摩擦阻力和桩靴上部覆土压力。覆土压力,根据土质情况,可分为覆土的重力和被移动覆土体侧面的阻力两部分。
  桩靴上拔的最大上拔力与桩靴形状、贯入深度、上覆土压力、吸附力大小有关。在拔桩作业前,依据桩靴参数、平台作业区域土质参数,通过输入桩靴参数及土质参数,对于是否考虑吸附力及吸附力所占比重计算得出桩靴在该土质条件下的所需的拔桩力,从而进行桩靴上拔作业风险分析。
  4稳定性分析
  桩靴就位后,在环境载荷与平台上部荷载的作用下的稳定性分析,预报桩靴所在复杂地层能否提供足够的作用力以保证平台的安全作业要求。通过研究自升式平台桩靴与海底土壤的相互作用机理及土壤极限承载能力,包括垂向承载力和横向抗滑能力,结合典型场址土壤条件,进行粘土和砂土极限承载能力研究,并形成土壤极限承载能力的典型的理论计算方法,根据竖向和水平承载力绘制粘土和砂土的承载力包络曲线。承载力包络线反应了土体垂直承载力与水平承载力之间的相关性,实现对自升式钻井平台作业安全性的评估。
  5碰撞分析
  在起放桩作业过程中平台处于漂浮状态,在环境载荷作用下下,船体发生摇摆、升沉运动,桩腿随平台运动而与海底发生接触碰撞,触底碰撞是在短时间内桩靴与海底发生的一个复杂非线性动态响应的过程,可能会导致桩靴结构发生整体弯曲和局部凹陷,承载能力降低,进而影响整个平台的安全稳定。研究桩腿下放过程自升式平台的动力响应情况,确定平台的触底力,为确定平台就位/离位环境条件选择提供依据,对平台起放桩作业时平台结构安全评估具有重要的指导意义。
  程序可针对复杂土质及桩靴预测桩靴入土过程中的插桩阻力变化,预测穿刺现象,对桩靴进行优化设计,验算桩靴就位时作业工况的稳定性及计算桩靴拔桩过程所需的拔桩力。该程序能够为保障平台安全作业提供快速、准确的桩土作用分析,进一步完善了CCS海工技术中心在移动平台评估方向的服务能力。
 
  本文作者联系方式
  黄磊   电话:022-62022888-1225
  邮箱:l_huang@ccs.org.cn
 
  李红涛 电话:022-66216618
  邮箱:htli@ccs.org.cn
 
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