大直徑超長樁海上吊裝技術與應用

葉永彪，高 峰，張 行，傅文志，葉海賓

(深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067)

大直徑超長樁海上吊裝技術與應用

葉永彪，高 峰，張 行，傅文志，葉海賓

(深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067)

海上鋼樁是海洋工程中常見的一種結構，常用于海洋平臺導管架、海上風電裝置樁基及單點系泊系統錨端等。海上鋼樁的安裝對整個海上工程的進程及費用都具有重大影響，其中鋼樁的海上吊裝作業是最重要的一環，對船舶的吊機能力有很大的要求。當鋼樁超過一定長度時，倘若吊機無法將鋼樁垂直起吊，則需要水平吊裝至水下進行扶正。闡述了大直徑超長樁的海上吊裝水下扶正方案，研究了其中的關鍵技術難點，并以南海某海域單點系泊系統樁基打樁為工程實例，詳細介紹并驗證了水下扶正方案的可靠性。該方案可為大直徑超長樁的海上安裝提供新的思路和途徑。

海上工程；鋼樁；水下扶正；索具布置；水下機器人

0 引 言

近年來，隨著海洋石油行業的蓬勃發展，各類海洋工程結構都向著深水、大型化及集成化發展，對這類大型海上工程結構的施工也提出了更高的要求。海上鋼樁是海洋工程中常見的一種結構，常用于海洋平臺導管架、海上風電裝置樁基及單點系泊系統錨端等。對于常用的海洋平臺導管架、海上風電裝置樁基等，都采用大型浮吊船來進行安裝，其結構材料和施工作業對海上工程的費用都具有重大影響[1-2]。

單點系泊系統樁基使用一段鋼樁作為錨端，其特點是抗拉能力強，尤其是抗垂向拉力，它是最理想的錨端之一[3]。對于普通的單點系泊系統樁基而言，若動用大型浮吊船來進行安裝，則容易造成工程成本過大，對整個項目產生不利影響。本文基于采用常規多功能施工船進行大直徑超長鋼樁的海上安裝遇到的技術瓶頸，詳細介紹了單點系泊系統大直徑超長樁基的海上吊裝水下扶正方案，研究了樁基吊裝的索具布置方案設計及吊裝存在的關鍵技術難點和風險點。以南海某海域單點系泊系統樁基打樁為工程實例，詳細介紹并驗證了海上吊裝水下扶正方案的可靠性。

1 鋼樁海上吊裝方案簡介

對于安裝導管架的大型起重船，一般可以依靠其大噸位的吊機在甲板直接豎樁，然后垂直下放至海底。但是對于常規多功能施工船而言，其吊機能力很難達到要求。因此，當鋼樁超過一定長度時，吊機無法在甲板豎樁，則需要在甲板預先裝好起樁器及安裝索具，然后將鋼樁吊裝下放至海底再進行水下扶正[4]。

水下扶正方案在操作性、安全性等方面具有諸多優點，因此被廣泛應用于大型鋼樁的海上吊裝作業。其優勢主要表現在以下幾個方面：(1)對吊機作業能力要求大大降低；(2)水下豎樁，不需要對船舶甲板進行加強或限位改造；(3)全程水下機器人(ROV)操作，不需要飽和潛水，適于深水水下工程安裝。

2 吊裝索具設計

水下扶正方案需要ROV全程操作，因此關鍵是如何布置索具[5-6]以便ROV水下操作。對于一般的鋼樁海上吊裝水下扶正問題，錨樁的吊裝索具布置參考圖1。

圖1 錨樁吊裝索具布置Fig.1 Rigging arrangement for anchor pile lifting

起樁器(見圖2)是整套水下扶正系統的核心設備，用于連接錨樁和吊機鋼絲繩。其作用原理是基于液壓控制，預先將起樁器安裝至錨樁頂部，然后加壓使其膨脹，通過外層復合橡膠材料與錨樁內壁的摩擦力，來提供扶正錨樁所需的吊裝力。

圖2 起樁器現場照片Fig.2 Photo of internal lifting tools

3 關鍵技術難點

從鋼樁海上吊裝作業的施工流程可以看出，吊裝作業的關鍵是索具布置及水下ROV操作，其中的關鍵技術難點及風險點主要是以下幾點：

(1) 吊裝重心控制。為了確保鋼樁在吊裝過程中的平衡，需要精確計算錨樁的重心，然后調整索具長度以確保吊點在重心位置[5]。

(2) 飛濺區索具松弛現象。由于鋼樁內部中空，因此當鋼樁下放進入飛濺區時，需要控制吊機速度以防出現索具松弛現象，另外索具還要設計成進水端稍微向下傾斜(傾斜高度約為鋼樁半徑)，這樣下放穿越飛濺區時海水能比較快速地進入鋼樁內部，從而避免出現索具松弛現象。

(3) ROV操作。水下解開ROV卸扣和吊裝卡以釋放吊裝索具，但倘若出現緊急情況無法解開ROV卸扣時，則需ROV配備液壓剪剪掉對應的環形吊帶[5]。

4 工程應用舉例

4.1 工程背景

南海某油田計劃開發1艘15萬噸級浮式生產儲卸油裝置(FPSO)及單點系泊系統，單點系泊系統計劃采用3組共12根錨系來固定，錨系起始點計劃采用鋼樁作為錨端，油田作業水深為115 m。表1是錨樁的參數[5]。

主作業船參數為船長120.8 m，船寬22 m，型深9 m，吃水6.6 m，主吊機最大吊重能力250 t，吊臂范圍12～36 m。

表1 錨樁參數Table 1 Anchor pile parameters

4.2 施工流程

鋼樁海上吊裝作業主要包括以下幾個步驟：

(1) 運輸駁船甲板安裝起樁器，并加壓膨脹使其與錨樁內部完全接觸并產生摩擦力，見圖3。

圖3 運輸駁船甲板安裝起樁器Fig.3 Internal lifting tool installation on transportation vessel

(2) 運輸駁船甲板安裝吊裝索具，索具布置參考圖1。

(3) 主作業船靠泊運輸駁船，起吊鋼樁，見圖4。

(4) 起吊鋼樁，進入飛濺區，下放至海底，ROV全程監控，見圖5。

(5) ROV水下解開ROV卸扣和吊裝卡，開始豎樁，見圖6。

(6) 吊機扶正鋼樁，完成吊裝，進行下一步打樁工作，見圖7。

圖5 安裝船下放鋼樁,ROV監控Fig.5 Installation vessel deploying anchor pile with ROV monitoring

圖6 ROV解扣，吊機豎樁Fig.6 ROV release; anchor pile upending with the help of crane

圖7 完成豎樁Fig.7 Anchor pile upending finished

5 結 語

在超長樁基的安裝過程中，水下扶正操作是施工的關鍵。基于樁基吊裝的過程分析、索具選擇和ROV控制，提出了一套合理的施工方法并應用于工程實際，主要形成了如下幾點結論：

(1) 鋼樁海上吊裝水下扶正方案能大大降低吊機作業需求，避免甲板豎樁，且采用全程水下ROV操作，因而可廣泛應用于大直徑超長鋼樁的海上吊裝。

(2) 索具布置是鋼樁吊裝水下扶正方案的關鍵之一。要精確計算好重心，確定索具的長度以及吊點位置以確保吊裝過程錨樁平衡，同時下水過程需控制吊機速度及錨樁進水速度以確保不會發生索具松弛現象。

(3) 南海某油田海上工程鋼樁直徑達2.13 m、長度達49 m、重量達145 t。該工程的順利施工為大直徑超長鋼樁的海上吊裝提供了新的思路和方案。

[1] 侯金林. 海上平臺樁基施工風險及技術對策[C].第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集, 2011: 532.

[2] 宗紅霞. 海上風機單樁基礎扶正導向裝置研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學， 2009.

[3] 中國海油(中國)有限公司深圳分公司. 海上浮式生產設施系泊錨系檢測與維修關鍵技術手冊[S]. 2013.

[4] 王啟茂,王江天. 液壓打樁錘在海港樁基工程中的應用[J]. 中國港灣建設, 2003(6): 9.

[5] 深圳海油工程水下技術有限公司. 錨樁安裝程序[S]. 2014.

[6] 深圳海油工程水下技術有限公司. 錨樁安裝分析[S]. 2014.

TechnologyandApplicationofOffshoreLiftingforLarge-DiameterandUltra-LongAnchorPile

YE Yong-biao, GAO Feng, ZHANG Xing, FU Wen-zhi, YE Hai-bin

(COOECSubseaTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Offshore anchor pile is very common in offshore structures such as jacket platform, offshore wind turbine platform and single point mooring system, etc. The installation of anchor pile has significant effect on the cost and process for the whole engineering, in which the lifting is the most important procedure in the offshore operation because it has a great demand for the crane capacity of the vessel. When the anchor pile is too long for the crane to lift vertically, underwater horizontal upending is required in the operation. We elaborate the scheme of underwater horizontal upending for the large-diameter and ultra-long anchor pile offshore lifting and discuss the key technical difficult points. An engineering example of anchor pile installation of single point mooring system in South China Sea is given, through which the reliability of underwater horizontal upending scheme is introduced and validated. This program provides new ideas and approaches for large-diameter and ultra-long anchor pile offshore installation.

offshore engineering; anchor pile; underwater horizontal upending; rigging arrangement; remotely operated vehicle

TE54;P752

A

2095-7297(2015)01-0060-04

2015-01-29

葉永彪(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事機械設計方面的研究。