M—200液壓打樁錘變徑樁套的優化設計研究

韓士強 魏佳廣

摘要：本文設計了一種用于海上鋼樁/隔水套管安裝的液壓打樁錘變徑樁套。根據潿洲12-2油田生產項目實際需求進行科技創新，通過優化設計、數值模擬，為M-200液壓打樁錘提供了一種新型、簡易、高效可插入式變徑樁套，徹底改變了以往需更換打樁錘體才能進行不同直徑隔水套管的打樁工作，實現了快速、高效的無縫銜接打樁作業和便捷式小樁套適用于大直徑套管作業，不僅結構簡單，安裝便利，還大大提升了打樁錘的作業效率。本研究對改進和優化打樁錘海上施工效率具有指導意義。

關鍵詞：M-200液壓打樁錘；隔水套管；變徑樁套；施工效率；導管架

隨著我國淺海油氣資源的日益枯竭，深海開發戰略的大力實施，我國深海油氣資源開發裝備迎來了空前的發展良機。液壓打樁錘作為海洋石油開發、風電安裝中的重要施工機械，也是一種新型打樁機械，以其污染小、噪音低、結構簡單、打樁能量傳遞效率高及打擊能量容易控制等優點正迅速邁入海洋石油開發市場，因此，進行液壓打樁錘的開發改造研究，對于節能、環保、促進技術進步有重大意義。作為深海油氣資源開發裝備隊伍成員，液壓打樁錘承擔著海洋平臺建設過程中的重要任務，如樁基打樁、隔水套管打樁等，因此開展液壓打樁錘在鋼樁、隔水套管海上安裝區塊效率提升研究是海洋平臺安裝面臨的重要課題之一。

本文主要依托潿洲12-2油田導管架安裝項目，研究了M-200液壓打樁錘連續打入不同直徑的隔水套管的效率提升技術，給出了M-200液壓打樁錘高效變徑樁套的優化設計及數值分析，并成功應用于潿洲12-2WHPA導管架安裝項目。

1概述

潿洲12-2油田位于中國南海北部灣海域，距潿洲島約37km。WZ12-2WHPA導管架吊裝重量為1800T，四腿樁基式導管架，16口井槽，包括15x4根φ610mm規格隔水套管，1x3根φ914mm規格隔水套管。

項目初期鎖定打樁資源為M-200和S-280液壓打樁錘，錘套尺寸分別為24"和36"（φ610mm規格套管采用M-200液壓打樁錘，φ914mm規格套管采用S-280液壓打樁錘），但由于該項目工期緊，施工資源利用緊張，況且隔水套管規格尺寸不同，需要更換打樁錘體（S-200和S-280共用一套管線系統）后才可保證打樁連續，嚴重影響施工效率，施工進度存在阻礙。因此為節省更換樁錘時間，需設計出更簡化、更有效、更合理的技術方案實現打樁錘樁套直徑由24"變為36"，針對上述工程施工特點，通過多種結構方案的研究設計，以及大量的分析計算與比較，本文為M-200液壓打樁錘設計了一種滿足打樁要求的簡易變徑送樁方案即“M-200液壓打樁錘高效變徑送樁樁套”，不僅成功解決了上述問題，并且結構簡單，安裝便利，還大大提升了打樁錘的作業效率。

2樁套方案設計

根據M-200液壓打樁錘結構型式、24"樁錘錘套及36"隔水套管特點，設計適用M-200液壓打樁錘由24"變徑36"樁套。其樁套設計思路及工作原理如下：

2.1設計思路

樁套芯規格為3mxφ610mmx25mm（長x直徑x壁厚）的套管（現場余料），用來配合液壓樁錘24"錘套和可插入36"隔水套管，環板φ1470mmx30mm（直徑x厚度）的筋板，用來打樁36"隔水套管并做打樁能量傳遞，12塊加強板（PLATE2）用來增加樁套環板的強度，可保證樁套足夠的強度，6塊導向板（PLATE3）便于錘套順利插入隔水套管，并減輕打樁過程中的橫蕩，還可增加變徑樁套環板的強度，保證樁套的垂直度，進而保證隔水套管的垂直度。

2.2工作原理

利用M-200液壓打樁錘完成導管架φ610mm規格隔水套管打樁后，便可借助浮吊快速連接此變徑樁套進行φ914mm隔水套管打樁。設計樁套結構簡單、便于連接操作，施工難度低，為項目節省大量的費用，如圖3所示。

3有限元模型建立

樁套三維模型建模分析：ANSYS

樁套材料：中心圓管為D36，其他材料均為Q345A

樁套實際所受載荷為壓力、剪力、彎矩等沖擊載荷，約束所建立的幾何模型，并進行網格劃分，從而得到有限元模型。

4計算結果分析

等效應力按第四強度理論定義，計算公式為：式中：σVME為等效應力，Mpa；[σ]為許用應力，Mpa。許用應力[σ]的計算公式為：

分別為材料的屈服強度和抗拉強度，Mpa。

利用仿真技術對其可能的危險工況進行分析尤為重要。在進行初步設計后，對設計方案進行了不同工況下的有限元分析，模擬變徑樁套的受力情況，用科學手段完善方案。

通過有限元分析結果的應力云圖可見，在打樁過程中最大應力均出現在樁套加強板頂部接觸樁壁的一側，與打樁分析結果一致，主要是由于環板的彎矩所導致，但其應力值較小，局部應力小于屈服強度。可以看出剛性加強結構對降低局部應力和撓度起著重要作用，而且提高了安全余量。

5工程應用

借助M-200液壓打樁錘變徑樁套快速、高效完成了WZ12-2WHPA導管架隔水套管的海上安裝，提升了施工作業效率，極太提高收益水平，也為后續類似工藝項目積累了寶貴的經驗。

M-200液壓打樁錘高效送樁變徑樁套設計作為探索性嘗試，經過潿洲項目使用證明頗具成效，可以考慮將該方案逐步推廣至后續存有多種規格套管的井口平臺上，對提升導管架的安裝能力以及節省起重船的作業時間具有重要的意義。

參考文獻

[1]劉菊娥，鄭向榮，于皓，等.垂直護管水下樁基式井口保護架結構[J].中國海上油氣，2009，（3）：193-195.

[2]劉菊娥，孫國民，鄭向榮，等.渤中34-3/5邊際油氣田有效開發工程關鍵技術及其應用[J].中國海上油氣，2008，20 （6）：411-415.

[3]朱合華，謝永健，王懷忠.打樁錘擊解析模型及墊層材料參數的優化[J].同濟大學學報（自然科學版），2004.

[4]閻廷松.惠州21-1導管架的海上安裝[J]，海上工程，2010，（3）：38-42.

[5]韓士強，魏佳廣，劉吉林，等.文昌19-1N油田導管架安裝技術[J].海洋工程，2014，32 （5）：85-92.

[6]施小成，王元慧.船舶動力定位海洋環境的建模與仿真[J]，計算機仿真，2006，23 （11）：237-239.

[7]London Offshore Consultants，Inc.（LOC Marine Warranty Surveyor）“Guidelines for Marine Operations，”April 1997.