拼裝式淺海勘探平臺實用性分析

宋寶杰

(山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺264004)

0 引言

實施海上鉆探，首先需要選擇合適的鉆探平臺(船)，選擇什么樣的平臺(船)要根據(jù)工程需要、環(huán)境條件、安全和經濟等因素綜合考慮。鉆探船受風浪、潮流等自然因素影響較大，對施工周期長、需要穩(wěn)定工作平臺的海上深孔勘探項目來說存在許多問題。拼裝式勘探平臺能克服鉆探船的不足，是實施海上勘探的比較合理的選擇。目前，最常見的勘探平臺多是應用于海上石油勘探的鉆井平臺，其個體大，運行成本高，操作復雜，并不適合淺海海域的海上工程勘察、固體礦產勘探等項目。我院自主研發(fā)建造的多款拼裝式淺海勘探平臺通過近幾年多個海上勘探項目的應用，效果良好，并獲得了多項國家專利[1-2]。

1 拼裝式淺海地質勘探平臺結構特點

拼裝式淺海地質勘探平臺從結構上分為平臺主體，樁腿，升降裝置三部分。為方便公路運輸，每一部分分解設計為若干獨立模塊。模塊與模塊之間通過不同的連接方式拼裝組合成一整體，模塊均符合公路運輸要求。

1.1 平臺甲板

平臺主體部分是平臺甲板。我院研制的淺海地質勘探平臺甲板面積從幾十到幾百平方米不等，甲板的結構分為桁架式鋼結構模塊組合及箱體式模塊組合。桁架式鋼結構模塊的連接方式是，鋼梁串聯(lián)鋼結構模塊，即模塊與模塊之間橫向平行擺放(見圖1)，通過鋼梁將其連接，由U形絲進行固定，從而組成平臺甲板(見圖2)。箱體式模塊的連接方式是，通過集成在箱體模塊上的上下連接件進行順序連接組成平臺甲板(見圖3、圖4)。

圖1 模塊擺放示意圖Fig.1 Module layout diagram

圖2 甲板組合示意圖Fig.2 Deck combination diagram

圖3 上連接件示意圖Fig.3 Top connection diagram

圖4 下連接件示意圖Fig.4 Bottom connection diagram

1.2 樁腿

樁腿支撐整個勘探平臺，根據(jù)施工水域地質環(huán)境及水深，其長度可以調整。所謂模塊化樁腿，就是把整根樁腿分為若干段短節(jié)。短節(jié)兩端裝配法蘭盤，通過高強螺栓連接，根據(jù)施工區(qū)域水深靈活調節(jié)樁腿長度。根據(jù)樁腿直徑及施工海域地質條件法蘭盤可分為內置法蘭和外置法蘭，內置法蘭可更大程度的減少插樁阻力，但其結構相對復雜且固定螺絲時需要足夠的操作空間(見圖5)；外置法蘭連接組裝時更加便捷，但插樁阻力大，容易對法蘭盤造成損傷(見圖6)。模塊化的樁腿組合形式既解決了長樁腿的運輸問題，又提高了勘探平臺的適用性及適用范圍。

圖5 內置法蘭樁管連接示意圖Fig.5 Diagram of connection with built-in flange pile pipe

圖6 外置法蘭樁管連接示意圖Fig.6 Diagram of connection with external flange pile pipe

樁靴作為樁腿的一部分，有時可連接在樁腿最下面，使平臺實現(xiàn)插樁與樁靴兩種站位方式的切換。我院設計了獨特的樁靴結構，樁靴在結構設計上增加了一個活動壓板的結構。平臺放樁時，活動壓板受到海底的阻力呈封閉狀態(tài)，起到承載作用。平臺收樁時，活動壓板受到海底吸附力呈打開狀態(tài)，減少拔樁阻力(見圖7)，確保了拔樁成功率，拔樁效率提高，樁靴的損壞率大大降低，大大提高了平臺工作效率及適應能力。樁靴與樁管實現(xiàn)法蘭連接。拆掉樁靴，平臺即為插樁式固定平臺，連接上樁靴，平臺變?yōu)闄C動靈活的可移動平臺，提高了平臺的實用性。

圖7 樁靴活動壓板呈打開狀態(tài)示意圖Fig.7 Diagram of pile shoe movable pressure plate in an open state

1.3 升降裝置

根據(jù)平臺的規(guī)模及施工要求，平臺配備了兩種升降模式，一種是手拉葫蘆人工升降，另一種是液壓自動升降。

1.3.1 人工升降

人工升降主要是依靠輔助工具手拉葫蘆，在平臺甲板及樁腿頂端預制連接裝置，將手拉葫蘆與預制連接裝置進行連接，通過人工拉動手拉葫蘆實現(xiàn)甲板的提升與下落(見圖8)。

圖8 手拉葫蘆提升示意圖Fig.8 Lifting with manual hoist

1.3.2 自動升降

自動升降需根據(jù)平臺規(guī)模及性能要求，設計相符的液壓自動升降裝置。升降裝置由控制臺、液壓站及升降桶三部分組成，三者由電纜、油管連接，為獨立個體。液壓站主要由油箱、液壓閥塊、電動機等組成；升降桶主要由外框架、移動梁、固定梁組成。通過控制臺發(fā)出指令，由液壓站提供動力，控制升降桶內的移動梁與固定梁進行動作，實現(xiàn)平臺的提升與下放(見圖9)。

1.4 拼裝式淺海勘探平臺適應性

圖9自動升降裝置示意圖
Fig.9Automatic lifting device

拼裝式淺海地質勘探平臺具有建造方便、建造周期短、造價低、運輸便捷、安裝高效、移動靈活、實用性強等特點，通過我院實施的幾個海上勘探項目已得到了驗證。

(1)制造加工場地靈活。傳統(tǒng)意義上的海上施工平臺，往往為一個整體，個體較大。建造過程必須在船塢碼頭等特定場所實施，否則無法運輸。而拼裝式淺海勘探平臺化整為零，整體由若干模塊拼裝組合而成。構件規(guī)模可控，普通機加工車間即可完成加工任務。

(2)運輸。所有組成勘探平臺的獨立模塊，均滿足公路運輸要求。通過公路，實現(xiàn)點對點的運輸，高效便捷，機動靈活。

(3)適應能力。目前，淺海海域的工程勘察、礦產資源勘探、科學調查等勘探項目，周期短，投入少，對項目進行一對一的配置海上勘探平臺并不現(xiàn)實。通常，投入一個勘探平臺要最大化的發(fā)揮其價值，多做項目，重復利用。拼裝式淺海勘探平臺對于不同的項目具備很強的適應能力。其模塊拼接組合的甲板面積可變，法蘭連接的樁腿長度可調，可通過調整平臺大小應用于不同規(guī)模的海上勘察項目，還可實現(xiàn)插樁固定與樁靴站位兩種模式的互換，提升勘探效果與精度。

(4)后期存放維護。拼裝式淺海勘探平臺的存放及維護保養(yǎng)，簡單易操作。平臺施工完畢后，可直接拆分上岸，通過公路運輸至指定機加工車間進行維護保養(yǎng)，不需要進船塢或租用碼頭等大型專業(yè)場所。維護保養(yǎng)完畢后，模塊之間層疊堆放，占地少，存放管理成本低(見圖10)。

圖10 平臺模塊疊放Fig.10 Stacked platform modules

2 加工與安裝

2.1 加工

為了保證加工質量及精度，加工前應制定嚴密的工藝流程，并對各工序進行嚴格控制。

2.1.1 原材料預處理

建造平臺的原材料主要是型材、板材及鋼管。依照圖紙將原材料進行切割預處理，較厚板材為了保證焊接時能夠完全熔透，需對材料進行打坡口處理，坡口角度及尺寸需嚴格執(zhí)行技術要求。所有焊接面均需打磨除銹及氧化層，保證焊接效果。

2.1.2 焊接

以圖紙中的技術要求為依據(jù)，結合具體情況選用合理焊接參數(shù)進行焊接，不允許超大電流焊接。焊縫寬度、焊接速度等嚴格按照工藝及技術要求執(zhí)行。多層焊時，前一層焊道表面必須進行清理，檢查、修整，如發(fā)現(xiàn)有影響焊接質量的缺陷，必須修整清除后再焊。焊接結束，焊工應清理焊道表面的熔渣飛濺物，檢查焊縫外形尺寸及外觀質量。按照規(guī)定需要敲鋼印的部位打上焊工鋼印。焊縫缺陷超標必須返修，返修次數(shù)不得超過兩次。焊縫出現(xiàn)裂紋時，焊工不得擅自處理，應及時報告技術人員，查清原因，訂出修補措施方可處理。對于箱體模塊等封閉型結構，多焊縫、長焊縫的構件，焊后應進行錘擊、振動等方法消除殘余應力。

焊接是平臺建造過程中的最重要環(huán)節(jié)，各模塊加工過程流水作業(yè)，批量生產，大大縮短了建造周期，提升了建造效率(見圖11)[3-4]。

2.1.3 檢測

加工過程中為了確保焊接質量，所有焊縫均需進行外觀檢測，并進行超聲波探傷抽檢，受力集中、核心部位等重要模塊焊縫全部進行超聲波探傷(見圖12)。箱體及有密閉空間的模塊均需進行氣密測試，保證箱體結構的密封性，所施加的空氣試驗壓力為0.015 MPa[9]。

圖11 甲板、樁管批量生產Fig.11 Batch production of decks and pile pipes

圖12 對法蘭進行超聲波探傷Fig.12 Flange flaw detection by ultrasound

2.1.4 防腐處理

防腐處理是平臺建造的必要環(huán)節(jié)，能夠有效地保證海上鉆探平臺的使用壽命。根據(jù)不同的使用周期及強度，制定有針對性的防腐方案，以達到最佳的防腐效果。防腐處理時首先對所有模塊結構徹底打磨除銹，再依次進行底漆與面漆的涂裝。事實證明兩度底漆兩度面漆的涂裝能更好的提升構件與底漆、底漆與面漆的附著力，而且漆膜厚度增加，強度也相對提高，防腐效果較好。

2.2 安裝

平臺的安裝分為：甲板組裝、下水、海上拖航、定位、插樁、起升等六個環(huán)節(jié)。

(1)甲板組裝。按照既定順序及方法將組成甲板的模塊在碼頭完成組裝。

(2)下水。主要指甲板入水，根據(jù)甲板的規(guī)模和重量，可選擇吊車直接吊放入水、氣囊入水等手段。桁架式鋼結構的甲板沒有自浮能力，所以要在水中預制浮體，甲板入水時直接將甲板放在浮體上。

(3)海上拖航。平臺下水后需要通過海上拖航到達施工海域，將平臺(浮體)與牽引船首尾相連進行拖航即可。為了確保拖航期間的安全，牽引船與平臺之間要有安全繩等安全防范措施，同時根據(jù)不同的拖航環(huán)境制定不同的拖航方案。在內河航道、船只較密集海域運行時，為避免平臺隨水流漂移發(fā)生碰撞事故，采取平臺與牽引船相鄰連接的方式進行拖航(見圖13)；在開闊海域拖行時，為加快海上拖航航速，提高拖航效率，平臺與牽引船之間采取首尾相連的形式進行海上拖航(見圖14)。

圖13 相鄰連接拖航 Fig.13 Adjacent connection towing

圖14 首尾相連拖航Fig.14 Head-to-tail towing

(4)定位。平臺由牽引船拖航至施工孔位后，通過牽引船上的定位系統(tǒng)進行初步定位并錨泊。測量人員攜帶精準定位設備于平臺甲板面上進行精準定位，由牽引船收放錨繩帶動平臺進行位置校準，直至鉆探平臺上鉆孔位置與設計孔位坐標重合。

(5)插樁。由吊機攜帶打樁設備將樁腿通過甲板上的預導孔依次插放到位。

(6)起升。平臺起升方式根據(jù)平臺所配備的升降裝置進行操作。

3 生產應用

我院采用拼裝式淺海勘探平臺先后成功實施了山東萊州三山島北部海域金礦勘探項目、中國東部海區(qū)科學鉆探工程CSDP-02井項目、福建省福清海壇海峽海上風電場勘察等海上施工項目，通過實際應用，平臺有較強的實用性。

3.1 山東萊州三山島北部海域金礦勘探項目

山東萊州三山島北部海域金礦勘探項目是現(xiàn)今全國最大的海上地質勘探找礦項目，合同額達2.4億元。該項目累計完成主要鉆探工作量150971.34 m/138孔，其中采用拼裝式勘探平臺的鉆探孔70個，鉆探最大孔深達到1973.46 m。我院僅用半年時間為項目建造拼裝式淺海勘探平臺38套，同時在該海域進行施工(見圖15)[1]。

圖15 簡易拼裝式海上勘探平臺施工現(xiàn)場Fig.15 Construction site of simple modular offshore drilling platform

3.2 中國東部海區(qū)科學鉆探工程

“中國東部海區(qū)科學鉆探工程施工” CSDP-02井的鉆探施工，是大陸架科學鉆探項目的重要組成部分，設計深度為2000 m，全孔取心，合同額3000萬元。此井位于南黃海廢黃河口外海域，距離海岸線最近約100 km，位于連云港以東約170 km、射陽河口東北約110 km位置，目標海域水深19～21 m。我院結合項目實際需要，設計制造了一款拼裝式淺海鉆探平臺即“探海1號”大陸架科學鉆探平臺[5-7]。其主要技術參數(shù)以下：

總長：36 m

型寬:20 m

型深:1.5 m

樁腿數(shù)：6個

樁腿直徑：1.02 m(內置加強筋板)

樁腿長度：58.5 m

樁腿類型：圓筒形樁腿

自重：720 t

“探海1號”淺海勘探平臺，由30輛17 m托盤車運抵江蘇連云港燕尾港(見圖16)，用3 d時間完成了碼頭組裝，平臺下水后，將平臺拖航至施工海域，僅1 d就將平臺安裝起升完畢。模塊組合的平臺結構，實現(xiàn)了大噸位平臺點對點的公路運輸與海上拖航相結合的路海運輸模式[8-11]。

3.3 福建省福清海壇海峽海上風電場勘察

福建省福清海壇海峽海上風電場地處福建省福清市龍高半島東北側，位于海壇海峽中北部，水深4～6 m。工程區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候，具有明顯的季風特點，平均風速和極端風速大，海洋水動力強(潮位高、潮差大和波浪大)，水深最深時可達17 m。擬建工程區(qū)北鄰三營水道，東鄰四嶼水道，區(qū)內多為淺海養(yǎng)殖區(qū)，水情復雜，對勘探工作十分不利。勘察工程設計孔深均在40～50 m，勘探窗口期短，所以平臺需具備穩(wěn)定性好、移孔效率高的特點。為此設計了一款多功能地質勘察平臺。

圖16 托盤車運輸平臺模塊Fig.16 Platform modules transportation by pallet truck

平臺于2017年4月份完成福建福清海壇海峽海上風電工程2個風電樁基6個鉆孔的鉆探取樣工作。施工期間由于施工海域大風天氣頻繁，適合施工的天氣窗口期非常短，設計獨特的樁靴提升了平臺移動靈活度，平臺完成一次升降移動孔位僅需4 h，為海上鉆探施工爭取了寶貴的時間(見圖17)[12-14]。

圖17 多功能地質勘察平臺施工現(xiàn)場Fig.17 Construction site of multifunctional geological survey platform

4 結語

拼裝式淺海勘探平臺，通過實際應用，證實了其實用性，但適用水深及施工能力還有一定的局限性。如果進一步擴大應用范圍，還需繼續(xù)優(yōu)化設計，提高裝備綜合性能[15]。

目前，海洋強國戰(zhàn)略不斷深入推進，藍色經濟飛速發(fā)展，淺海海域綜合地質調查、地質資源勘探等相關工作正在深入開展，沿海基礎建設、海上風電、跨海隧道等大型海上工程建設項目陸續(xù)啟動實施，對海上勘探裝備的需求與日俱增。拼裝式淺海勘探平臺作為海上施工的一個載體，一定會以其獨特的模塊化拼裝組合的結構特點，及在平臺建造、運輸維護成本、實用性、適應能力等方面的特點，在海上大型工程建設、地質調查中發(fā)揮重要作用。