海上自升式平臺樁腿設計探討

王 鵬，高連燁，穆勝軍

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300452)

0 引 言

隨著海洋石油勘探開發逐漸向深海海域發展，坐底式平臺已無法滿足上述要求，自升式平臺便隨之發展起來。自升式平臺的樁腿可以垂直升降，作業時提升系統下放樁腿著地，平臺沿樁腿升至海面上一定高度；移位時平臺通過提升系統降到水面，樁腿升起，平臺像駁船，可以拖航至新的作業地點[1-2]。

自升式平臺的設計現在也已經由適用于淺水海域作業逐漸向適用于深水海域作業發展[3]，即使對于淺海海域作業的自升式平臺的作業功能要求不同，平臺的設計也有新的要求，以前的自升式平臺主要是簡單、價格便宜和能夠滿足基本的功能要求即可，現在已經轉變成作業方便、高效、舒適的高端要求[4]。隨著對作業效率的要求提高，提升系統也呈現趨于選擇提升效率更高的齒輪齒條升降系統[5]。

不同的作業水深和不同的功能設計需求不僅決定著自升式平臺的結構形式，更重要的是對自升式平臺樁腿的設計有著很大的影響。樁腿是自升式平臺的承載結構，對整個平臺的結構性能起到重要的作用。本文探討了影響樁腿設計的主要因素，主要的兩種樁腿結構形式——圓柱樁腿和桁架式樁腿對自升式平臺發揮的重要作用，不同的樁腿數量對平臺是否有影響，對自升式平臺的設計尤其是樁腿的設計有一定借鑒意義。

1 自升式平臺的類型及其特點

自升式平臺的類型有很多，可以分別按照平臺的用途、提升系統的型式、樁腿下端與土壤的接觸型式以及樁腿的結構型式進行分類[5]。

1.1 平臺的用途

自升式平臺的用途很廣，目前常用的有自升式鉆井平臺、采油平臺、修井平臺、生活平臺、施工作業平臺等。

1.2 提升系統的型式

可以分為液壓升降系統和齒輪齒條式提升系統。齒輪齒條提升系統的效率要高于液壓插銷式提升系統。對于需要頻繁升降的自升式平臺，齒輪齒條升降系統更為合適。

1.3 樁腿下部和土壤的接觸方式

樁腿下部不帶沉墊的插樁式自升式平臺，樁腿直接插入海底，用樁腿支撐整個平臺，站位作業，主要適用于海底土壤較好的海域。

樁腿下部帶整個沉墊的自升式平臺，沉墊能有效傳遞來自樁腿的載荷，用沉墊和平臺的重量保證平臺的抗傾和抗滑穩性，適用于海底土壤承載力較差的海域。

樁腿下部帶獨立的樁靴的平臺，可以減少插樁深度，現在多數平臺是此設計。

1.4 樁腿結構型式

圓柱式樁腿自升式平臺，其樁腿截面一般為圓形，結構簡單，剛性大，一般適用于60 m水深以內的淺水海域。如工作水深再增大，殼體樁腿的波浪載荷將隨著樁腿尺度增加而劇增，樁腿重量也會增加，所以對于深水平臺用殼體式樁腿不夠經濟。

桁架式樁腿自升式平臺。樁腿截面一般為三角形，主要是由弦桿、撐桿和內撐桿組成，一般3個弦桿上帶有齒條，與齒輪齒條升降系統配合。桁架式結構樁腿上的波浪載荷和海流載荷相比同尺寸的殼體樁腿要小，因此桁架式樁腿常用于深水海域。

2 自升式平臺樁腿設計

自升式平臺的結構組成主要由樁腿(包括沉墊或者樁靴)、船體和固樁架等結構組成。船體主要是提供作業和生活場地，并在拖航時提供浮力及保證拖航穩定性；樁腿是升降并支持整個平臺海上作業的關鍵設施；固樁架是把樁腿和船體固定在一起，形成一個整體，將船體的載荷傳遞給樁腿，樁腿再通過樁靴(或沉墊)傳遞給海底地基[6]。

樁腿是自升式平臺的關鍵結構之一，其設計主要包括樁腿數量的確定和樁腿結構型式的確定，樁腿的設計主要考慮以下幾個因素影響。

2.1 設計水深

通常情況下平臺的工作水深越深，波浪載荷越大，當水深增大時，樁腿長度、尺寸和重量都會迅速增加。桁架式樁腿較圓柱式樁腿受的波浪載荷小，重量輕，深水作業一般選擇桁架式樁腿，水深小于60 m宜選擇圓柱樁腿[7]。

2.2 提升系統

自升式平臺的提升系統主要有齒輪齒條提升系統和液壓升降提升系統。液壓插銷提升系統一般采用圓柱樁腿，齒輪齒條提升系統多采用桁架式樁腿，國內的自升式平臺也有齒輪齒條提升系統采用樁腿截面為圓形加齒條的圓柱樁腿的型式[8]。

2.3 作業要求

自升式平臺的設計根據作業要求，比如鉆井作業、生活支持作業、生產支持作業等，其布置會有不同，對平臺主船體的尺寸要求也不一樣。在相同樁腿間距的情況下，四樁腿自升式平臺的甲板面積要大于三樁腿。

2.4 樁腿加工制造成本

對于加工制造，圓柱型樁腿的加工制造較桁架式樁腿要簡單些，加工成本也會降低。

綜上，樁腿的設計是受多方面因素影響的，對于深水自升式平臺，由于波浪載荷變大，多采用波浪載荷小的桁架式樁腿結構，同時考慮能夠使得自升式平臺取得穩定支撐的三樁桁架式樁腿的自升式平臺。對于淺水海域，波浪載荷小，圓柱樁腿是非常經濟合適的。四樁腿的自升式平臺的主船體呈矩形，可以提供更大的甲板面積，相比三樁腿的自升式平臺還可以采用對角預壓的方式進行預壓，不需要壓載水。

3 自升式平臺樁腿設計實例比較

從上面的分析中可以知道，自升式平臺樁腿的設計和許多因素有關系，深水作業的自升式平臺的樁腿基本上都是桁架式樁腿，也就是自升式平臺配有齒輪齒條提升系統[9]；對于淺水區，水深小于60 m的自升式平臺的樁腿一般是選擇圓柱樁腿的設計。但是從平臺的整個生命周期和不同的建造預算方面考慮，也會影響樁腿的設計。

下面對一淺海作業平臺的樁腿結構設計進行比較分析[10-13]。基于一致的關鍵技術輸入，比如凈甲板面積、甲板載荷、住艙人數等，分別就三樁腿、四樁腿、液壓提升系統和齒輪齒條提升系統的自升式平臺進行比較分析。

在甲板凈面積一致的前提下，為了獲得相同的凈甲板面積，三樁腿平臺的主尺度要大于四樁腿的平臺。甲板面積三樁腿和四樁腿是相當的。因此，三樁腿自升式平臺和四樁腿自升式平臺主船體的差異不大，但是提升系統和樁腿截面的不同，對樁腿的重量會造成很大差別。樁腿尺寸及重量情況對比如表1所示。

表1 樁腿尺寸及重量對比Tab.1 Leg size and weight comparison

重量對比結果是：三樁腿約為四樁腿的80%，插銷提升系統的樁腿約為齒輪齒條提升系統的85%。

對三樁腿和四樁腿的結構性能進行對比，主要結構性能參數對比如表2所示。

表2 結構性能參數對比Tab.2 Comparison of structural performance parameters

結構性能對比結果：四樁腿的結構剛度更好；四樁腿的抗傾覆穩定性更好；四樁腿的作業安全性更好。

綜上，三樁腿方案的結構重量低于四樁腿方案，液壓插銷式提升系統的方案平臺結構重量要低于齒輪齒條提升系統的方案，四樁腿方案結構總體性能優于三樁腿方案。

4 結 論

本文通過對自升式平臺的類型和組成進行闡述，以設計實例方式介紹了自升式平臺樁腿設計，提出對平臺樁腿設計幾個重要的影響因素：根據作業水深和提升系統的型式確定樁腿的結構型式；對于淺水海域的自升式平臺設計，三樁腿的結構重量要小于四樁腿的結構重量，而且液壓插銷提升系統方案的結構重量要低于齒輪齒條方案，因此三樁腿的液壓插銷式平臺更經濟；對于淺水海域的自升式平臺，四樁腿的平臺結構性能要優于三樁腿的自升式平臺。■