深水鋼樁起吊下放運動特征分析

黃山田，王浩宇，魏佳廣，李曉琛，劉 松

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

隨著我國海洋戰略的快速推進，深水油氣平臺與海上風電場已成為一個重要的發展方向，樁基基礎作為這兩種能源平臺的共有基礎形式，其安裝的精度對平臺結構的在位性至關重要[1]。通過對鋼樁起吊和入水安裝過程中運動特點的模擬分析，研究影響鋼樁運動和就位精度的關鍵因素，從而達到減小鋼樁安裝精度超差風險的目的，該技術對于制定鋼樁穩定下放及精確就位施工方案至關重要，有助于解決平臺安裝技術中的關鍵環節，從而保障海洋油氣平臺和風電結構的在位性能，有效地提高安裝效率，助力于“一帶一路”海洋戰略的實施。

1 基礎參數

本文選取位于325 m水深的南海近海海域某大型導管架及其鋼樁設計作為工程實例，對鋼樁起吊和下放關鍵過程進行運動特點計算分析。鋼樁的設計尺寸及質量分布見表1、圖1。

圖1 鋼樁的設計尺寸

表1 鋼樁的設計尺寸及質量

鋼樁起吊及下放計劃采用海油工程“藍鯨”號大型起重工程船，見圖2。作為國內單臂起重能力最大的安裝船舶之一，“藍鯨”號全長241 m，寬50 m，型深20.4 m，起重吊梁高98.1 m，最大起重能力75000kN。“藍鯨”號吊鉤可深入水下150m，最高起吊高度可達110 m。

圖2 "藍鯨"號大型起重船

基于“藍鯨”號錨系船的鋼樁可行性研究考慮了風、浪、流環境載荷下船體的平移、低頻運動及線性高頻運動。本文僅針對基于響應幅值算子（RAO）的線性運動部分做運動分析[2]。“藍鯨”號的運動響應特征見圖3。

圖3 "藍鯨"號運動特征（RAO）

2 運動特征分析

采用Orcaflex10.2版軟件對本工程實例中鋼樁的吊裝進行分析。Orcaflex由Orcina開發，廣泛用于海洋工程系統安裝和設計的靜態與動態分析[3]。典型計算模型見圖4。吊裝鋼纜采用兩根?60mm×11m鋼絲，單位長度吊裝鋼絲總質量為316.2kg/m，鉤頭質量約為57 t。

圖4 運動特征分析計算模型及坐標系

動態計算分析考慮了下列吊裝下放過程中幾個代表性位置。

工況LC1：樁尖位于泥面以上150 m處（對應鉤頭在海平面附近，水下4 m）。

工況LC2：樁尖位于泥面以上60 m處（對應鉤頭在海平面附近，水下94 m）。

工況LC3：樁尖位于泥面以上30 m處（對應鉤頭在海平面附近，水下124 m）。

計算分析涵蓋了對應限制有義波高Hs=2.0 m的當地海況波浪周期范圍Tp=4.0～13 s，來浪方向考慮每30°間隔的不同方向來浪。來流對鋼樁運動特點的影響也在本文范圍內。

如圖4所示，來浪及來流方向角度定義為相對于X方向（船頭方向） 的夾角：0°為順浪，180°為頂浪方向，和RAO的定義保持一致。海流速度沿水深分布見表2。

表2 流速沿水深分布：1年返回期最大流速

鋼樁在水面以上扶正及通過水濺區的運動分析沒有包含在本文內容中。

2.1 水平面內運動特征（橫向運動X、Y）

計算分析截取了3個代表性位置來研究運動特征，分別位于吊臂端部（Crane Boom Tip）、鉤頭（Crane Hook）、樁尖 （Pile Bottom）[4]。

（1）圖5展示了在工況LC1（即樁尖距泥面150 m） 時，3個代表性位置水平方向（X、Y）的運動幅度。此時鉤頭位于水面以下5 m范圍內水濺區以下，距吊臂端部豎直距離為67 m，鉤頭（以短纜連于樁頂） 和樁尖的水平方向運動幅度非常大，甚至在某些來浪方向上超過吊臂端部的水平方向運動振幅（當Tp介于11～13 s范圍內時）。而樁尖處運動幅度均小于鉤頭處水平運動幅度，表明水中質量高達700 t的鋼樁起到一定的錨定作用。

圖5 工況LC1：樁尖距泥面150 m時吊臂頂端、鉤頭、樁尖的水平X、Y方向運動幅度

（2）作為對比，工況LC2的對應結果見圖6。隨鋼樁下放至90 m水下，鉤頭和樁尖處的水平方向運動幅度迅速減小。舉例來說，對樁尖位置，考慮Tp=11 s的涌浪周期，針對順浪海況，在X方向上運動幅度由1.4 m降至0.3 m以下，而針對橫浪海況，在Y方向上運動幅度由2.6 m降至1.4 m。

圖6 工況LC2：樁尖距泥面60 m時吊臂頂端、鉤頭、樁尖的水平X、Y方向運動幅度

（3）當鋼樁下放至樁尖距泥面30 m時（工況LC3），鋼樁各處水平方向運動幅度將進一步下降。圖7為3個代表性位置的水平面內的運動軌跡。鋼樁的錨定作用更為明顯。

圖7 工況LC3：樁尖距泥面30 m時樁尖水平方向運動軌跡

2.2 豎直方向運動特征（Z）

圖8、圖9對比了在工況LC1（即樁尖距泥面150 m）及工況LC3（即樁尖距泥面30 m）時3個代表性位置在豎直方向（Z）的運動幅度。

圖8 吊臂頂端、鉤頭、樁尖的豎直Z方向運動幅度（工況LC1：樁尖距泥面150 m）

圖9 吊臂頂端、鉤頭、樁尖的豎直Z方向運動幅度（工況LC3：樁尖距泥面30 m）

結果表明，吊臂端部、鉤頭（鋼樁頂部）及樁尖的豎直方向運動幅度相差不大，吊臂端部的起伏直接決定了鋼樁的升沉運動[5]。

2.3 來浪、來流對水平方向運動的綜合影響

圖10～圖12為順浪、相對船尾30°、橫浪幾種來浪環境工況下樁尖水平方向的運動軌跡，對應有義波高及波浪周期為Hs=2.0 m及Tp=10 s；對有無來流的工況，在同一圖表上進行了對比，以揭示來流對樁尖運動的影響。

圖10 順浪（0°）環境工況下樁尖水平方向運動軌跡（包括有或無來流工況的比較）

圖11 船尾30°來浪環境工況下樁尖水平方向運動軌跡（包括有或無來流工況的比較）

圖12 橫浪（90°）環境工況下樁尖水平方向運動軌跡（包括有或無來流工況的比較）

從各圖上可見，對應于本工程實例1年返回期最大的流速，最大將導致約5.0 m的沿流速方向的偏移（工況LC1即樁尖距泥面150 m時），隨著鋼樁下放至近泥面，此偏移幅度將下降至3.0 m以內。各圖的樁尖運動軌跡也再次表明了前面的研究結果，即水平方向運動幅度隨著鋼樁下放至泥面附近而大幅地下降。

2.4 吊裝系統水平方向運動自然頻率

在豎直吊裝作業中，如果吊裝系統某一振動模態自然頻率和船體運動頻率（波浪周期）比較接近，則說明存在耦合即共振的可能性[6]。在本文的工程實例中，吊裝系統包括鋼絲、鉤頭、鋼樁等豎直疊加部分。在計算分析中使用Orcaflex軟件對該吊裝系統進行了模態分析，表3列出了對應于樁尖位于不同水深時3種工況下的前四階振動模態的自然周期（其余為高頻振動模態）。

表3 樁尖位于不同水深工況（LC1、LC2、LC3）時吊裝系統水平運動自然頻率

表3中第二階振動模態的自然頻率與振動分析所選取的波浪周期較為接近，考慮到在波浪周期Tp=10～13 s范圍內船體的運動幅度較大，而對應于LC1工況下第二階模態的自然頻率（14.7s）更為接近該波浪周期范圍（Tp=10～13 s），這一對比可以用來部分解釋LC1、LC2、LC3工況下水平方向的運動幅度范圍差別。

3 結論

本文基于鋼樁起吊和下放問題開展了數值仿真分析，揭示了吊臂端部、鉤頭、樁尖的運動特點，得到以下結論。

（1）對于文中深水導管架，因鋼樁質量達數百噸，運動計算分析表明鋼樁起到一定的錨定作用。尤其是當鋼樁下放至接近泥面時，樁尖及樁頂水平運動幅度顯著小于吊臂端部運動幅度，這有助于控制鋼樁安裝精度。

（2）在鋼樁下放過程中，當鋼樁剛剛沒入水下時，樁尖及樁頂水平運動幅度有可能超過吊臂端部運動幅度，此時鋼樁應以較快速度下放至較深水域以降低安裝風險。造成這一現象的原因可能來自于吊裝系統自然頻率與船體運動周期的耦合，因此吊裝系統的模態分析可以為鋼樁運動特征提供定性判斷[7]。

（3）來流速度和方向對于鋼樁下放過程中的偏移影響較大，在鋼樁安裝分析中要考慮海浪、海流的綜合影響，以控制鋼樁安裝精度。

（4）鋼樁起吊運動特征分析有助于減小鋼樁安裝精度超差的風險，這對于鋼樁精確下放以及后續打樁過程都很有意義。對于風電安裝過程來說，進行充分的起吊下放運動分析能夠有效提高安裝效率，進而降低海上安裝成本。