孟俊瑜 惠勝利 張 凡

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿內(nèi)排泥裝置設(shè)計(jì)與測(cè)試

孟俊瑜 惠勝利 張 凡

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

淺水導(dǎo)管架平臺(tái)拆除時(shí)必須對(duì)樁腿進(jìn)行切割，切割前都是采用外排泥方式清除樁腿管內(nèi)淤泥和雜物，但外排泥會(huì)受到潮水和回淤的影響。針對(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套適用于樁腿內(nèi)排泥的裝置，并根據(jù)實(shí)際樁腿尺寸、水深、泥質(zhì)等條件確定內(nèi)排泥裝置的排泥管尺寸、噴嘴直徑和數(shù)量以及氣舉氣體壓力和流量等參數(shù)。渤海測(cè)試結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的內(nèi)排泥裝置排出污水含泥量高、沖力大，可以保證樁腿內(nèi)壁面沒(méi)有殘留泥土，能夠滿足目前該區(qū)域?qū)Ч芗芷脚_(tái)樁腿內(nèi)排泥的需求。

導(dǎo)管架平臺(tái)；樁腿切割；內(nèi)排泥裝置；設(shè)計(jì)與測(cè)試

2002年我國(guó)國(guó)家海洋局頒布的《海洋石油平臺(tái)棄置處理管理暫行辦法》中規(guī)定：在領(lǐng)海以內(nèi)海域進(jìn)行全部拆除的平臺(tái)，其殘留海底的樁腿等應(yīng)當(dāng)切割至海底泥面4 m以下；在領(lǐng)海以外殘留的樁腿等設(shè)施，不得妨礙其他海洋主導(dǎo)功能的使用。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，截至2008年底，僅中國(guó)海油在渤海海域進(jìn)入廢棄階段的樁基式平臺(tái)已超過(guò)40座，而在南海海域也有8座樁基式平臺(tái)已進(jìn)入廢棄階段。未來(lái)幾年將有大量的平臺(tái)退役，尤其到2020年，2002年以前建設(shè)的所有平臺(tái)幾乎都將進(jìn)入廢棄階段。因此，廢棄平臺(tái)的拆除將在我國(guó)形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展拆除技術(shù)和裝備已迫在眉睫［1－2］。

國(guó)內(nèi)的棄置業(yè)務(wù)剛剛開(kāi)始，棄置樁腿切割前都是采用外排泥方式清除樁腿管內(nèi)淤泥和雜物，但外排泥會(huì)受到潮水和回淤的影響，棄置工期比采用內(nèi)排泥方式長(zhǎng)許多。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套適用于導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿內(nèi)排泥的裝置，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了不同泥質(zhì)的破壞剪切力，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算得出了排泥管尺寸、噴嘴直徑和數(shù)量、氣舉氣體的壓力和流量等參數(shù)，排泥過(guò)程既可保證樁腿內(nèi)壁面沒(méi)有殘留泥土，又能確保切割設(shè)備的下放和安裝固定。渤海測(cè)試結(jié)果表明，該裝置排除污水含泥量高、沖力大、可以保證樁腿內(nèi)壁面沒(méi)有泥土殘留，能夠滿足目前該區(qū)域?qū)Ч芗芷脚_(tái)樁腿內(nèi)排泥的需求。

1 內(nèi)排泥裝置設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架內(nèi)排泥作業(yè)是切割樁腿之前最重要的工序。通常樁腿內(nèi)淤泥板結(jié)，而且?jiàn)A雜有較大石塊、水泥塊等雜物，加之樁腿頂部作業(yè)平臺(tái)空間有限，樁腿底部設(shè)施工作環(huán)境惡劣，這些都給施工帶來(lái)了一定的難度。本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿內(nèi)排泥裝置是一種帶有高壓水噴頭和柔性排泥管的排泥設(shè)施（圖1），其工作原理為：離心泵抽取海水通過(guò)注水管引入樁內(nèi)形成高壓射流來(lái)破壞土質(zhì)，同時(shí)可以補(bǔ)充樁內(nèi)海水來(lái)保持水位；空壓機(jī)供氣通過(guò)軟管接高壓鋼管進(jìn)入氣舉管下口，在氣舉管進(jìn)口內(nèi)形成負(fù)壓，在外界大氣壓作用下水、淤泥和石塊沿著氣舉管被舉出樁身外。該內(nèi)排泥裝置下部安裝有高壓水噴嘴，噴嘴覆蓋整個(gè)泥面，為防止下放過(guò)程中撞壞噴嘴，在噴嘴前方設(shè)計(jì)噴嘴保護(hù)結(jié)構(gòu)。為了對(duì)管壁進(jìn)行沖刷，在裝置側(cè)面安裝一圈噴嘴，噴嘴與水平方向成30°夾角。噴嘴連接設(shè)計(jì)成螺紋結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要拆卸和更換不同口徑的噴嘴，而且在進(jìn)行氣密性測(cè)試時(shí)可以方便地更換實(shí)心噴嘴來(lái)對(duì)高壓水腔進(jìn)行封閉。

圖1 本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿內(nèi)排泥裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the inner dredging device designed in this paper

與傳統(tǒng)的排泥裝置不同，該內(nèi)排泥裝置上部采用軟管結(jié)構(gòu)，便于安裝和縮短施工工期。為了防止軟管滑落，在軟管上安裝有管卡，軟管下部采用一段較短的金屬管，其上有鋼絲接口、空氣管接口和高壓水管接口。

本文設(shè)計(jì)的內(nèi)排泥裝置總體布局如圖2所示。內(nèi)排泥裝置吸泥之前，先將預(yù)先制作的臨時(shí)施工平臺(tái)吊至樁腿上，將四角的鋼絲扣系好，供扶持軟管的施工人員使用；然后將設(shè)備吊起緩緩放入樁內(nèi)（設(shè)備吊起過(guò)程中，船駁上需設(shè)專人及時(shí)進(jìn)行軟管位置的移動(dòng)和調(diào)整，以免將吸泥軟管折斷）。噴嘴將要接觸泥面時(shí)啟動(dòng)離心泵進(jìn)行射水，同時(shí)開(kāi)始供氣，即根據(jù)鋼絲繩的松緊程度判斷排泥管口是否已經(jīng)接觸泥面；之后調(diào)整排泥管管口高度，使排泥管口距離泥面一定距離，避免設(shè)備接觸泥面后沉入泥漿內(nèi)時(shí)發(fā)生堵孔現(xiàn)象。此外，施工平臺(tái)上的操作人員要及時(shí)檢測(cè)樁腿內(nèi)水深，樁內(nèi)水不足時(shí)要及時(shí)增設(shè)補(bǔ)水水泵，保證正常射流形成破壞土質(zhì)。內(nèi)排泥裝置吸泥之后，沖洗鋼樁腿內(nèi)壁，清除附著在樁壁上的泥污，吸泥結(jié)束后移交給下一工序。

圖2 本文設(shè)計(jì)的內(nèi)排泥裝置總體布局示意圖Fig.2 Overall layout sketch of the inner dredging device designed in this paper

2 主要參數(shù)計(jì)算

在本文導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿內(nèi)排泥裝置設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)水深選擇相應(yīng)的排泥管尺寸，然后根據(jù)泥質(zhì)情況和入水流量計(jì)算噴嘴的直徑和數(shù)量，最后根據(jù)供水量計(jì)算氣舉氣體的壓力和流量。

2.1 排泥管尺寸選擇

排泥管的尺寸由作業(yè)海域水深決定，水越深，選擇的排泥管尺寸就越大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，水深小于5 m，建議采用直徑101.6 mm排泥管；水深5～10 m，建議采用直徑152.4 mm排泥管；水深10～20m，建議采用直徑203.2 mm排泥管；水深20 m以上，建議采用直徑203.2 mm以上的排泥管。

2.2 噴嘴直徑和數(shù)量計(jì)算

單個(gè)噴嘴的射流原理如圖3所示，圖中D為靶體即土壤受力圓直徑，D0為噴嘴出口內(nèi)徑，x為噴嘴距土壤距離，l－l′截面為噴嘴入口截面，O－O′截面為噴嘴出口截面。高壓水經(jīng)過(guò)管線和噴嘴有一定的壓力損失，沿程阻力損失hf和局部阻力損失hj可以通過(guò)流體力學(xué)連續(xù)性方程與伯努利方程計(jì)算，即

圖3 噴嘴射流原理Fig.3 Principle of nozzle jet

式（1）、（2）中：Dp為高壓水泵出口直徑；L為管長(zhǎng)；vp為高壓水泵出口流速；v1為噴頭入口流速；ζ為局部阻力系數(shù)，取ζ＝10；λ為沿程阻力系數(shù)，由雷諾數(shù)Re的大小來(lái)確定。

當(dāng)0≤Re＜2 320時(shí)

當(dāng)2 320≤Re＜4 000時(shí)

式（5）～（7）中：Δ為管材絕對(duì)粗糙度；其他符號(hào)意義同前。需要注意的是，在λ計(jì)算中高壓水泵出口直徑Dp單位采用mm。

高壓水泵出口壓力為

當(dāng)噴射壓力、噴射泵量已選定時(shí)，噴嘴出口內(nèi)徑和數(shù)量可由下式計(jì)算［3－4］：

式（8）～（10）中：p1為噴嘴出口壓力；Q1為高壓水泵出口流量；ρw為海水密度，取1 025 kg/m3；n為噴嘴數(shù)量；φw和μ分別為流速系數(shù)與流量系數(shù)。

2.3 氣舉氣體壓力和流量計(jì)算

內(nèi)排泥裝置利用真空泵產(chǎn)生的高壓水通過(guò)進(jìn)水管由噴頭噴出，將土沖成泥漿進(jìn)入排泥管，在排泥管內(nèi)泥漿、海水、空氣組成混合物，由于混合物中空氣的體積比較大，所以混合物的密度小于1.03 g/cm3（排泥管外海水的密度），這樣排泥管內(nèi)外產(chǎn)生了壓力差，混合物被壓出排泥管外，達(dá)到排泥的目的［5－6］。

混合物的密度為

式（11）中：Qw為供水總流量，為噴頭射流水與補(bǔ)充水源（如果需要的話）總和；Qd為排泥量；Qa為供氣總流量，由空壓機(jī)提供，通常取空壓機(jī)供氣系數(shù)為0.8；ρd為泥漿密度，通?？扇?.1～2.0 g/cm3。

管內(nèi)外壓力平衡時(shí)，存在以下關(guān)系式：

式（12）中：Δh為排泥管外所需維持水面高差。

由能量轉(zhuǎn)化守恒（混合物動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)化）可得

式（13）中：vc為排泥管出口排泥速度；h為排泥面深度；mc為混合物質(zhì)量。

通過(guò)式（11）～（13）可以計(jì)算得出臨界狀態(tài)下的氣體流量Qa，也就是最小供氣量，供氣壓力選擇大于水深浮力即可（如20 m水深最小供氣壓力為0.2 MPa）。

3 海試效果

2013年12月海洋石油工程股份有限公司維修公司在渤海進(jìn)行了內(nèi)排泥裝置的海洋測(cè)試，其作業(yè)水深為16 m，高壓水泵流量100 m3/h，壓力2 MPa，空氣壓縮機(jī)最大流量30 m3/min，最大壓力2 MPa。本次導(dǎo)管架樁腿內(nèi)排泥裝置海試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，直徑152.4 mm排泥管在壓縮空氣流量為15 m3/min時(shí)排泥效果最佳，而直徑203.2 mm排泥管則在壓縮空氣流量為25 m3/min時(shí)排泥效率最高。分析發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的內(nèi)排泥裝置排出污水含泥量高、沖力大，可以保證樁腿內(nèi)壁面沒(méi)有泥土殘留，能夠滿足渤海區(qū)域?qū)Ч芗芷脚_(tái)樁腿內(nèi)排泥的需求。

表1 本文導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿內(nèi)排泥裝置在渤海的試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Field test results in Bohai sea of the inner dredging device designed in this paper

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿內(nèi)排泥裝置的結(jié)構(gòu)尺寸可以根據(jù)樁腿直徑、作業(yè)水深和泥質(zhì)的不同而不同，因此在使用之前應(yīng)確定好工況，然后針對(duì)特定的作業(yè)環(huán)境制作排泥裝置，這樣才能達(dá)到最理想的排泥效果。由于我國(guó)平臺(tái)拆除業(yè)務(wù)目前剛剛起步，在平臺(tái)拆除的過(guò)程中，90%以上的導(dǎo)管架樁腿拆除都會(huì)選擇內(nèi)排泥和內(nèi)切割，因此該裝置的成功設(shè)計(jì)對(duì)于平臺(tái)拆除業(yè)務(wù)的發(fā)展具有重要的意義。

［1］周愫承，張?zhí)?海上石油平臺(tái)拆除技術(shù)和工程的研究［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2002，17（2）：1－6.

Zhou Sucheng，Zhang Taiji.A study on the decommissioning and abandonment technology and engineering of offshore oil platform［J］.China Offshore Platform，2002，17（2）：1－6.

［2］王勇，戴兵，高軍偉.廢棄海洋石油平臺(tái)的拆除［J］.機(jī)械工程師，2010（1）：139－141.

Wang Yong，Dai Bing，Gao Junwei.The disposal of abandoned offshore oilplatform［J］.Mechanical Engineer，2010（1）：139－141.

［3］張也影，王悅民，施祖蔭.水力學(xué)及水里機(jī)械［M］.北京：人民教育出版社，1961.

Zhang Yeying，Wang Yuemin，Shi Zuyin.Hydraulics and hydraulic machinery［M］.Beijing：People’s Education Press，1961.

［4］林宗元.巖土工程治理手冊(cè)［M］.遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

Lin Zongyuan.Geotechnical engineering management handbook［M］.Liaoning：Liaoning Science and Technology Press，1993.

［5］朱明有.空壓機(jī)反氣吸泥法在洋山深水港工程中的應(yīng)用［J］.水運(yùn)工程，2003（11）：29－32.

Zhu Mingyou.Air compressor anti gas suction method in the application of yangshan deep－water port project［J］.Port ＆Waterway Engineering，2003（11）：29－32.

［6］唐研，蘇歸全，楊建嶺.氣舉法在曹妃甸礦石碼頭大直徑超深鋼管樁清除樁心土中的應(yīng)用［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2006（2）：53－56.

Tang Yan，Su Guiquan，Yang Jianling.Gas lift method application in caofeidian ore terminal of large diameter super－deep steel pile in the subsoil of the clear［J］.China Harbour Engineering，2006（2）：53－56.

Designing and testing of the inner dredger for jacket platform piles

Meng Junyu Hui Shengli Zhang Fan
（Offshore Oil Engineering Co.Ltd.，Tianjin300451，China）

The steel pile of jacket platforms in shallow waters must be cut during decommissioning.The mud disposal operation would be affected by the slack water and backfilling when we remove the mud and debris in the pile with outside pile dredging.In order to solve the problem，we designed a device for inner pile dredging and determined the size，diameter and quantity of the nozzle，gas pressure and flow rate of the device according to the pile size，water depth and mud condition.The field test in Bohai sea shows that this inner dredging device has the capacity of handling high mud content and high impact，which ensures the inner wall of the pile free of residual mud and meets the demand of inner pile dredging.

jacket platform；cutting pile；inner dredging device；design and test

TE94

A

2014－02－26改回日期：2014－06－01

（編輯：葉秋敏）

孟俊瑜，惠勝利，張凡.導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿內(nèi)排泥裝置設(shè)計(jì)與測(cè)試［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27（2）：127－130.

Meng Junyu，Hui Shengli，Zhang Fan.Designing and testing of the inner dredger for jacket platform piles［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：127－130.

1673－1506（2015）02－0127－04

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.022

孟俊瑜，男，1996年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海上設(shè)施維護(hù)搶修、FPSO連接拖航和解脫、廢棄平臺(tái)拆除、海管檢測(cè)維修等工作。地址：天津市天津港保稅區(qū)海濱15路199號(hào)海工大廈B座（郵編：300451）。E－mail：mengjy＠m(xù)ail.cooec.com.cn。