許海東

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

?

自升式試采平臺(tái)海水提升泵塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許海東

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

考慮到在站立狀態(tài)，海水提升泵塔系統(tǒng)是自升式海洋平臺(tái)上消防、生產(chǎn)、生活等用水的惟一來(lái)源，與平臺(tái)安全、生產(chǎn)直接相關(guān)，結(jié)合中海油建造的自升式試采平臺(tái)，對(duì)海水提升泵塔系統(tǒng)升降方式選型、整體結(jié)構(gòu)形式、不同工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行介紹，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、安全性高等特點(diǎn)。

自升式；試采平臺(tái)；海水提升泵塔；設(shè)計(jì)

自升式海洋平臺(tái)是目前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)式海洋平臺(tái)，其主要由平臺(tái)主體、樁腿和升降系統(tǒng)組成，平臺(tái)主體與樁腿通過(guò)升降系統(tǒng)進(jìn)行連接[1-2]。自升式平臺(tái)到達(dá)井位時(shí)，通過(guò)升降系統(tǒng)將平臺(tái)船體升離水面，準(zhǔn)備海上作業(yè)；作業(yè)結(jié)束后，通過(guò)升降系統(tǒng)將船體降回水面，升起樁腿，使平臺(tái)重新恢復(fù)成漂浮狀態(tài)，準(zhǔn)備拖航至下一井位作業(yè)[3]。海水提升泵塔系統(tǒng)的作用是在站立狀態(tài)將海水從海中提升至平臺(tái)，為平臺(tái)消防、壓載、生產(chǎn)、設(shè)備冷卻、生活等提供海水[4]。

中海油建造的自升式試采平臺(tái)是一座四樁腿的自升式試采、井口作業(yè)一體化平臺(tái)，鋼質(zhì)非自航。平臺(tái)設(shè)計(jì)最大作業(yè)水深40 m(含天文潮與風(fēng)暴潮)，具有試采、油氣分離、儲(chǔ)存和外輸、井口作業(yè)、井口回接、棄井及輔助熱采等功能。平臺(tái)在站立狀態(tài)距離水面最大氣隙達(dá)到15 m。

1 泵塔升降方式選取

目前，自升式海洋平臺(tái)海水提升泵塔系統(tǒng)的升降主要有以下幾種方式。

1)起重機(jī)升降式。如圖1a)所示，采用平臺(tái)起重機(jī)作為動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)泵塔升降，這是一種最原始的方式。優(yōu)點(diǎn)：不需要額外的動(dòng)力源，造價(jià)低。缺點(diǎn): 泵塔重量不能太大，否則需要提高起重機(jī)提升能力；如更換潛水泵，需要將泵塔整體提出，操作麻煩，影響平臺(tái)正常作業(yè)。

2)齒輪齒條升降式。如圖1b)所示，可采用電動(dòng)齒輪齒條升降裝置或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條升降裝置進(jìn)行升降，這是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的方式[5]。優(yōu)點(diǎn)：升降速度快，操作方便；海水供應(yīng)管路及潛水泵等水下設(shè)施多安裝在海水提升泵塔之內(nèi)，更換潛水泵不需要提升泵塔。缺點(diǎn)：成本高，加工及裝配要求嚴(yán)格。

3)液壓插銷升降式。如圖1c)所示，液壓插銷升降系統(tǒng)是由銷子、銷孔、插銷油缸、上環(huán)梁和頂升液壓缸等組成，其工作原理與自升式平臺(tái)液壓插銷升降系統(tǒng)相似。優(yōu)點(diǎn)：海水供應(yīng)管路及潛水泵等水下設(shè)施多安裝在海水提升泵塔之內(nèi)，更換潛水泵不需要提升泵塔；相對(duì)齒輪齒條升降式泵塔造價(jià)較低。缺點(diǎn)：升降速度慢，操作復(fù)雜。

中海油自升式試采平臺(tái)主要用于探井試采作業(yè)，在一個(gè)井位作業(yè)周期較短，平臺(tái)升降作業(yè)的頻次較高，因此對(duì)泵塔升降操作要求相對(duì)高一些。結(jié)合平臺(tái)特點(diǎn)，對(duì)上述3種海水泵塔升降型式進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 海水泵塔升降型式對(duì)比

圖1 海水泵塔升降型式

由表1可以看出，齒輪齒條升降式泵塔雖然造價(jià)較高，但具有操作簡(jiǎn)單，升降速度快的優(yōu)點(diǎn)，非常適于移動(dòng)頻繁的自升式試采平臺(tái)應(yīng)用。

中海油自升式試采平臺(tái)主要用于油氣處理、儲(chǔ)存、外輸?shù)龋ｋU(xiǎn)區(qū)范圍大，海水提升泵塔臨近危險(xiǎn)區(qū)，因此采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條升降方式，其動(dòng)力源來(lái)自平臺(tái)懸臂梁移動(dòng)用液壓站。

2 泵塔系統(tǒng)整體型式

平臺(tái)海水提升泵塔系統(tǒng)主要由主泵塔結(jié)構(gòu)、齒條及液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪升降裝置、揚(yáng)水軟管、固定落水管及潛水泵等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 海水泵塔整體結(jié)構(gòu)形式

主海水泵塔是由無(wú)縫鋼管焊接而成的桁架式結(jié)構(gòu)，泵塔外形為等邊三角形，總長(zhǎng)32 m。泵塔立管的直徑×壁厚為273.1 mm×11.1 mm、219.1 mm×11.1 mm及219.1 mm×12.7 mm，水平撐管及斜撐管直徑168.3 mm，壁厚9.5 mm。在海水提升泵塔底部設(shè)有托架結(jié)構(gòu)，用于安置2臺(tái)海水提升泵，并在海水泵相應(yīng)高度處設(shè)導(dǎo)向固定結(jié)構(gòu)用于固定海水泵。海水泵出口與泵塔主立管(兼作揚(yáng)水管)的底部側(cè)面進(jìn)水管通過(guò)法蘭進(jìn)行連接。在平臺(tái)生活樓外圍壁上設(shè)有固定落水管，其與兼作揚(yáng)水管的泵塔主立管頂部通過(guò)軟管進(jìn)行連接。綜合考慮泵塔高度、落水管高度及泵塔與落水管間距離等因素確定軟管長(zhǎng)度，滿足海水泵塔升降過(guò)程中不拆卸軟管的要求，便于操作。

主甲板上設(shè)有液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條裝置及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在拖航狀態(tài)，海水提升泵塔通過(guò)液壓馬達(dá)升降裝置升至泵塔底部與平臺(tái)底部平齊；在站立狀態(tài)，海水泵塔通過(guò)液壓馬達(dá)升降裝置下放至預(yù)定入水高度處；在平臺(tái)拖航及站立狀態(tài)時(shí)，也可以通過(guò)升降裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)海水泵塔的鎖緊固定。

在平臺(tái)主船體海水提升泵塔圍阱區(qū)內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，引導(dǎo)海水泵塔升降作業(yè)。在二層甲板海水提升泵塔開(kāi)口處，設(shè)有導(dǎo)向裝置，在平臺(tái)作業(yè)及拖航時(shí)，通過(guò)插入楔塊固定海水泵塔，防止海水泵塔發(fā)生較大晃動(dòng)。

該海水泵塔系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條升降裝置進(jìn)行海水泵塔升降，升降速度快，操作方便，可實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)進(jìn)行同步升降。

2)液壓馬達(dá)動(dòng)力來(lái)自平臺(tái)懸臂梁移動(dòng)用液壓站，無(wú)需增設(shè)專用液壓站，降低了平臺(tái)投資。

3)升降平臺(tái)全過(guò)程中，無(wú)需進(jìn)行軟管的拆卸、連接等工作，省時(shí)省力，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3 海水泵塔強(qiáng)度分析

3.1 計(jì)算模型

利用有限元分析軟件ANSYS建立海水泵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型，見(jiàn)圖3。根據(jù)海水提升泵塔的特點(diǎn)，利用PIPE59管單元來(lái)模擬泵塔主立管和撐管等結(jié)構(gòu)。在平臺(tái)主船體海水泵塔圍阱區(qū)及二層甲板導(dǎo)向位置處施加UX、UY位移約束，在主甲板升降齒輪及鎖緊棘爪位置處垂向UZ位移約束。

圖3 海水泵塔有限元模型

3.2 計(jì)算工況與載荷

根據(jù)平臺(tái)工作狀態(tài)，海水泵塔設(shè)計(jì)工況主要分為平臺(tái)站立和拖航2種工況。

3.2.1 站立工況

平臺(tái)站立狀態(tài)以風(fēng)暴自存工況作為海水泵塔的計(jì)算工況，對(duì)應(yīng)環(huán)境條件如下：作業(yè)水深40 m，氣隙15 m，波高9.3 m，波浪周期9.6 s，表面流速1.285 m/s，入水深度6.1 m，風(fēng)速51.5 m/s。

計(jì)算所用坐標(biāo)系如圖4所示，環(huán)境載荷作用方向分別取為0°(縱向)、60°(斜向)、90°(橫向)、120°(斜向)、180°(縱向)、240°(斜向)、270°(橫向)、300°(斜向)。

圖4 結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系

海水泵塔結(jié)構(gòu)主要承受系統(tǒng)重量、波浪、海流及泵送的海水等載荷。

波浪、海流載荷按式(1)進(jìn)行計(jì)算。波浪、流載荷按照同一方向考慮，利用ANSYS中的PIPE59單元模擬浸沒(méi)在水中受波浪、海流力作用管狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)后由程序自動(dòng)施加[6]。

(1)

式中：ρ——海水密度，kg/m3；

CD——拖曳力系數(shù)，由試驗(yàn)確定，當(dāng)實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對(duì)圓形構(gòu)件，可以取CD=0.6～1.2，本平臺(tái)考慮齒條影響，CD取上限值1.2；

CM——慣性力系數(shù)，對(duì)圓形構(gòu)件，可以取CM=1.2～2.0；

D——圓形構(gòu)件直徑，m；

u——垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的速度分量，為其絕對(duì)值，當(dāng)海流與波浪聯(lián)合作用于平臺(tái)時(shí)，u為波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構(gòu)件方向上的分矢量；

風(fēng)載荷按式(2)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到風(fēng)載荷按集中載荷施加在泵塔相應(yīng)高度處[6]。

F=ChCsSp

(2)

式中：Ch——受風(fēng)構(gòu)件高度系數(shù)；

Cs——風(fēng)載荷形狀系數(shù)；

S——受風(fēng)面積，m2；

p——風(fēng)壓，p=0.613×10-3v2，kPa，

其中：v——設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

海水泵塔結(jié)構(gòu)承受重量、海水等載荷通按慣性載荷施加。

3.2.2 拖航工況

平臺(tái)拖航狀態(tài)以風(fēng)暴拖航工況作為海水泵塔的計(jì)算工況，對(duì)應(yīng)條件如下：泵塔頂端距基線32 m，風(fēng)速51.5 m/s，平臺(tái)搖擺角15°(縱搖/橫搖)，平臺(tái)搖擺周期10 s。

拖航工況，泵塔水平方向承受搖擺慣性力、搖擺重力水平力、風(fēng)力等載荷；垂直方向承受搖擺軸向力、搖擺重力軸向力等載荷[7-8]。

搖擺慣性力按式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中：m——泵塔懸伸段的質(zhì)量，t/m；

θ——搖擺角,rad；

T——搖擺周期，s。

搖擺慣性力矩按式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

搖擺重力水平力按式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：G——泵塔懸伸段重量，kN。

搖擺重力水平力引起的彎矩按式(6)進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中：l——泵塔懸伸段長(zhǎng)度，m。

作用在泵塔上的水平風(fēng)載荷按照式(2)進(jìn)行計(jì)算。

作用在泵塔上的搖擺軸向力按式(7)進(jìn)行計(jì)算：

(7)

作用在泵塔上的搖擺重力垂直力按式(8)進(jìn)行計(jì)算：

(8)

式中：G——泵塔懸伸段重量，kN。

將計(jì)算的相應(yīng)水平載荷、軸向載荷按照集中載荷施加在相應(yīng)作用位置處。

3.3 強(qiáng)度分析

海水泵塔結(jié)構(gòu)部分立管采用API X80材質(zhì)，屈服強(qiáng)度552 MPa，海水泵塔部分立管、撐管采用API X52材質(zhì)，屈服強(qiáng)度359 MPa。根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2012)，安全系數(shù)取1.25，則API X52鋼管的許用應(yīng)力為359/1.25=287.2 MPa，API X80鋼管的許用應(yīng)力為552/1.25=441.6 MPa。

根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果，使用API X80的立管的最大應(yīng)力為383.511 MPa，使用API X52的立管、撐管的最大應(yīng)力為248.183 MPa，均小于許用應(yīng)力，站強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

1)結(jié)合中海油自升式試采平臺(tái)特點(diǎn)，采用了液壓馬達(dá)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的海水提升泵塔升降型式，與平臺(tái)懸臂梁移動(dòng)共用一個(gè)液壓站，并在泵塔頂部出口設(shè)有軟管與固定落水管連接，保證了平臺(tái)升降過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行軟管的拆卸、連接等工作，具有升降速度快、操作方便、安全性能高等特點(diǎn)。

2)對(duì)平臺(tái)站立工況、拖航工況下海水提升泵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析表明，強(qiáng)度滿足要求。

[1] 徐松森．自升式平臺(tái)上下分體探討[J],船海工程,2008(1):88-90.

[2] 鄭振豪，盧永然，徐少柯，等.某自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能分析與評(píng)估[J],船海工程,2014(6):157-160.

[3] 吳南，馮帆.某自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估[J].船海工程,2014(2):144-145.

[4] 曹士峰，張純朋.新式海水提升泵塔在自升式鉆井平臺(tái)中的應(yīng)用[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2012(6):51-55.

[5] 賈芳民.海洋石油161平臺(tái)海水泵塔液壓油缸升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2011(8):77-78.

[6] 中國(guó)船級(jí)社．海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范(2012)[S]．北京：人民交通出版社,2012.

[7] 孫東昌，潘斌．海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M]．上海: 上海交通大學(xué)出版社，2008.

[8] 尹秀鳳，劉靜，李磊，等.拖航工況自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析[J].船海工程,2013(2):100-102.

Design of the Seawater Lift Pump Tower System of the Jack-up Production Test Unit

XU Hai-dong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Under the elevated conditions seawater lift pump tower system is the only source for the fire fighting, production and living of the jack-up unit, which is directly involved with the safety and production of the unit. The choice of jacking type, integral structure type and structure strength analysis under different conditions was presented in example of the CNOOC jack-up production test unit. The system has the advantages of simple structure, convenient in operation, high safety, etc.

jack-up; production test unit; seawater lift pump tower; design

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.011

2016-07-10

中海石油總公司項(xiàng)目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 08 LTD NFCY 2014-01)

許海東(1978—)，男，學(xué)士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0042-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋工程技術(shù)與裝備

E-mail:xuhd@cnooc.com.cn