深水吸力桩施工技术研究

2020-12-23毛志豪胡绍峰李龙祥赖禺王迪祥

机械工程师 2020年12期

毛志豪，胡绍峰，李龙祥，赖禺，王迪祥

（1. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳518000；2. 深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518000）

0 引言

南海地区海洋油气储备丰富，但由于其水深较深、水下环境较为复杂，现阶段对于其开发利用处于起步阶段，但未来具有较大的潜力。作为一种深水基础结构形式，吸力桩具有定位准确、回收简单、可以重复利用、对重型安装设备没有过多依赖、可以承受较大的横向力和转矩、安装时间短等优点[1-2]，因而得到越来越多的应用。例如较为常见的系泊系统基础、重型结构物基础等均可采用吸力桩的基础形式，本文基于南海流花项目吸力桩安装项目，重点介绍深水吸力桩安装过程及其贯入分析。

1 吸力桩结构及安装

1.1 典型吸力桩结构形式

吸力桩作为一种新型海洋桩基础，其在深水及超深水中应用较为广泛。典型的吸力桩单桩结构形式为大型圆柱薄壁钢制结构，圆筒两端一端开口、一端密闭（密闭端会设计吸力泵接口及排水阀，以便吸力桩在入水过程中保证良好的排气及排水性能），同时根据吸力桩的使用功能，在吸力桩封闭端或筒壁设计一些结构形式用于满足其使用要求[3]。

1.2 吸力桩安装原理

当吸力桩吊装入水并下放至预定水深后，其开口端先行入泥，在入泥初始阶段，依靠吸力桩的自重开始进行贯入，当吸力桩入泥一定深度后，依靠其自重无法继续贯入，此时整个吸力桩圆筒内部形成密闭空间，此时圆筒内外压力保持平衡状态，为保证吸力桩贯入到设计深度，通过连接吸力泵至吸力桩密闭端的接口，启动吸力泵抽水使吸力桩圆桶形成内外压差，从而促进吸力桩的贯入，当贯入深度满足设计要求后，关闭回收吸力泵，吸力桩安装完成[4]。

2 深水吸力桩施工技术

2.1 流花吸力桩安装项目概况

流花项目作业区域水深在390～420 m，其中单点锚系是我国海域水深较深、悬挂较多的单点系泊系统，且系泊荷载较大。考虑各种型式锚桩承载能力特点，大抓力锚不能承受上拔力，在大水深的工况下系泊半径会较大，整个锚系的造价将增加很多，地质条件同样适用的情形下，最终在在吸力桩和锚桩两种桩型中选用更适应流花作业区域的吸力桩。其中用于FPSO 连接锚固的吸力桩共计9根（单点系泊布置如图1 所示），分为3 簇，每簇间隔120° ，其中：每簇包含3 个吸力桩，每个吸力桩之间的间隔为5°，系泊半径为1250 m。

图1 吸力桩安装布置图

2.2 吸力桩结构参数

作为FPSO 连接锚固用的吸力桩，需通过在吸力桩圆筒外壁上设计了一个铸造吊耳，用于连接锚链，故其设计阶段主要考虑安装完成后的吸力桩具备良好的抗拔性能及侧向承载力，相较而言，吸力桩端侧封闭段并未存在太多的使用功能要求。

本次安装的吸力桩质量为120 t 左右，圆筒直径为5.5 m，桩长为15.9 m，其中用于锚链回接的大吊耳位置距桩顶10.4 m。

2.3 吸力桩主要安装设备

1）施工船舶。本次吸力桩运输及安装的作业船舶为DPⅢ型多功能工程船“海洋石油”286，船舶带有2 台吊机，其中主吊吊重为400 t，满足吸力桩的安装要求，同时船舶配备两台工作级ROV 协助吸力桩水下安装，其中，一台ROV 主要负责监控吸力桩贯入过程，另一台ROV负责操作吸力泵。

2）吸力泵。吸力泵作为吸力桩安装的主要施工设备，既要满足吸力桩贯入过程中的吸力要求，也需考虑吸力泵的流量是否匹配吸力桩的安装速率，如果流量过小，吸力泵的抽水速度比较慢，会影响吸力桩的贯入速度。

本次吸力桩安装选用的吸力泵为SPT 公司设计的吸力泵，该吸力泵内部包含2 个不同类型的单泵，分别满足不同工况下的吸力桩的安装要求，最大工作水深可以达到3000 m，同时泵顶部配备了一个300 t 的宽体卸扣用于吸力泵和吸力桩的起吊，节省了吸力桩安装吊装吊耳的设计，优化了吊装流程，减轻吊装风险。吸力泵需要在甲板上提前安装至吸力桩顶部，水下通过ROV 提供动力操作吸力泵进行吸力桩的贯入。

3）定位设备。吸力桩作为一种水下较高精度的结构物，尤其对于深水安装，如果误差超出安装要求范围，吸力桩回收及再就位将会耽误很长的时间，故需要提供一套可靠的定位设备用于吸力桩安装过程调节控制。

吸力桩安装的定位设备主要依靠水下罗经进行安装位置误差及艏向的控制，同时在吸力桩入泥及安装过程中ROV 始终关注吸力桩（泵）上的水平倾度指示仪读数控制吸力桩的倾斜度，从而在全安装过程中控制吸力桩的安装误差。

2.4 吸力桩施工流程

1）吸力泵安装。吸力桩安装船舶抵达安装作业海域后，首先需要将吸力泵安装至吸力桩顶部法兰上，保证其具备良好的密封性能。通过船舶主吊将吸力泵吊至桩顶的接口法兰上侧，辅吊吊起载有人员的吊篮至桩顶法兰外一段距离进行观察（此过程需保证两个吊机不出现干涉），吸力泵通过甲板的动力单元保证其与法兰的连接锁销可以正常开关，当载人吊篮内的人员确认（只需观察，不必离开吊篮）吸力泵下部接口与桩顶接口法兰对接完成且艏向符合要求后，通知甲板人员关闭吸力泵锁销，完成吸力泵在吸力桩顶部的安装。

2）吸力桩起吊入水下放。当吸力泵安装完成后，需要进行吸力桩的起吊入水。由于吸力泵顶部的300 t 宽体卸扣可以作为吸力桩的吊点，当吸力泵安装完成后，其吊装索具无需解钩，可继续作为吸力桩吊装的索具使用。

吸力桩起吊之前，需要对其海固进行切除。吸力桩起吊入水前需提前确认安装作业的海域是否满足要求。同时为保证吸力桩入水状态良好，通常而言，吊机入水速度要比较慢，下放至水下80～150 m 时，ROV 水下确认吸力桩（包括桩侧锚链）、吸力泵及吊装索具状态良好，继续下放吸力桩至离海底30 m 处再次检查上述的几项参数，确认一切正常后，准备开始吸力桩的贯入。

3）吸力桩贯入。当下放至离海底30 m 时检查不存在问题之后，通过移船使吸力桩大概移至安装位置上方，继续下放吸力桩，ROV 在此段下放过程中始终观察吸力桩的下放过程，确保吸力桩状态满足要求，当至海底1 m 处时，ROV 通过转动吸力桩调整吸力桩的艏向，保证吸力桩侧的铸造吊耳的方向指向FPSO 中心位置，同时通过定位设备传输的数据确认吸力桩安装的倾斜度及安装位置都满足要求后，继续下放吸力桩并开始吸力桩的自沉贯入，自沉贯入过程中，ROV 需要一直监测吸力桩桩侧的标度，同时关注吸力桩的安装误差参数是否满足要求。如果出现问题，须在自沉初期进行调整，如果入泥过深，其调整的空间较小，调整难度较大。

当吸力桩自沉完成之后，需要启动吸力泵开始抽水来使吸力桩继续贯入，由于海底土层的分布不均匀，随着贯入深度的增加，其需要的吸力越来越大，若离心泵无法满足吸力要求时，可以将SPT 吸力泵的吸力工作模式调节为凸轮泵抽水，从而满足贯入要求。当吸力桩贯入完成之后，ROV 对安装完成的吸力桩进行后调查，后调查项目包括贯入深度、安装位置误差、安装艏向要求、安装倾斜度要求，当都没有问题后，ROV 解开连接于吸力泵的吊装索具，并回收吸力泵至甲板，从而完成吸力桩的安装。