自升式平台冲桩系统设计配置分析

沈健 宫小康 罗垒

摘要：结合多型自升式平台设计建造经验，对比冲桩系统的设计及配置，结合使用条件，分析各种系统的适用性及性价比。

关键词：自升式平台;冲桩系统;设备配置

中图分类号：U664.43                          文献标识号：A

Abstract：Based on the design and construction experience of multi-type jack-up platforms， the design and configuration of jetting systems are compared. Combined with the use conditions， the applicability and cost performance of various jetting systems are analyzed.

Key words： Jack-up platform; Jetting system; Equipment configuration

1 前言

自升式平臺通过升降系统将桩腿下降插入到海底并达到桩靴设计入泥深度，然后通过升降系统将平台船体升离水面一定高度，保持所需的工作气隙，在海上形成不受波浪影响的固定作业平台。

冲桩系统作为自升式平台特有的管路系统，其主要作用是帮助平台在站桩结束后顺利完成平台的拔桩作业，实现平台的迁移功能，让平台在海洋中亦能如履平地完成赋予平台的施工作业任务。

根据平台作业海域及施工类型等因素，自升式平台配置有不同类型的冲桩系统。为实现平台冲桩系统的优化选择，本文对自升式平台的冲桩系统进行分析，以利于在船舶设计初期对冲桩系统进行优化配置。

2 自升式平台冲桩系统简介

自升式平台的冲桩系统，主要由冲桩设备、冲桩管路及阀附件组成：

（1）冲桩设备

一般冲桩空气瓶、高压冲水泵和消防水泵。其中：冲桩空气瓶的作用是为冲桩管路提供一定压力和体积的压缩空气;高压冲水泵的作用是为冲桩系统提供高压水;消防水泵的作用是为冲桩系统提供低压水。

（2）冲桩管路

分为两部分：一部分位于平台的主船体上;另一部分位于平台的桩腿桩靴中。主船体的管路和桩腿桩靴管路之间，通过带由壬的高压软管进行快速连接;平台桩腿桩靴内的冲桩管路，由桩腿顶部延伸至底部桩靴处，并在桩靴的上下表面布置若干喷头（见图1），其目的是利用冲桩介质降低桩靴底部吸附力，破除桩靴上部的淤泥压力，减小拔桩阻力，实现平台的成功拔桩;在桩腿冲桩总管上，每间隔2～2.5m设置由壬接头，在平台升降到任意位置时均可以通过邻近的由壬进行连接。

冲桩系统根据冲桩介质的类型不同，主要分为以下三种形式：

高压水冲桩系统;

低压压缩空气与消防水混合冲桩系统;

高压压缩空气与高压水混合冲桩系统。

通常，对于高压水的设计压力为2～5MPa;低压压缩空气的设计压力小于3MPa，消防水的设计压力为1.0MPa（常与消防泵的设计压力一致）;高压压缩空气的设计压力为3MPa（常与空压机的设计压力一致）。

基于对桩靴受力分析，拔桩时桩靴所受到的总阻力，主要有：桩靴底部吸入力;桩靴表面摩擦力;桩靴上部的淤泥压力和桩靴淤泥的剪切破坏力等。由于压缩空气对于桩靴底部吸附力的克服比水作用要好，同时水对于破除桩靴顶部的淤泥压力效果比压缩空气优，因此在进行系统选型时应充分考虑平台作业海域海床地质情况和平台自身施工要求。

表1列出了6种自升式平台冲桩系统的配置。通过对比发现，各型平台根据其用途和作业环境特点，配置了不同类型的冲桩系统。

3 自升式平台冲桩系统配置

3.1高压水冲桩系统

高压水冲桩系统，主要是通过高压冲水泵提供高压海水，并将海水通过管路系统输送至桩靴喷头进行冲桩。在进行冲桩作业时，通过阀门控制可实现平台的单桩冲桩和多桩冲桩。由于水压高，对桩靴土质作用力大，冲桩效率较高;同时，冲桩介质为海水，可直接从海底门获取，一定程度上缩短了冲桩时间。

此系统使用的高压冲水泵多为多级离心泵，该泵通过泵体各级叶轮层层加压后达到设计压力，由于叶轮级数多，因此泵的尺寸大、重量重、价格相对较贵。

高压水冲桩系统工作原理，见图2所示;高压冲水泵的相关参数，总见表2。

3.2 低压压缩空气与消防水混合冲桩系统

低压压缩空气与消防水混合冲桩系统，主要由压缩空气系统和消防水系统组成：

（1）压缩空气系统

主要由空压机、冲桩空气瓶和减压阀组组成，是平台主发电机组启动空气系统的分支系统。空压机输出高压压缩空气，经减压阀组输送至冲桩空气瓶进行储备。当进行冲桩作业时，通过控制冲桩出口阀开度来控制压缩空气的流量，进而控制冲桩速率。

（2）消防水系统

主要由消防水泵组成，是平台消防水系统的分支系统。当进行冲桩作业时，仅需启动消防泵便可获得冲桩水动力。上述两个系统的主要设备及管路，均为平台自身必须配置的，除增加冲桩空气瓶外，不需另行采购其它冲桩设备，因而整套设备成本低廉;但由于冲桩介质压力较低，冲桩空气瓶储气量有限，因此，在冲桩作业过程中需空压机进行补气，同时消防水泵水压较低，导致冲桩时作用力较小，延长了冲桩时间。在平台冲桩作业时，多采用压缩空气和消防水的混合介质进行（见图3），根据实际拔桩需求也可采用压缩空气单独冲桩。

3.3 高压水与高压压缩空气混合冲桩系统

高压水与高压压缩空气混合冲桩系统（见图4），主要由高压冲水系统和高压压缩空气系统组成：高压水来源于高压冲水泵;高压压缩空气来源于平台冲桩空气瓶。

该系统所用介质压力高，每种系统均可单独进行冲桩作业，因此可实现对桩靴顶部和底部同时进行高压水和高压压缩空气冲桩，也可水气混合冲桩，即桩靴的上表面采用高压水冲桩，下表面采用压缩空气冲桩;或者，某一个桩靴采用高压水冲桩，另一桩靴采用压缩空气冲桩。因此，此种混合冲桩系统操作性强，冲桩效率高，在平台拔桩作业时可实现不间断冲桩，大幅减少了冲桩时间，提高了平台的经济性。

4 各类冲桩系统的优缺点分析

不同类型的自升式平台，由于其作业类型和工作环境的不同，其冲桩系统的配置也有所不同。下面对各类冲桩系统进行对比分析，以便进行优选配置。

4.1高压水冲桩系统

高压水冲桩系统，其主要设备为高压冲水泵及高压管附件。系统原理相对简单，管系布置较为简便;但在设计压力下系统全部为I级管系及阀附件，采购成本较高，施工要求也较高。

高压水冲桩系统依靠5MPa的高压水进行冲桩作业，对破除桩靴淤泥压力作用效果好，拔桩效率较高，但对于克服桩靴底部吸附力相对较弱，故其适用于海床较硬区域作业。

4.2低压压缩空气与消防水混合冲桩系统

低压压缩空气与消防水混合冲桩系统，其主要设备为冲桩空气瓶和消防泵。消防泵及空压机为平台自身配置设备，不需要额外进行订购，且系统设计压力低，相对而言设备及管附件成本低廉，施工要求不高。

由于该系统设计压力较低，在进行冲桩作业时需控制压缩空气和消防水的流量进行冲桩，且在作业过程中需空压机进行补气，造成冲桩作业时间长，冲桩效率较低。由于冲桩介质采用了压缩空气，对破除桩靴底部吸附力作用效果较好，故适用于浅淤泥海床区域。

4.3高压水与高压压缩空气混合冲桩系统

高压水与高压压缩空气混合冲樁系统，其主要设备为高压冲桩泵及高压管附件和冲桩空气瓶。冲桩系统复杂，系统为I/II级管系，设备及管附件采购成本高。

高压水和高压压缩空气均可进行独立冲桩作业，系统功能强大，可操作性强，作业效率高，对海床的适应性强。

通过对上述三种冲桩系统的优缺点进行分析（见表3），可以看到适当增加压缩空气冲桩可以提高冲桩效率，且对系统整体的成本影响较小。在进行自升式平台冲桩系统选择时，可根据其作业环境进行水和压缩空气的配置，在满足使用条件下实现最优的经济性。

5 结束语

随着全球海工市场的逐渐回暖，自升式平台的需求显著提升，尤其在清洁能源领域，自升式风电安装平台的市场前景广阔。冲桩系统作为自升式平台特有的作业系统，其配置优良尤为重要，直接影响平台的拔桩效率和风险，是对平台的经济性考量的重要标准。本文通过对常用的冲桩系统的配置进行了分析，总结出不同配置系统的优缺点，期望对冲桩系统的设计选配有所帮助。

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