海上自升式平台桩腿设计探讨

王 鹏，高连烨，穆胜军

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452)

0 引 言

随着海洋石油勘探开发逐渐向深海海域发展，坐底式平台已无法满足上述要求，自升式平台便随之发展起来。自升式平台的桩腿可以垂直升降，作业时提升系统下放桩腿着地，平台沿桩腿升至海面上一定高度；移位时平台通过提升系统降到水面，桩腿升起，平台像驳船，可以拖航至新的作业地点[1-2]。

自升式平台的设计现在也已经由适用于浅水海域作业逐渐向适用于深水海域作业发展[3]，即使对于浅海海域作业的自升式平台的作业功能要求不同，平台的设计也有新的要求，以前的自升式平台主要是简单、价格便宜和能够满足基本的功能要求即可，现在已经转变成作业方便、高效、舒适的高端要求[4]。随着对作业效率的要求提高，提升系统也呈现趋于选择提升效率更高的齿轮齿条升降系统[5]。

不同的作业水深和不同的功能设计需求不仅决定着自升式平台的结构形式，更重要的是对自升式平台桩腿的设计有着很大的影响。桩腿是自升式平台的承载结构，对整个平台的结构性能起到重要的作用。本文探讨了影响桩腿设计的主要因素，主要的两种桩腿结构形式——圆柱桩腿和桁架式桩腿对自升式平台发挥的重要作用，不同的桩腿数量对平台是否有影响，对自升式平台的设计尤其是桩腿的设计有一定借鉴意义。

1 自升式平台的类型及其特点

自升式平台的类型有很多，可以分别按照平台的用途、提升系统的型式、桩腿下端与土壤的接触型式以及桩腿的结构型式进行分类[5]。

1.1 平台的用途

自升式平台的用途很广，目前常用的有自升式钻井平台、采油平台、修井平台、生活平台、施工作业平台等。

1.2 提升系统的型式

可以分为液压升降系统和齿轮齿条式提升系统。齿轮齿条提升系统的效率要高于液压插销式提升系统。对于需要频繁升降的自升式平台，齿轮齿条升降系统更为合适。

1.3 桩腿下部和土壤的接触方式

桩腿下部不带沉垫的插桩式自升式平台，桩腿直接插入海底，用桩腿支撑整个平台，站位作业，主要适用于海底土壤较好的海域。

桩腿下部带整个沉垫的自升式平台，沉垫能有效传递来自桩腿的载荷，用沉垫和平台的重量保证平台的抗倾和抗滑稳性，适用于海底土壤承载力较差的海域。

桩腿下部带独立的桩靴的平台，可以减少插桩深度，现在多数平台是此设计。

1.4 桩腿结构型式

圆柱式桩腿自升式平台，其桩腿截面一般为圆形，结构简单，刚性大，一般适用于60 m水深以内的浅水海域。如工作水深再增大，壳体桩腿的波浪载荷将随着桩腿尺度增加而剧增，桩腿重量也会增加，所以对于深水平台用壳体式桩腿不够经济。

桁架式桩腿自升式平台。桩腿截面一般为三角形，主要是由弦杆、撑杆和内撑杆组成，一般3个弦杆上带有齿条，与齿轮齿条升降系统配合。桁架式结构桩腿上的波浪载荷和海流载荷相比同尺寸的壳体桩腿要小，因此桁架式桩腿常用于深水海域。

2 自升式平台桩腿设计

自升式平台的结构组成主要由桩腿(包括沉垫或者桩靴)、船体和固桩架等结构组成。船体主要是提供作业和生活场地，并在拖航时提供浮力及保证拖航稳定性；桩腿是升降并支持整个平台海上作业的关键设施；固桩架是把桩腿和船体固定在一起，形成一个整体，将船体的载荷传递给桩腿，桩腿再通过桩靴(或沉垫)传递给海底地基[6]。

桩腿是自升式平台的关键结构之一，其设计主要包括桩腿数量的确定和桩腿结构型式的确定，桩腿的设计主要考虑以下几个因素影响。

2.1 设计水深

通常情况下平台的工作水深越深，波浪载荷越大，当水深增大时，桩腿长度、尺寸和重量都会迅速增加。桁架式桩腿较圆柱式桩腿受的波浪载荷小，重量轻，深水作业一般选择桁架式桩腿，水深小于60 m宜选择圆柱桩腿[7]。

2.2 提升系统

自升式平台的提升系统主要有齿轮齿条提升系统和液压升降提升系统。液压插销提升系统一般采用圆柱桩腿，齿轮齿条提升系统多采用桁架式桩腿，国内的自升式平台也有齿轮齿条提升系统采用桩腿截面为圆形加齿条的圆柱桩腿的型式[8]。

2.3 作业要求

自升式平台的设计根据作业要求，比如钻井作业、生活支持作业、生产支持作业等，其布置会有不同，对平台主船体的尺寸要求也不一样。在相同桩腿间距的情况下，四桩腿自升式平台的甲板面积要大于三桩腿。

2.4 桩腿加工制造成本

对于加工制造，圆柱型桩腿的加工制造较桁架式桩腿要简单些，加工成本也会降低。

综上，桩腿的设计是受多方面因素影响的，对于深水自升式平台，由于波浪载荷变大，多采用波浪载荷小的桁架式桩腿结构，同时考虑能够使得自升式平台取得稳定支撑的三桩桁架式桩腿的自升式平台。对于浅水海域，波浪载荷小，圆柱桩腿是非常经济合适的。四桩腿的自升式平台的主船体呈矩形，可以提供更大的甲板面积，相比三桩腿的自升式平台还可以采用对角预压的方式进行预压，不需要压载水。

3 自升式平台桩腿设计实例比较

从上面的分析中可以知道，自升式平台桩腿的设计和许多因素有关系，深水作业的自升式平台的桩腿基本上都是桁架式桩腿，也就是自升式平台配有齿轮齿条提升系统[9]；对于浅水区，水深小于60 m的自升式平台的桩腿一般是选择圆柱桩腿的设计。但是从平台的整个生命周期和不同的建造预算方面考虑，也会影响桩腿的设计。

下面对一浅海作业平台的桩腿结构设计进行比较分析[10-13]。基于一致的关键技术输入，比如净甲板面积、甲板载荷、住舱人数等，分别就三桩腿、四桩腿、液压提升系统和齿轮齿条提升系统的自升式平台进行比较分析。

在甲板净面积一致的前提下，为了获得相同的净甲板面积，三桩腿平台的主尺度要大于四桩腿的平台。甲板面积三桩腿和四桩腿是相当的。因此，三桩腿自升式平台和四桩腿自升式平台主船体的差异不大，但是提升系统和桩腿截面的不同，对桩腿的重量会造成很大差别。桩腿尺寸及重量情况对比如表1所示。

表1 桩腿尺寸及重量对比Tab.1 Leg size and weight comparison

重量对比结果是：三桩腿约为四桩腿的80%，插销提升系统的桩腿约为齿轮齿条提升系统的85%。

对三桩腿和四桩腿的结构性能进行对比，主要结构性能参数对比如表2所示。

表2 结构性能参数对比Tab.2 Comparison of structural performance parameters

结构性能对比结果：四桩腿的结构刚度更好；四桩腿的抗倾覆稳定性更好；四桩腿的作业安全性更好。

综上，三桩腿方案的结构重量低于四桩腿方案，液压插销式提升系统的方案平台结构重量要低于齿轮齿条提升系统的方案，四桩腿方案结构总体性能优于三桩腿方案。

4 结 论

本文通过对自升式平台的类型和组成进行阐述，以设计实例方式介绍了自升式平台桩腿设计，提出对平台桩腿设计几个重要的影响因素：根据作业水深和提升系统的型式确定桩腿的结构型式；对于浅水海域的自升式平台设计，三桩腿的结构重量要小于四桩腿的结构重量，而且液压插销提升系统方案的结构重量要低于齿轮齿条方案，因此三桩腿的液压插销式平台更经济；对于浅水海域的自升式平台，四桩腿的平台结构性能要优于三桩腿的自升式平台。■