M—200液壓打樁錘變徑樁套的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1、M200液壓打樁錘變徑樁套的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究摘要：本文設(shè)計(jì)了一種用于海上鋼樁/隔水套管安裝的液壓打樁錘變徑樁套。根據(jù)潿洲12-2油田生產(chǎn)工程實(shí)際需求進(jìn)行科技創(chuàng)新，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬，為M-200液壓打樁錘提供了一種新型、簡(jiǎn)易、高效可插入式變徑樁套，徹底改變了以往需更換打樁錘體才能進(jìn)行不同直徑隔水套管的打樁工作，實(shí)現(xiàn)了快速、高效的無(wú)縫銜接打樁作業(yè)和便捷式小樁套適用于大直徑套管作業(yè)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便利，還大大提升了打樁錘的作業(yè)效率。本研究對(duì)改進(jìn)和優(yōu)化打樁錘海上施工效率具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：M-200液壓打樁錘；隔水套管；變徑樁套；施工效率；導(dǎo)管架隨著我國(guó)淺海油氣資源的日益枯竭，深海開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的大

2、力實(shí)施，我國(guó)深海油氣資源開(kāi)發(fā)裝備迎來(lái)了空前的開(kāi)展良機(jī)。液壓打樁錘作為海洋石油開(kāi)發(fā)、風(fēng)電安裝中的重要施工機(jī)械，也是一種新型打樁機(jī)械，以其污染小、噪音低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、打樁能量傳遞效率高及打擊能量容易控制等優(yōu)點(diǎn)正迅速邁入海洋石油開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，因此，進(jìn)行液壓打樁錘的開(kāi)發(fā)改造研究，對(duì)于節(jié)能、環(huán)保、促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步有重大意義。作為深海油氣資源開(kāi)發(fā)裝備隊(duì)伍成員，液壓打樁錘承擔(dān)著海洋平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中的重要任務(wù)，如樁基打樁、隔水套管打樁等，因此開(kāi)展液壓打樁錘在鋼樁、隔水套管海上安裝區(qū)塊效率提升研究是海洋平臺(tái)安裝面臨的重要課題之一。本文主要依托潿洲12-2油田導(dǎo)管架安裝工程，研究了M-200液壓打樁錘連續(xù)打入不同直徑的隔水套

3、管的效率提升技術(shù)，給出了M-200液壓打樁錘高效變徑樁套的優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)值分析，并成功應(yīng)用于潿洲12-2WHPA導(dǎo)管架安裝工程。1概述潿洲12-2油田位于中國(guó)南海北部灣海域，距潿洲島約37km。WZ12-2WHPA導(dǎo)管架吊裝重量為1800T，四腿樁基式導(dǎo)管架，16口井槽，包括15x4根610mm規(guī)格隔水套管，1x3根914mm規(guī)格隔水套管。工程初期鎖定打樁資源為M-200和S-280液壓打樁錘，錘套尺寸分別為24"和36"610mm規(guī)格套管采用M-200液壓打樁錘，914mm規(guī)格套管采用S-280液壓打樁錘，但由于該工程工期緊，施工資源利用緊張，況且隔水套管規(guī)格尺寸不同，需要

4、更換打樁錘體S-200和S-280共用一套管線(xiàn)系統(tǒng)后才可保證打樁連續(xù)，嚴(yán)重影響施工效率，施工進(jìn)度存在阻礙。因此為節(jié)省更換樁錘時(shí)間，需設(shè)計(jì)出更簡(jiǎn)化、更有效、更合理的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)打樁錘樁套直徑由24"變?yōu)?6"，針對(duì)上述工程施工特點(diǎn)，通過(guò)多種結(jié)構(gòu)方案的研究設(shè)計(jì)，以及大量的分析計(jì)算與比較，本文為M-200液壓打樁錘設(shè)計(jì)了一種滿(mǎn)足打樁要求的簡(jiǎn)易變徑送樁方案即“M-200液壓打樁錘高效變徑送樁樁套，不僅成功解決了上述問(wèn)題，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便利，還大大提升了打樁錘的作業(yè)效率。2樁套方案設(shè)計(jì)根據(jù)M-200液壓打樁錘結(jié)構(gòu)型式、24"樁錘錘套及36"隔水套管特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適

5、用M-200液壓打樁錘由24"變徑36"樁套。其樁套設(shè)計(jì)思路及工作原理如下：2.1設(shè)計(jì)思路樁套芯規(guī)格為3mx610mmx25mm長(zhǎng)x直徑x壁厚的套管現(xiàn)場(chǎng)余料，用來(lái)配合液壓樁錘24"錘套和可插入36"隔水套管，環(huán)板1470mmx30mm直徑x厚度的筋板，用來(lái)打樁36"隔水套管并做打樁能量傳遞，12塊加強(qiáng)板PLATE2用來(lái)增加樁套環(huán)板的強(qiáng)度，可保證樁套足夠的強(qiáng)度，6塊導(dǎo)向板PLATE3便于錘套順利插入隔水套管，并減輕打樁過(guò)程中的橫蕩，還可增加變徑樁套環(huán)板的強(qiáng)度，保證樁套的垂直度，進(jìn)而保證隔水套管的垂直度。2.2工作原理利用M-200液壓打樁錘完成導(dǎo)

6、管架610mm規(guī)格隔水套管打樁后，便可借助浮吊快速連接此變徑樁套進(jìn)行914mm隔水套管打樁。設(shè)計(jì)樁套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于連接操作，施工難度低，為工程節(jié)省大量的費(fèi)用，如圖3所示。3有限元模型建立樁套三維模型建模分析：ANSYS樁套材料：中心圓管為D36，其他材料均為Q345A樁套實(shí)際所受載荷為壓力、剪力、彎矩等沖擊載荷，約束所建立的幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而得到有限元模型。4計(jì)算結(jié)果分析等效應(yīng)力按第四強(qiáng)度理論定義，計(jì)算公式為：式中：VME為等效應(yīng)力，Mpa；為許用應(yīng)力，Mpa。許用應(yīng)力的計(jì)算公式為：分別為材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，Mpa。利用仿真技術(shù)對(duì)其可能的危險(xiǎn)工況進(jìn)行分析尤為重要。在進(jìn)行初步設(shè)

7、計(jì)后，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了不同工況下的有限元分析，模擬變徑樁套的受力情況，用科學(xué)手段完善方案。通過(guò)有限元分析結(jié)果的應(yīng)力云圖可見(jiàn)，在打樁過(guò)程中最大應(yīng)力均出現(xiàn)在樁套加強(qiáng)板頂部接觸樁壁的一側(cè)，與打樁分析結(jié)果一致，主要是由于環(huán)板的彎矩所導(dǎo)致，但其應(yīng)力值較小，局部應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度。可以看出剛性加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)降低局部應(yīng)力和撓度起著重要作用，而且提高了平安余量。5工程應(yīng)用借助M-200液壓打樁錘變徑樁套快速、高效完成了WZ12-2WHPA導(dǎo)管架隔水套管的海上安裝，提升了施工作業(yè)效率，極太提高收益水平，也為后續(xù)類(lèi)似工藝工程積累了珍貴的經(jīng)驗(yàn)。M-200液壓打樁錘高效送樁變徑樁套設(shè)計(jì)作為探索性嘗試，經(jīng)過(guò)潿洲工程使用證明頗

8、具成效，可以考慮將該方案逐步推廣至后續(xù)存有多種規(guī)格套管的井口平臺(tái)上，對(duì)提升導(dǎo)管架的安裝能力以及節(jié)省起重船的作業(yè)時(shí)間具有重要的意義。參考文獻(xiàn)【1】劉菊娥，鄭向榮，于皓，等.垂直護(hù)管水下樁基式井口保護(hù)架結(jié)構(gòu)J.中國(guó)海上油氣，2021，3：193-195.【2】劉菊娥，孫國(guó)民，鄭向榮，等.渤中34-3/5邊際油氣田有效開(kāi)發(fā)工程關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用J.中國(guó)海上油氣，2021，206：411-415.【3】朱合華，謝永健，王懷忠.打樁錘擊解析模型及墊層材料參數(shù)的優(yōu)化J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2021.【4】閻廷松.惠州21-1導(dǎo)管架的海上安裝J，海上工程，2021，3：38-42.【5】韓士強(qiáng)，魏佳廣，劉吉林，等.文昌19-1N油田導(dǎo)管架安裝技術(shù)J.海洋工程，2021，325：85-92.【6】施小成，王元慧.船舶動(dòng)力定位海洋環(huán)境的建