深水鋼樁起吊下放運(yùn)動(dòng)特征分析

黃山田，王浩宇，魏佳廣，李曉琛，劉 松

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，深水油氣平臺(tái)與海上風(fēng)電場(chǎng)已成為一個(gè)重要的發(fā)展方向，樁基基礎(chǔ)作為這兩種能源平臺(tái)的共有基礎(chǔ)形式，其安裝的精度對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的在位性至關(guān)重要[1]。通過對(duì)鋼樁起吊和入水安裝過程中運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的模擬分析，研究影響鋼樁運(yùn)動(dòng)和就位精度的關(guān)鍵因素，從而達(dá)到減小鋼樁安裝精度超差風(fēng)險(xiǎn)的目的，該技術(shù)對(duì)于制定鋼樁穩(wěn)定下放及精確就位施工方案至關(guān)重要，有助于解決平臺(tái)安裝技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從而保障海洋油氣平臺(tái)和風(fēng)電結(jié)構(gòu)的在位性能，有效地提高安裝效率，助力于“一帶一路”海洋戰(zhàn)略的實(shí)施。

1 基礎(chǔ)參數(shù)

本文選取位于325 m水深的南海近海海域某大型導(dǎo)管架及其鋼樁設(shè)計(jì)作為工程實(shí)例，對(duì)鋼樁起吊和下放關(guān)鍵過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)計(jì)算分析。鋼樁的設(shè)計(jì)尺寸及質(zhì)量分布見表1、圖1。

圖1 鋼樁的設(shè)計(jì)尺寸

表1 鋼樁的設(shè)計(jì)尺寸及質(zhì)量

鋼樁起吊及下放計(jì)劃采用海油工程“藍(lán)鯨”號(hào)大型起重工程船，見圖2。作為國(guó)內(nèi)單臂起重能力最大的安裝船舶之一，“藍(lán)鯨”號(hào)全長(zhǎng)241 m，寬50 m，型深20.4 m，起重吊梁高98.1 m，最大起重能力75000kN?！八{(lán)鯨”號(hào)吊鉤可深入水下150m，最高起吊高度可達(dá)110 m。

圖2 "藍(lán)鯨"號(hào)大型起重船

基于“藍(lán)鯨”號(hào)錨系船的鋼樁可行性研究考慮了風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷下船體的平移、低頻運(yùn)動(dòng)及線性高頻運(yùn)動(dòng)。本文僅針對(duì)基于響應(yīng)幅值算子（RAO）的線性運(yùn)動(dòng)部分做運(yùn)動(dòng)分析[2]。“藍(lán)鯨”號(hào)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征見圖3。

圖3 "藍(lán)鯨"號(hào)運(yùn)動(dòng)特征（RAO）

2 運(yùn)動(dòng)特征分析

采用Orcaflex10.2版軟件對(duì)本工程實(shí)例中鋼樁的吊裝進(jìn)行分析。Orcaflex由Orcina開發(fā)，廣泛用于海洋工程系統(tǒng)安裝和設(shè)計(jì)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析[3]。典型計(jì)算模型見圖4。吊裝鋼纜采用兩根?60mm×11m鋼絲，單位長(zhǎng)度吊裝鋼絲總質(zhì)量為316.2kg/m，鉤頭質(zhì)量約為57 t。

圖4 運(yùn)動(dòng)特征分析計(jì)算模型及坐標(biāo)系

動(dòng)態(tài)計(jì)算分析考慮了下列吊裝下放過程中幾個(gè)代表性位置。

工況LC1：樁尖位于泥面以上150 m處（對(duì)應(yīng)鉤頭在海平面附近，水下4 m）。

工況LC2：樁尖位于泥面以上60 m處（對(duì)應(yīng)鉤頭在海平面附近，水下94 m）。

工況LC3：樁尖位于泥面以上30 m處（對(duì)應(yīng)鉤頭在海平面附近，水下124 m）。

計(jì)算分析涵蓋了對(duì)應(yīng)限制有義波高Hs=2.0 m的當(dāng)?shù)睾r波浪周期范圍Tp=4.0～13 s，來浪方向考慮每30°間隔的不同方向來浪。來流對(duì)鋼樁運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的影響也在本文范圍內(nèi)。

如圖4所示，來浪及來流方向角度定義為相對(duì)于X方向（船頭方向） 的夾角：0°為順浪，180°為頂浪方向，和RAO的定義保持一致。海流速度沿水深分布見表2。

表2 流速沿水深分布：1年返回期最大流速

鋼樁在水面以上扶正及通過水濺區(qū)的運(yùn)動(dòng)分析沒有包含在本文內(nèi)容中。

2.1 水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)特征（橫向運(yùn)動(dòng)X、Y）

計(jì)算分析截取了3個(gè)代表性位置來研究運(yùn)動(dòng)特征，分別位于吊臂端部（Crane Boom Tip）、鉤頭（Crane Hook）、樁尖 （Pile Bottom）[4]。

（1）圖5展示了在工況LC1（即樁尖距泥面150 m） 時(shí)，3個(gè)代表性位置水平方向（X、Y）的運(yùn)動(dòng)幅度。此時(shí)鉤頭位于水面以下5 m范圍內(nèi)水濺區(qū)以下，距吊臂端部豎直距離為67 m，鉤頭（以短纜連于樁頂） 和樁尖的水平方向運(yùn)動(dòng)幅度非常大，甚至在某些來浪方向上超過吊臂端部的水平方向運(yùn)動(dòng)振幅（當(dāng)Tp介于11～13 s范圍內(nèi)時(shí)）。而樁尖處運(yùn)動(dòng)幅度均小于鉤頭處水平運(yùn)動(dòng)幅度，表明水中質(zhì)量高達(dá)700 t的鋼樁起到一定的錨定作用。

圖5 工況LC1：樁尖距泥面150 m時(shí)吊臂頂端、鉤頭、樁尖的水平X、Y方向運(yùn)動(dòng)幅度

（2）作為對(duì)比，工況LC2的對(duì)應(yīng)結(jié)果見圖6。隨鋼樁下放至90 m水下，鉤頭和樁尖處的水平方向運(yùn)動(dòng)幅度迅速減小。舉例來說，對(duì)樁尖位置，考慮Tp=11 s的涌浪周期，針對(duì)順浪海況，在X方向上運(yùn)動(dòng)幅度由1.4 m降至0.3 m以下，而針對(duì)橫浪海況，在Y方向上運(yùn)動(dòng)幅度由2.6 m降至1.4 m。

圖6 工況LC2：樁尖距泥面60 m時(shí)吊臂頂端、鉤頭、樁尖的水平X、Y方向運(yùn)動(dòng)幅度

（3）當(dāng)鋼樁下放至樁尖距泥面30 m時(shí)（工況LC3），鋼樁各處水平方向運(yùn)動(dòng)幅度將進(jìn)一步下降。圖7為3個(gè)代表性位置的水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。鋼樁的錨定作用更為明顯。

圖7 工況LC3：樁尖距泥面30 m時(shí)樁尖水平方向運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2 豎直方向運(yùn)動(dòng)特征（Z）

圖8、圖9對(duì)比了在工況LC1（即樁尖距泥面150 m）及工況LC3（即樁尖距泥面30 m）時(shí)3個(gè)代表性位置在豎直方向（Z）的運(yùn)動(dòng)幅度。

圖8 吊臂頂端、鉤頭、樁尖的豎直Z方向運(yùn)動(dòng)幅度（工況LC1：樁尖距泥面150 m）

圖9 吊臂頂端、鉤頭、樁尖的豎直Z方向運(yùn)動(dòng)幅度（工況LC3：樁尖距泥面30 m）

結(jié)果表明，吊臂端部、鉤頭（鋼樁頂部）及樁尖的豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度相差不大，吊臂端部的起伏直接決定了鋼樁的升沉運(yùn)動(dòng)[5]。

2.3 來浪、來流對(duì)水平方向運(yùn)動(dòng)的綜合影響

圖10～圖12為順浪、相對(duì)船尾30°、橫浪幾種來浪環(huán)境工況下樁尖水平方向的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)應(yīng)有義波高及波浪周期為Hs=2.0 m及Tp=10 s；對(duì)有無來流的工況，在同一圖表上進(jìn)行了對(duì)比，以揭示來流對(duì)樁尖運(yùn)動(dòng)的影響。

圖10 順浪（0°）環(huán)境工況下樁尖水平方向運(yùn)動(dòng)軌跡（包括有或無來流工況的比較）

圖11 船尾30°來浪環(huán)境工況下樁尖水平方向運(yùn)動(dòng)軌跡（包括有或無來流工況的比較）

圖12 橫浪（90°）環(huán)境工況下樁尖水平方向運(yùn)動(dòng)軌跡（包括有或無來流工況的比較）

從各圖上可見，對(duì)應(yīng)于本工程實(shí)例1年返回期最大的流速，最大將導(dǎo)致約5.0 m的沿流速方向的偏移（工況LC1即樁尖距泥面150 m時(shí)），隨著鋼樁下放至近泥面，此偏移幅度將下降至3.0 m以內(nèi)。各圖的樁尖運(yùn)動(dòng)軌跡也再次表明了前面的研究結(jié)果，即水平方向運(yùn)動(dòng)幅度隨著鋼樁下放至泥面附近而大幅地下降。

2.4 吊裝系統(tǒng)水平方向運(yùn)動(dòng)自然頻率

在豎直吊裝作業(yè)中，如果吊裝系統(tǒng)某一振動(dòng)模態(tài)自然頻率和船體運(yùn)動(dòng)頻率（波浪周期）比較接近，則說明存在耦合即共振的可能性[6]。在本文的工程實(shí)例中，吊裝系統(tǒng)包括鋼絲、鉤頭、鋼樁等豎直疊加部分。在計(jì)算分析中使用Orcaflex軟件對(duì)該吊裝系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，表3列出了對(duì)應(yīng)于樁尖位于不同水深時(shí)3種工況下的前四階振動(dòng)模態(tài)的自然周期（其余為高頻振動(dòng)模態(tài)）。

表3 樁尖位于不同水深工況（LC1、LC2、LC3）時(shí)吊裝系統(tǒng)水平運(yùn)動(dòng)自然頻率

表3中第二階振動(dòng)模態(tài)的自然頻率與振動(dòng)分析所選取的波浪周期較為接近，考慮到在波浪周期Tp=10～13 s范圍內(nèi)船體的運(yùn)動(dòng)幅度較大，而對(duì)應(yīng)于LC1工況下第二階模態(tài)的自然頻率（14.7s）更為接近該波浪周期范圍（Tp=10～13 s），這一對(duì)比可以用來部分解釋LC1、LC2、LC3工況下水平方向的運(yùn)動(dòng)幅度范圍差別。

3 結(jié)論

本文基于鋼樁起吊和下放問題開展了數(shù)值仿真分析，揭示了吊臂端部、鉤頭、樁尖的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，得到以下結(jié)論。

（1）對(duì)于文中深水導(dǎo)管架，因鋼樁質(zhì)量達(dá)數(shù)百噸，運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析表明鋼樁起到一定的錨定作用。尤其是當(dāng)鋼樁下放至接近泥面時(shí)，樁尖及樁頂水平運(yùn)動(dòng)幅度顯著小于吊臂端部運(yùn)動(dòng)幅度，這有助于控制鋼樁安裝精度。

（2）在鋼樁下放過程中，當(dāng)鋼樁剛剛沒入水下時(shí)，樁尖及樁頂水平運(yùn)動(dòng)幅度有可能超過吊臂端部運(yùn)動(dòng)幅度，此時(shí)鋼樁應(yīng)以較快速度下放至較深水域以降低安裝風(fēng)險(xiǎn)。造成這一現(xiàn)象的原因可能來自于吊裝系統(tǒng)自然頻率與船體運(yùn)動(dòng)周期的耦合，因此吊裝系統(tǒng)的模態(tài)分析可以為鋼樁運(yùn)動(dòng)特征提供定性判斷[7]。

（3）來流速度和方向?qū)τ阡摌断路胚^程中的偏移影響較大，在鋼樁安裝分析中要考慮海浪、海流的綜合影響，以控制鋼樁安裝精度。

（4）鋼樁起吊運(yùn)動(dòng)特征分析有助于減小鋼樁安裝精度超差的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于鋼樁精確下放以及后續(xù)打樁過程都很有意義。對(duì)于風(fēng)電安裝過程來說，進(jìn)行充分的起吊下放運(yùn)動(dòng)分析能夠有效提高安裝效率，進(jìn)而降低海上安裝成本。