M—200液压打桩锤变径桩套的优化设计研究

韩士强 魏佳广

摘要：本文设计了一种用于海上钢桩/隔水套管安装的液压打桩锤变径桩套。根据涠洲12-2油田生产项目实际需求进行科技创新，通过优化设计、数值模拟，为M-200液压打桩锤提供了一种新型、简易、高效可插入式变径桩套，彻底改变了以往需更换打桩锤体才能进行不同直径隔水套管的打桩工作，实现了快速、高效的无缝衔接打桩作业和便捷式小桩套适用于大直径套管作业，不仅结构简单，安装便利，还大大提升了打桩锤的作业效率。本研究对改进和优化打桩锤海上施工效率具有指导意义。

关键词：M-200液压打桩锤；隔水套管；变径桩套；施工效率；导管架

随着我国浅海油气资源的日益枯竭，深海开发战略的大力实施，我国深海油气资源开发装备迎来了空前的发展良机。液压打桩锤作为海洋石油开发、风电安装中的重要施工机械，也是一种新型打桩机械，以其污染小、噪音低、结构简单、打桩能量传递效率高及打击能量容易控制等优点正迅速迈入海洋石油开发市场，因此，进行液压打桩锤的开发改造研究，对于节能、环保、促进技术进步有重大意义。作为深海油气资源开发装备队伍成员，液压打桩锤承担着海洋平台建设过程中的重要任务，如桩基打桩、隔水套管打桩等，因此开展液压打桩锤在钢桩、隔水套管海上安装区块效率提升研究是海洋平台安装面临的重要课题之一。

本文主要依托涠洲12-2油田导管架安装项目，研究了M-200液压打桩锤连续打入不同直径的隔水套管的效率提升技术，给出了M-200液压打桩锤高效变径桩套的优化设计及数值分析，并成功应用于涠洲12-2WHPA导管架安装项目。

1概述

涠洲12-2油田位于中国南海北部湾海域，距涠洲岛约37km。WZ12-2WHPA导管架吊装重量为1800T，四腿桩基式导管架，16口井槽，包括15x4根φ610mm规格隔水套管，1x3根φ914mm规格隔水套管。

项目初期锁定打桩资源为M-200和S-280液压打桩锤，锤套尺寸分别为24"和36"（φ610mm规格套管采用M-200液压打桩锤，φ914mm规格套管采用S-280液压打桩锤），但由于该项目工期紧，施工资源利用紧张，况且隔水套管规格尺寸不同，需要更换打桩锤体（S-200和S-280共用一套管线系统）后才可保证打桩连续，严重影响施工效率，施工进度存在阻碍。因此为节省更换桩锤时间，需设计出更简化、更有效、更合理的技术方案实现打桩锤桩套直径由24"变为36"，针对上述工程施工特点，通过多种结构方案的研究设计，以及大量的分析计算与比较，本文为M-200液压打桩锤设计了一种满足打桩要求的简易变径送桩方案即“M-200液压打桩锤高效变径送桩桩套”，不仅成功解决了上述问題，并且结构简单，安装便利，还大大提升了打桩锤的作业效率。

2桩套方案设计

根据M-200液压打桩锤结构型式、24"桩锤锤套及36"隔水套管特点，设计适用M-200液压打桩锤由24"变径36"桩套。其桩套设计思路及工作原理如下：

2.1设计思路

桩套芯规格为3mxφ610mmx25mm（长x直径x壁厚）的套管（现场余料），用来配合液压桩锤24"锤套和可插入36"隔水套管，环板φ1470mmx30mm（直径x厚度）的筋板，用来打桩36"隔水套管并做打桩能量传递，12块加强板（PLATE2）用来增加桩套环板的强度，可保证桩套足够的强度，6块导向板（PLATE3）便于锤套顺利插入隔水套管，并减轻打桩过程中的横荡，还可增加变径桩套环板的强度，保证桩套的垂直度，进而保证隔水套管的垂直度。

2.2工作原理

利用M-200液压打桩锤完成导管架φ610mm规格隔水套管打桩后，便可借助浮吊快速连接此变径桩套进行φ914mm隔水套管打桩。设计桩套结构简单、便于连接操作，施工难度低，为项目节省大量的费用，如图3所示。

3有限元模型建立

桩套三维模型建模分析：ANSYS

桩套材料：中心圆管为D36，其他材料均为Q345A

桩套实际所受载荷为压力、剪力、弯矩等冲击载荷，约束所建立的几何模型，并进行网格划分，从而得到有限元模型。

4计算结果分析

等效应力按第四强度理论定义，计算公式为：式中：σVME为等效应力，Mpa；[σ]为许用应力，Mpa。许用应力[σ]的计算公式为：

分别为材料的屈服强度和抗拉强度，Mpa。

利用仿真技术对其可能的危险工况进行分析尤为重要。在进行初步设计后，对设计方案进行了不同工况下的有限元分析，模拟变径桩套的受力情况，用科学手段完善方案。

通过有限元分析结果的应力云图可见，在打桩过程中最大应力均出现在桩套加强板顶部接触桩壁的一侧，与打桩分析结果一致，主要是由于环板的弯矩所导致，但其应力值较小，局部应力小于屈服强度。可以看出刚性加强结构对降低局部应力和挠度起着重要作用，而且提高了安全余量。

5工程应用

借助M-200液压打桩锤变径桩套快速、高效完成了WZ12-2WHPA导管架隔水套管的海上安装，提升了施工作业效率，极太提高收益水平，也为后续类似工艺项目积累了宝贵的经验。

M-200液压打桩锤高效送桩变径桩套设计作为探索性尝试，经过涠洲项目使用证明颇具成效，可以考虑将该方案逐步推广至后续存有多种规格套管的井口平台上，对提升导管架的安装能力以及节省起重船的作业时间具有重要的意义。

参考文献

[1]刘菊娥，郑向荣，于皓，等.垂直护管水下桩基式井口保护架结构[J].中国海上油气，2009，（3）：193-195.

[2]刘菊娥，孙国民，郑向荣，等.渤中34-3/5边际油气田有效开发工程关键技术及其应用[J].中国海上油气，2008，20 （6）：411-415.

[3]朱合华，谢永健，王怀忠.打桩锤击解析模型及垫层材料参数的优化[J].同济大学学报（自然科学版），2004.

[4]阎廷松.惠州21-1导管架的海上安装[J]，海上工程，2010，（3）：38-42.

[5]韩士强，魏佳广，刘吉林，等.文昌19-1N油田导管架安装技术[J].海洋工程，2014，32 （5）：85-92.

[6]施小成，王元慧.船舶动力定位海洋环境的建模与仿真[J]，计算机仿真，2006，23 （11）：237-239.

[7]London Offshore Consultants，Inc.（LOC Marine Warranty Surveyor）“Guidelines for Marine Operations，”April 1997.