半潛式鉆井平臺建造變形控制研究

周 佳，馬曙光，王 璞

（1.708研究所，上海 200011；2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

海洋油氣裝備是一個特殊的海洋鋼結(jié)構(gòu)物，它的整體結(jié)構(gòu)相比于常規(guī)船舶更為復(fù)雜[1]。建造過程中，由于其特殊構(gòu)造，以及高強(qiáng)度鋼和甚高強(qiáng)度鋼的大量使用[2]、焊接要求[3～5]、分段搭載方式、大量特殊設(shè)備的安裝等原因，均會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形。若不控制整體的建造精度，輕者會導(dǎo)致某些設(shè)備無法正常工作，重者則可使整個裝備失去功能。因此，施工建造中制定嚴(yán)格的焊接工藝，選擇合理的焊接順序，采取有效措施研究控制包括船體分段搭載等整個建造過程中的變形是十分重要的。以“海洋石油981”深海半潛式鉆井平臺（工作水深3000m）為例，借助有限元技術(shù)，在結(jié)構(gòu)及其他承重作用下，分析了分段搭載過程中的船體變形，同時(shí)探討了不同搭載順序，對結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形影響，從而及時(shí)采取反變形措施，進(jìn)行施工優(yōu)化。提高了平臺的建造質(zhì)量。

1 主船體變形控制

“海洋石油981”深海半潛式鉆井平臺是由2個下浮體、4根立柱支撐著上部的箱形船體，左右立柱之間由2根橫向撐桿連接所構(gòu)成，如圖1所示。箱形船體設(shè)有雙層底、中間甲板、主甲板共3層；箱形船體中部設(shè)有月池開口；鉆臺與井架置于月池開口之上，通過8條支腿與箱形船體連接。月池開口主要是為了鉆井作業(yè)，以及下放/回收海底防噴器組、采油樹等設(shè)施，在垂向范圍內(nèi)貫穿整個箱形船體，開口縱向長約8m，橫向達(dá)40m，占箱形船體總寬一半以上。

圖1 “海洋石油981”半潛式鉆井平臺

1.1 結(jié)構(gòu)有限元分析

在平臺分段搭載漸進(jìn)過程中，船體結(jié)構(gòu)與設(shè)備重量在不斷地增加，不可避免地會產(chǎn)生構(gòu)造變形。由平臺整體出塢工況的有限元分析獲得的主要變形為：下浮體外板最大垂向變形為2.2mm，立柱外板最大變形為 12.8mm，箱形船體主甲板變形在25～35mm左右，月池開口中心變形達(dá)到了62.5mm，見圖 2。可見，構(gòu)造搭建得越高，變形越大。尤其是箱形船體部分布置有大量設(shè)備，結(jié)構(gòu)變形累加效應(yīng)明顯。再由于箱形船體僅靠四角立柱支撐，而鉆臺、井架等大型裝置都集中布置在月池開口區(qū)域，導(dǎo)致箱形船體中心位置垂向變形很大。

圖2 箱形船體甲板垂向變形

1.2 建造方案

為確保每個分段在各環(huán)節(jié)流轉(zhuǎn)順利，分段尺寸控制在20m×20m×14m 以下，重量控制在300t以內(nèi)。船塢處設(shè)2臺異軌600t龍門吊，總段重量（包含舾裝和臨時(shí)工裝件）須控制在920t以下。

為此，以箱形船體為例，在垂直方向上分3層，分別為：雙層底，雙層底至中間甲板（含），中間甲板至主甲板。箱形船體水平面內(nèi)每層有 16個分段，總計(jì)有 48個分段，箱形船體總重量（包含舾裝件）共11000t。分段劃分見圖3。

制定箱形船體建造方案時(shí)，曾研究了兩個分段搭載方案——分層吊裝和分塊吊裝。

1)分層吊裝：先吊裝雙層底部分，焊接完成；再吊裝中間甲板分段，焊接完成；最后吊裝主甲板分段，焊接完成。搭載時(shí)均由四角向中間拼接；

2)分塊吊裝：依照分段劃分，將雙層底、中間甲板、主甲板垂向分段先拼接成大分段，再按照區(qū)塊由立柱四角向中心進(jìn)行整體吊裝搭載。

為了更好地監(jiān)控搭載過程中的變形量，選用了分層吊裝方案。經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算，在無任何附加措施的情況下，雙層底部分搭載完成后，該層中部月池開口區(qū)垂向變形將達(dá) 92.6mm，超過了前文提及箱形船體鉆臺井架全部安裝完成后月池區(qū)的變形量62.5mm，見圖4與表1。

圖3 平臺箱形船體分段劃分

表1 搭載變形有限元分析結(jié)果對比 mm

圖4 箱形船體雙層底搭載變形計(jì)算

由于箱形船體雙層底部分結(jié)構(gòu)層高僅1.7m，相對整體尺度（箱形船體平面約為 78m×75m）而言很小，近月池開口區(qū)域類似懸臂梁，整體剛度不足導(dǎo)致該情況的發(fā)生。故在此分析的基礎(chǔ)上，搭載施工中必須采取臨時(shí)支撐措施，以避免搭載過程中出現(xiàn)過大的局部變形。

1.3 箱形船體反變形措施

實(shí)際搭載過程中采用了臨時(shí)反頂支撐結(jié)構(gòu)。同時(shí)，結(jié)合箱形船體整體變形計(jì)算結(jié)果及類似項(xiàng)目建造經(jīng)驗(yàn)，在分段建造時(shí)進(jìn)行反變形預(yù)處理，月池開口區(qū)域邊緣的反變形量設(shè)定在+25～+40mm（“+”表示垂直向上變形，“-”表示垂直向下變形）。雙層底搭載完成后月池開口區(qū)域變形測量值為+13～+30mm及箱形船體搭載完成后月池開口區(qū)域的變形測量值為+6～+19mm。

2 月池區(qū)變形控制

箱形船體搭載完畢以后，甲板設(shè)備如錨機(jī)等逐步安裝就位，其中安裝鉆臺模塊是其中的關(guān)鍵核心工序。在主甲板設(shè)備安裝完畢后，鉆臺模塊安裝前，月池開口位置的變形測量值為-5mm～+4mm，見圖5。

圖5 井架搭載前月池區(qū)變形測量

鉆臺模塊是該鉆井平臺關(guān)鍵的功能所在，主要由鋼質(zhì)井架、鉆井絞車、大吊鉤、轉(zhuǎn)盤、自動化設(shè)備等組成。根據(jù)不同的井架作業(yè)系統(tǒng)，鉆臺可由 4根、6根或8根立柱支撐，并與平臺月池周邊的艙壁相連。鉆臺除能夠承受上面各種設(shè)備自重與慣性載荷，以及環(huán)境載荷（主要是風(fēng)載）外，還有大鉤的沖擊載荷、可變的“立根盒”載荷（多根鉆桿預(yù)先組合成一體，并專置區(qū)域，稱為“立根盒”）以及隔水管張力器引起的載荷。

整個鉆臺以上模塊自重（包括鉆臺在內(nèi)）約為2860t，由鉆臺下6根支腿連接到月池區(qū)的艙壁上。月池區(qū)開口兩側(cè)布置2條軌道，用于橫向水平運(yùn)送海底防噴器組及采油樹，海底防噴器組重達(dá)430t，采用液壓馬達(dá)齒輪齒條驅(qū)動的臺車在月池區(qū)兩側(cè)軌道上進(jìn)行運(yùn)送。軌道運(yùn)輸設(shè)備對船體結(jié)構(gòu)變形的控制，要求更為嚴(yán)格：橫向兩根軌道的平面度，應(yīng)小于1/700的軌道的間距（±11.4mm）；單根軌道的水平度，應(yīng)小于 1/1000的有效軌道長度（±40mm）。

2.1 結(jié)構(gòu)有限元分析

平臺整體和月池開口區(qū)局部有限元模型，見圖6。月池開口通過大肘板進(jìn)行支撐。其整體模型中，井架質(zhì)量通過在鉆臺支腿與甲板連接處布置質(zhì)量點(diǎn)形式模擬；局部模型中對開口區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，建立支腿模型，鉆臺及井架載荷加載于支腿上端。

圖6 平臺整體、月池開口區(qū)局部有限元模型

分析比較了平臺在出塢及作業(yè)工況下，月池開口區(qū)的應(yīng)力及變形情況，為施工建造提供參考，計(jì)算結(jié)果見表2，結(jié)構(gòu)變形如圖7所示。若不采取措施月池開口區(qū)的變形將超出軌道輸運(yùn)設(shè)備的安裝要求。故此，在分段預(yù)制時(shí)，就要考慮變形影響，并采取反變形措施。

表2 有限元分析結(jié)果對比

圖7 月池開口變形

2.2 實(shí)際施工效果

鉆臺模塊完成后，月池區(qū)的變形量為-20～+1mm，見圖 7。對比鉆臺模塊安裝前后的數(shù)據(jù)（圖5及圖8）后可見，井架安裝與否月池中心變形量為15mm左右，對結(jié)構(gòu)變形有很大影響，今后在海洋工程設(shè)計(jì)及安裝中加以特別注意。另外，因分段預(yù)制了反變形，井架搭載后月池區(qū)前后兩根橫向軌道的水平度最大變形量分別為 17mm和5mm，均滿足軌道安裝要求。反變形措施起到了很好的效果，實(shí)現(xiàn)了建造質(zhì)量控制的目標(biāo)。

圖8 井架搭載后月池區(qū)變形測量

3 結(jié) 語

大型深海油氣開采裝備因其作業(yè)環(huán)境惡劣，搭載設(shè)備多、載荷大且作業(yè)要求高。因此，在設(shè)計(jì)建造過程中，對構(gòu)造變形的控制要求，較之常規(guī)船舶顯著提高，需進(jìn)行全程監(jiān)控，以求保證產(chǎn)品最終質(zhì)量。

在此次項(xiàng)目實(shí)施過程中，在不同階段利用各種手段對結(jié)構(gòu)變形量進(jìn)行預(yù)測和控制。通過有限元計(jì)算分析揭示了潛在的結(jié)構(gòu)大變形區(qū)域，采用反變形及臨時(shí)加強(qiáng)措施等，能很好地控制變形量，使整體結(jié)構(gòu)最終滿足相關(guān)建造精度控制要求。

[1] 趙耕賢.我國浮式生產(chǎn)儲油裝置技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].上海造船，2009，(2):48-52.

[2] 梁 創(chuàng)，周 佳，王 璞，劉華祥.淬火回火鋼在深海半潛式鉆井平臺中的應(yīng)用[J].上海造船，2010，(4):49-53.

[3] 中國船級社焊接與材料規(guī)范[S].2006.

[4] 美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].AWS D1.1.2006.

[5] ABS Guide for Nondestructive Inspection of Hull Welds[S].2002.