自升式鉆井平臺結構形式及精度控制要點

黃曉雪，沈盼

（1.渤海船舶職業(yè)學院，遼寧葫蘆島125105；2.盤錦凱瑞能源有限公司，遼寧盤錦124000）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和科學技術的進步，人類社會對能源的需求逐步上升。人類對石油的開采正逐步轉向海洋，海上石油鉆井平臺就應運而生。

海上石油鉆井平臺主要分為移動式平臺和固定式平臺兩大類。自升式鉆井平臺是移動式平臺中很重要的一種，由平臺、樁腿和升降機構組成，能沿樁腿升降，無自航能力。平臺甲板上安裝鉆機、其他機械設備和生活設施。平臺樁腿下部結構視海底承載能力的不同分沉墊和插入式兩種。樁腿周圍裝升降系統(tǒng)，主要有液壓或電動齒輪齒條式，工作時樁腿下放插入海底，平臺被抬起到離開海面的安全工作高度，并對樁腿進行預壓，以保證平臺遇到風暴時樁腿不致下陷。完井后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個平臺浮于海面，由拖輪拖到新的井位。

本文以某型自升式鉆井平臺為例，介紹其結構形式和精度控制要點，并為其他大型設備的安裝提供了一定的參考。

該平臺為鋼質(zhì)全焊接結構，主要由主船體、圍阱區(qū)、樁腿與樁靴、升降與鎖緊上下基礎、懸臂梁等結構組成。船體為近似三角形箱體平底結構，帶有3個三角形桁架樁腿，樁腿下端為樁靴，站立狀態(tài)時，船體負荷通過齒條鎖緊機構傳遞到3個下端帶樁靴的三角形桁架式樁腿上。上層建筑設在平臺艏部，在上層建筑前端設有直升飛機平臺。

1 主船體結構形式及精度控制

平臺船體采用近似三角形箱體結構，由連續(xù)縱艙壁和橫艙壁把箱型平臺主體劃分成若干個水密艙。針對平臺的受力特點，對3個圍阱區(qū)結構、懸臂梁支撐處等位置進行了特別加強。左右距舯9米左右的兩道連續(xù)縱艙壁與連續(xù)橫艙壁及雙層底、主甲板構成主受力框架。平臺船體甲板、船底、舷側、縱艙壁均為平面板架結構，根據(jù)不同區(qū)域和不同的載荷要求，可設計為橫骨架式或縱骨架式結構。舷側外板和船底板之間的連接采用直角連接。用于在海上干拖時緊固的凹形加強箱體、楔塊、拖航肘板等處的結構應進行足夠的加強。

主船體區(qū)域精度控制包括分段和合攏兩個階段，分段建造時按照“下料—小組—中組—大組”的順序，不同階段采用不同程度的監(jiān)控方式進行，管理重點是甲板、舷側外板、內(nèi)外底板等平面結構的平整度、垂直度和尺寸。按照生產(chǎn)設計圖紙中給定的補償量和余量，監(jiān)控每一條焊縫的收縮情況，保證分段整體尺寸在標準范圍內(nèi)。甲板對于平臺是最重要的使用區(qū)域，特別是懸臂梁導軌安裝區(qū)域的水平度控制是平臺建造過程中控制的重點與難點，從分段到合攏甲板水平度要做好整體規(guī)劃，合攏時最好使用全站儀等高精度測量儀器，嚴格控制中間甲板區(qū)域的水平值，在保證導軌安裝區(qū)域水平的同時還要考慮積水問題，盡量使中間甲板稍微高于周邊甲板，以便于甲板排水。主船體精度公差標準為：長度±4 mm，寬度±4 mm，同面度±3 mm，水平度±4 mm，對角線±2 mm。

2 圍阱區(qū)結構形式及精度控制

平臺主體在艉部設置兩個圍阱區(qū)，在艏部設置一個圍阱區(qū)。圍阱區(qū)結構是平臺主體與樁腿連接的主要受力區(qū)域，通過升降和鎖緊裝置支撐結構與船體縱橫向艙壁連接，使載荷合理地傳到主體各區(qū)域。圍阱區(qū)結構是根據(jù)升降、鎖緊系統(tǒng)對船體的要求，以保持力的良好傳遞為原則進行設計。平臺采用電動齒輪齒條升降系統(tǒng)及鎖緊裝置，圍阱區(qū)結構與齒輪箱的結構形式匹配，同時結構強度滿足規(guī)范要求。

每個圍阱區(qū)域一般劃分為3個分段進行建造，由于圍阱分段結構復雜，鋼材等級高，板厚多變，焊接變形大，精度控制要嚴格于主船體分段。主要控制點為圍阱的半徑和升降基礎安裝區(qū)域的尺寸，圍阱半徑在焊前裝配時要充分考慮焊接收縮情況，通常要比理論值大些，以保證焊后半徑尺寸不小于理論值；由于升降基礎是連接樁腿和主船體的關鍵部位，受力情況復雜，在分段建造過程中要嚴格控制該區(qū)域的尺寸和結構位置，保證基礎加強構件的平直度，減少合攏時構件彎曲帶來的內(nèi)應力，才能保證該區(qū)域結構達到設計強度。

3 樁腿結構形式及精度控制

樁腿是鉆井平臺重要的部件，3個三角形橫截面的樁腿長度167.0 m（含樁靴），截面為三角形桁架式結構。樁腿由齒條弦管、斜拉筋與水平拉筋組成。樁腿所有弦管為水密結構，其試驗壓頭應相當于鉆井平臺最大工作水深下弦管所受的最大壓力。樁腿的3個齒條板與樁靴3個120°桁材焊接，設置肘板過渡，保持力的良好傳遞。樁腿進行一般拖航狀態(tài)和風暴拖航狀態(tài)的結構強度計算，強度滿足規(guī)范要求。

樁腿建造過程分為齒條預制、齒條接長、單片預制、樁腿總組、樁腿合攏等幾個階段。作為精度要求最高的結構，在整個樁腿建造過程中都要嚴格控制精度，各階段有各自的控制要點和公差范圍。

齒條預制主要控制單片齒條的平面度、拱度、扭曲、長度、齒寬、齒厚等內(nèi)容，精度公差標準見表1。

表1 齒條預制精度公差標準

齒條接長即將3根檢驗合格的齒條吊裝至接長胎架上，按照優(yōu)化組合數(shù)據(jù)進行對接，焊接過程當中，精度控制人員對齒條的拱高、直線度、齒間距進行全天候24小時監(jiān)控，待焊接結束后對齒條進行整體焊后檢測。精度公差標準為：直線度29齒0～5 mm，對接齒間距±1.5 mm，拱高32齒0～3 mm。

齒條單片是將已對接完畢的齒條放置于齒條單片胎架上，檢測人員主要對齒條單片的直線度、角度、拱高、水平管間距進行準確的測量并做好數(shù)據(jù)記錄，焊接過程中檢測人員用經(jīng)緯儀、象限儀對單片的直線度、角度進行全程監(jiān)控測量。

樁腿總組即將3個已經(jīng)制作好的單片按照要求角度放置于總組胎架上?？偨M分段為桁架式結構，檢測人員主要對樁腿的水平度、直線度、三角數(shù)據(jù)、同面度等進行檢測，對焊接過程進行全程監(jiān)控。精度公差標準為：水平度8齒±1.5 mm，直線度32齒±1.5 mm，齒條板間距±3 mm，同面度±1 mm，角度±0.25°。

樁腿合攏即檢測人員在樁腿定位過程當中使用經(jīng)緯儀對整個樁腿的傾斜度進行監(jiān)控測量，檢測上下合攏口的齒距、拱高及直線度。焊接過程中檢測人員需進行全程跟蹤監(jiān)控，即時測量樁腿的傾斜度。精度公差標準為：拱高±1.5 mm，直線度±1.5 mm，齒間距±2 mm。

4 樁靴結構形式及精度控制

本平臺樁靴上下表面均為直徑17 800 mm，近似圓錐臺形，樁靴高度5 945 mm，根據(jù)其受力特點，內(nèi)部為72道輻射結構，其中3道呈相互120度布置的非水密艙壁與樁腿3個齒條板焊接，其它為角鋼或桁材。與樁靴同心圓半徑分別于2 438 mm、4 572 mm、6 801 mm、8 900 mm處設四道環(huán)形非水密艙壁。樁靴底部是水密的，頂部有一個立管，用于樁靴浸沒在水下時海水可以自由進出。對于平臺結構中最為關鍵的部位，即樁腿與樁靴的相交處，除采用規(guī)范允許的結構材料外，還要提出特別的焊接要求。每一個樁靴頂部有人孔蓋，樁靴內(nèi)部設直梯，便于維修時人員出入。樁靴與其樁腿相連接部位的所有全焊透焊縫、樁靴，根據(jù)受力特點，在最不利荷載組合下進行規(guī)范強度計算和有限元強度計算，并給出腐蝕余量。

樁靴建造過程中精度控制的重點是和齒條板相連接的3塊120°板的角度和垂直度，從地面放樣、外底板劃線、120°板裝配、到整體焊后都要嚴格控制3塊120°板與地樣線的重合度，誤差在1.5 mm以內(nèi)。在中心圓桶裝配后要把120°線放樣到圓桶頂部和側面，用來保證120°板的同面度。其余內(nèi)部結構裝配公差與主船體分段要求一致，按照外底板理論線進行裝配保證結構垂直度即可。

5 懸臂梁結構形式及精度控制

懸臂梁采用液壓移動系統(tǒng)，在主甲板上可以進行前后移動，懸臂梁（以轉盤中心為基準）最大外伸22.5 m。懸臂梁結構為箱型結構，主要由懸臂梁箱體、基座、鎖緊機構、液壓缸移動系統(tǒng)等組成，懸臂梁在任何位置都能夠被移動和固定。設計安裝懸臂梁前端HOLDDOWN和平臺艉部PUSH-UP結構，以便能夠支撐技術規(guī)格書給出的最大鉆井載荷。懸臂梁箱體由兩道強縱向外壁、懸臂梁下底板、懸臂梁中間甲板和懸臂梁上堆場甲板及前后封閉外壁組成。懸臂梁箱體內(nèi)分為上下兩層，下層底板上布置有固井區(qū)、BOP控制區(qū)、泥漿處理區(qū)、防噴器存放區(qū)、防噴器試壓區(qū)、防噴器安裝移動區(qū)和污染泄放收集柜，底部甲板在防噴器安裝區(qū)域為開式結構。中間甲板布置有泥漿處理區(qū)、泥漿化驗室、鉆臺懸臂梁配電間、會議室、儲物區(qū)等。懸臂梁上層甲板設有32.6 m長、18.95 m寬的管架排放區(qū)，安裝有可移式排管器支柱。其上布置了排管器、關節(jié)吊等管子處理設施。

懸臂梁區(qū)域精度控制重點分為基座、懸臂梁主體、鉆臺三大部分。

基座安裝于主甲板上，每邊各有4個，另外還有夾緊裝置、液壓移動裝置底座等結構。該部分結構在預制時要控制好基座工作面的平面度和兩側立板的垂直度，標準在1 mm以內(nèi)，由于結構板較厚，尺寸小，單位面積內(nèi)焊接量大，在結構裝配焊接時要規(guī)劃好先后順序，以減小焊接變形?；蠑n時控制各基座的共同水平度、中心直線度以及兩側基座的間距，使水平度誤差范圍在2 mm以內(nèi)，中心直線度和間距誤差在1.5 mm以內(nèi)。焊接過程中實時監(jiān)控，如有數(shù)據(jù)超差，及時調(diào)整，保證焊后該區(qū)域結構整體水平度和間距在標準誤差范圍內(nèi)。

懸臂梁主體精度控制的重點為大梁、滑臂和鉆臺底座。兩側大梁是和基座直接接觸的構件，其下面板厚度大，不易校正，面板的對接水平度要實時監(jiān)控，及時調(diào)整，保證水平度在允許公差范圍內(nèi)。大梁合攏時，要保證兩條大梁的直線度、共同水平度和間距，誤差要小于基座的合攏誤差，才能保證懸臂梁順利滑移。滑臂是安裝在大梁內(nèi)側的帶圓孔長鋼板，孔間距和滑臂整體直線度是控制重點。鉆臺底座是鉆臺在懸臂梁上左右滑移的基礎，主要控制點為兩根工字梁的整體水平度和間距。精度公差標準見表2。

表2 懸臂梁主體精度公差標準

鉆臺建造時，首先根據(jù)工藝給出的鉆臺工字鋼胎架圖制作胎架，鉆臺工字鋼的面板以及肘板在已完成的水平胎架上進行制作，鉆臺工字鋼制作過程中，檢測人員需用經(jīng)緯儀和水平儀對懸臂梁的面板及翼板進行平面度、直線度及拱高的檢測，用盤尺和拉力器測量鉆臺工字鋼的長、寬、高等數(shù)據(jù)。其余結構安裝時盡量對稱布置，減少鉆臺重心偏離型心的距離，增加其穩(wěn)定性。精度公差標準為平面度±1.5 mm，長度±4 mm，直線度±1.5 mm，高度±2 mm。

6 上層建筑結構形式及精度控制

上層建筑位于平臺的艏部，采用“V”型設計，共分為5層，第一層高3.20 m，第二層為3.35 m，第三層到第四層均為3.20 m，第五層高為3.35 m。上層建筑外部圍板采用壓制波紋板建造，具體尺寸、形狀和材料按照合同圖紙要求進行設計，并在承受較大作用力的區(qū)域局部加強，滿足使用及強度要求。

上建分段鋼板比較薄，結構強度弱，焊接變形大，在建造過程中要做好反變形的加放和焊接變形的控制工作。在合攏口處要用槽鋼或者工字鋼作為背梁進行加固，內(nèi)部加斜撐和水平支撐，防止托運、翻身時變形。該船上建圍壁采用壓制波紋板，減少了圍壁平整度的工作。該區(qū)域分段精度控制的重點是各層甲板的平整度，在分段建造時要做好甲板面的防護，減少不必要的甲板面焊接作業(yè)，在甲板面上焊接型材時要對稱勻速進行，以減少包谷的產(chǎn)生。上建分段精度標準與主船體分段標準相同。

7 升降、鎖緊系統(tǒng)結構形式及精度控制

本平臺采用電動齒輪齒條升降系統(tǒng)，配備27套升降單元、3個馬達控制柜、3個樁邊控制臺和1個升降集控臺。每套升降單元由升降小齒輪、變速箱、電機和剎車裝置組成。升降單元安裝在樁腿圍阱和主甲板的上基礎結構上。通過升降電機、減速箱帶動小齒輪旋轉，升降小齒輪與樁腿齒條嚙合，小齒輪不同方向的旋轉帶動平臺升降。升降基礎與升降裝置的安裝，應嚴格按照設計要求，保證樁腿與導向塊和升降齒輪的安裝公差。在安裝過程中，應不斷校驗導向塊與樁腿的公差，并按照要求進行調(diào)試和全船升降試驗。根據(jù)胎架圖制作升降基礎胎架，按照升降基礎的形狀制作箱型胎架，精度公差標準為胎架中心線±0.5 mm，胎架上端面平面度±0.5 mm，胎架水平線±1 mm。

升降基礎制作即以前面板為基準劃出結構線，檢測人員對結構線數(shù)據(jù)進行測量，之后進行結構裝配并對每一道工序進行全程監(jiān)控、即時測量，并整理測量數(shù)據(jù)。升降基礎制作時要嚴格控制平整度和收縮量，必須按照焊接工藝進行焊接，精度公差標準見表3。

表3 升降基礎精度公差標準

在上下基礎整體制作完工之后還需進行機加工，再進行上下基礎預合攏，預合攏過程中，檢測人員需對上下基礎的水平精度、腰線進行全程監(jiān)控，保證腰線的水平精度。精度公差標準為：腰線水平±1 mm，整體水平±4 mm，長度±3 mm，寬度±3 mm，高度±2 mm。

升降系統(tǒng)在船上合攏前，檢測人員需把齒條中心線用經(jīng)緯儀引到主甲板上，依照齒條中心線劃出升降系統(tǒng)開幅線，按照開幅圖紙及公差范圍測量對角度、直線度、長度、寬度等數(shù)據(jù)。升降系統(tǒng)上船合攏時，檢測人員應對120°中心線、腰線、水平數(shù)據(jù)、三角數(shù)據(jù)進行準確的檢測，合攏焊接時，需對升降系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)進行全程監(jiān)控。精度公差標準為中心線±2 mm，腰線±2 mm，水平數(shù)據(jù)和三角數(shù)據(jù)±2 mm。

8 結語

隨著科技進步，精度測量手段也在不斷革新，例如全站儀和精度測量軟件的使用，使得精度測量更加便捷、精準。鉆井平臺精度要求高，造價昂貴，采用先進的精度管理手段不但能提高建造質(zhì)量，更能縮短建造周期。在高精度測量儀器和軟件的影響下，無余量造船也更加容易實現(xiàn)，鉆井平臺多為平直結構，充分考慮焊接收縮量，可以做到100%補償量代替余量，可以大大縮短船臺合攏周期，為船廠節(jié)約生產(chǎn)成本。

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