JU2000E自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

劉江慶+佟銘博+韋萬慶+李俊林+李書建

摘 要：提出了結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)船廠系列建造JU2000E自升式鉆井平臺(tái)的重要意義，簡(jiǎn)要介紹了該型平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例分析論述了平臺(tái)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化的思路與方法。

關(guān)鍵詞：平臺(tái)；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.221

0 引言

JU2000E自升式鉆井平臺(tái)是由美國(guó)F&G公司研發(fā)并經(jīng)多次改進(jìn)而定型的成熟鉆井平臺(tái)，它在全球投產(chǎn)的自升式鉆井平臺(tái)中占有重要市場(chǎng)地位。近些年來，隨著自升式鉆井平臺(tái)建造重心轉(zhuǎn)移到中國(guó)，該型平臺(tái)已在多家大型船廠形成規(guī)模量產(chǎn)。為此，開展該型平臺(tái)的設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化研究對(duì)承建船廠的提質(zhì)增效別具意義。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作，結(jié)構(gòu)建造是平臺(tái)生產(chǎn)的主體工程，平臺(tái)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)降低平臺(tái)建造成本、提高平臺(tái)建造質(zhì)量大有裨益，船廠理應(yīng)將其作為平臺(tái)技術(shù)優(yōu)化研究的重要課題。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

JU2000E自升式鉆井平臺(tái)主尺度～70m X 76m X 9.5m，最大工作水深～122m，能夠適應(yīng)全球范圍各種海域，最大鉆井深度～10668m。該型平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要包括主船體、上層建筑、直升機(jī)平臺(tái)、懸臂梁、鉆臺(tái)、樁靴、樁腿和抬升座。主船體采用雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械處所設(shè)有中間甲板，主甲板連續(xù)貫通；上層建筑設(shè)有7層甲板，左右舷分列布置；直升機(jī)平臺(tái)從上層建筑艏部外懸伸出并以管桁架支撐；懸臂梁是以左右舷工字強(qiáng)梁為支撐架構(gòu)的半封閉大型獨(dú)立結(jié)構(gòu)，可在主甲板面上縱向滑移；鉆臺(tái)是以井字形布置的大梁為支撐架構(gòu)的半封閉獨(dú)立結(jié)構(gòu)，可在懸臂梁鉆臺(tái)支座結(jié)構(gòu)上橫向滑移；樁靴為大直徑飛碟狀板筋結(jié)構(gòu)，在樁腿完全收回時(shí)可完全嵌入到主船體樁腿圍井底部凹槽中；樁腿是由齒條、弦管和撐管焊接而成的三角桁架式結(jié)構(gòu)，樁腿下端與樁靴連接，配合齒輪齒條升降系統(tǒng)和液壓鎖緊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降和站立；抬升座是由高強(qiáng)度厚板拼裝而成的獨(dú)立箱形結(jié)構(gòu)，承載抬升機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)，嵌入安裝于主船體樁腿圍井結(jié)構(gòu)中。

2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)，可大大提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，也可為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有利條件。我司系列建造的JU2000E自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)全部采用三維建模出圖，并從多個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.1 清砂孔及掃砂口預(yù)留板設(shè)計(jì)

平臺(tái)分段在涂裝前要進(jìn)行沖砂作業(yè)，沖砂后的磨料屑如何快速清理？各船廠做法不一，傳統(tǒng)方法是在艙室底板現(xiàn)場(chǎng)開設(shè)臨時(shí)工藝孔，待分段清砂、涂裝后封補(bǔ)。對(duì)此，我們采用了兩種優(yōu)化方案。一是預(yù)留分段底板上的泄放管開孔，待清砂、涂裝結(jié)束后再裝焊泄放管；二是在泄放管開孔位置及數(shù)量不能滿足清砂要求時(shí)，就在分段底板上設(shè)計(jì)預(yù)留板板縫，分段建造時(shí)預(yù)留開口，待清砂、涂裝完成后再封裝預(yù)留板。此項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化涉及主船體雙層底、樁腿圍井和樁靴共計(jì)24個(gè)分段，清砂工藝孔大量減少，分段沖砂、涂裝條件大為改善。

樁靴是由頂板、底板和裙邊圍板圍成的封閉結(jié)構(gòu)，若沒設(shè)計(jì)臨時(shí)工藝孔，其內(nèi)部焊接、沖砂和涂裝作業(yè)施工條件較為惡劣。如圖1，陰影區(qū)域的樁靴底板（共3塊，沿樁靴中心線對(duì)稱布置）在樁靴分段建造時(shí)預(yù)留不焊，待樁靴內(nèi)部燒焊、沖砂及涂裝后封焊。如此設(shè)計(jì)，在不影響樁靴底板美觀的情況下，充分利用了樁靴底板的自然拼縫預(yù)留開口，起到了臨時(shí)工藝孔的作用，便于鋼砂清理，有效改善了樁靴內(nèi)部施工條件。

2.2 樁腿圍井分段散裝板設(shè)計(jì)

平臺(tái)共有9個(gè)抬升座，每個(gè)抬升座的搭載都是以豎立狀態(tài)吊到樁腿圍井中，然后再水平推入樁腿圍井分段的接口位置（圖2中的粗線即為抬升座和樁腿圍井分段的接口）。由于抬升座在嵌進(jìn)樁腿圍井結(jié)構(gòu)過程中會(huì)有干涉，特在樁腿圍井分段結(jié)構(gòu)中設(shè)置了主甲板和圍井圍壁板的散裝組件（圖2中的陰影區(qū)域即為主甲板散 裝組件），待抬升座吊裝到位后再安裝這些合攏散裝件，從而避免抬升座吊裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)大面積結(jié)構(gòu)挖補(bǔ)。

2.3 狹小空間處結(jié)構(gòu)封堵設(shè)計(jì)

平臺(tái)上諸如錨機(jī)、灰罐基座反底加強(qiáng)、懸臂梁基座等多處采用結(jié)構(gòu)封堵設(shè)計(jì)，有效解決了狹小空間內(nèi)部無法施工的問題。

艏部錨機(jī)基座反底加強(qiáng)筋板與主甲板縱骨及橫梁形成了尖角。錨機(jī)基座反底加強(qiáng)都是T型材，面板分中裝焊，個(gè)別位置出現(xiàn)狹小空間而無法施工，只要把狹小空間封死，內(nèi)部就無需焊接、打磨和涂裝。如圖3，三個(gè)T型材圍成的內(nèi)部狹小區(qū)域無法打磨與油漆，則在T型材面板所在平面上增加一塊三角形封板將此狹小空間封堵即可。若三角形封板尺寸太小而不滿足規(guī)范要求，就把反底加強(qiáng)的 T型材面板與三角形封板合二為一設(shè)計(jì)成一整塊三角板（圖3中斜線陰影區(qū)域），這樣可在確保反底加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不弱化的同時(shí)也把狹小空間封堵起來，兩全其美。

懸臂梁基座結(jié)構(gòu)中存在諸多狹小空間無法施工的問題。以懸臂梁支撐基座為例，在懸臂梁向外伸出時(shí)，支撐基座要承受懸臂梁和鉆臺(tái)巨大的向下壓力，故支撐基座加強(qiáng)筋板設(shè)計(jì)的開檔尺寸較小，其與主船體尾封板、縱艙壁形成了狹小空間。為此，我們把加強(qiáng)筋板的端部放大到足以封閉狹小空間，改進(jìn)后的加強(qiáng)筋板在狹小空間處采用背面貼鋼襯墊、單面焊的方法完成焊接，狹小空間內(nèi)部無需打磨、油漆。

2.4 克令吊天圓地方基座筒體板縫優(yōu)化設(shè)計(jì)

平臺(tái)右舷艏部克令吊基座是上口圓下口方的天圓地方筒體結(jié)構(gòu)，基座筒體采用高強(qiáng)度超厚板（板厚51mm，材質(zhì)EH36）加工焊接而成。對(duì)于這種重要的受力結(jié)構(gòu)，筒體曲面板如何加工？筒體板縫怎么合理布置？我們先后分析研究了多種方案。

如圖4方案一，4條板縫（CXN表示焊縫）把筒體分成4個(gè)片體。下口矩形尖點(diǎn)處是曲面加工收縮集中點(diǎn)，必須開角隅孔才能把片體曲面加工到位。優(yōu)點(diǎn)是沒有多條焊縫相交的尖角點(diǎn)。缺點(diǎn)是曲面加工難度大，角隅孔必須采用復(fù)板封堵，復(fù)板不易加工，且角隅孔封堵后要對(duì)復(fù)板焊縫進(jìn)行最嚴(yán)格的無損探傷。

如圖4方案二，8條板縫把筒體分成4個(gè)平面片體和4個(gè)曲面片體。下口矩形尖點(diǎn)處多條焊縫匯集，同樣要開角隅孔避免多條焊縫相交于一點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是曲面板加工容易。缺點(diǎn)是角隅孔必須采用復(fù)板封堵，復(fù)板不易加工，且角隅孔封堵后要對(duì)復(fù)板焊縫進(jìn)行最嚴(yán)格的無損探傷。

從以上兩種筒體板縫設(shè)計(jì)方案看，板縫越少，單件片體越大，片體加工成型難度越大；板縫越多，單件片體越小，曲面加工越容易；但均需開設(shè)角隅孔并用復(fù)板封堵，復(fù)板焊縫要做最嚴(yán)格的無損探傷。

經(jīng)過分析研究和現(xiàn)場(chǎng)試制，我們采用了圖4中的方案三。4條板縫把筒體分成4個(gè)片體。下口矩形尖點(diǎn)處無須開角隅孔，曲面加工容易，焊縫布置合理，相對(duì)方案二也大大減小了筒體焊接工作量。

2.5 擴(kuò)大主發(fā)基座下的內(nèi)底板加厚板

平臺(tái)上共有6臺(tái)主發(fā)電機(jī)，按2列3排橫向布置在主發(fā)電機(jī)艙內(nèi)，每臺(tái)主發(fā)電機(jī)自帶基座上各有8個(gè)支點(diǎn)落在內(nèi)底板上，詳細(xì)設(shè)計(jì)在內(nèi)底板上為每個(gè)支點(diǎn)設(shè)置一塊方形加厚板加強(qiáng)（左舷圖示，右舷對(duì)稱）。由于方形加厚板（共計(jì)48塊）密集分布在主發(fā)電機(jī)艙的內(nèi)底板上，厚薄板對(duì)接焊縫較多，且全部需要手工施焊，焊接質(zhì)量不好控制，內(nèi)底板容易產(chǎn)生焊接變形，影響內(nèi)底板拼板質(zhì)量。為此，我們利用內(nèi)底板拼板的自然拼縫把每臺(tái)主發(fā)基座下的內(nèi)底板設(shè)計(jì)成一整塊加厚板（6臺(tái)主發(fā)電機(jī)下共設(shè)計(jì)了6塊加厚板），每塊加厚板把每個(gè)主發(fā)基座下的8塊方形加厚板都包絡(luò)進(jìn)去，所有厚薄板對(duì)接焊縫均可采用埋弧自動(dòng)焊，焊縫布置合理美觀，改善了內(nèi)底板拼板條件，減少了內(nèi)底板焊接變形，有效控制了內(nèi)底板平整度，為主發(fā)電機(jī)的后續(xù)安裝調(diào)平創(chuàng)造良好條件。

2.6 樁靴頂板和底板板片單元制作方案優(yōu)化

樁靴頂板和底板所在曲面為小曲率圓臺(tái)面，其板片采用液壓機(jī)冷軋加工成型。常規(guī)做法是每個(gè)板件單獨(dú)加工曲面后再上胎架拼焊，采用CO2氣體保護(hù)焊。由于單板曲率很小，曲面加工和曲度檢測(cè)較難把控，如采用多板先拼焊后加工的方案是否可以提高曲面加工精度和拼板效率呢？基于船廠曲面加工能力，現(xiàn)場(chǎng)先后試用了兩板先拼焊后加工、三板先拼焊后加工的方案。結(jié)果證明：三板先拼焊后加工的方案能夠用足船廠現(xiàn)有設(shè)備的曲面加工能力，可以大大提高拼板效率；每個(gè)板片單元中的兩道拼板對(duì)接縫焊接可用埋弧自動(dòng)焊代替CO2氣體保護(hù)焊，焊縫成型美觀，焊接質(zhì)量很好；三板拼焊加工而成的板片單元的曲面成型和曲度檢測(cè)也更容易把控。

3 結(jié)論

平臺(tái)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)要緊密貼合生產(chǎn)實(shí)際、著力優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，除了吃透技術(shù)設(shè)計(jì)圖紙外，還要與現(xiàn)場(chǎng)建造工藝緊密結(jié)合，注重研究分段內(nèi)部及相鄰分段之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，提前考慮在分段建造過程中可能出現(xiàn)的各種工藝技術(shù)問題并將問題解決方案融入到分段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，這樣才能為平臺(tái)生產(chǎn)建造提供良好的技術(shù)條件，從而減少分段結(jié)構(gòu)制造返工率、提高分段結(jié)構(gòu)建造效率、降低平臺(tái)建造成本。本文所述的平臺(tái)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)可為其它海洋平臺(tái)和船舶項(xiàng)目的設(shè)計(jì)建造提供有益借鑒。