“振海五號”樁靴建造工藝分析

佟銘博+李明

摘 要：作者就職于上海振華重工海工院，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計近10年，親自參與了“振海五號” 400ft自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計和工藝設(shè)計。本文以該平臺樁靴分段為研究對象，對其建造工藝加以分析并適當(dāng)延伸，淺談工藝設(shè)計的優(yōu)化對建造的影響。通過具體的實例、不同方案的比較，加以總結(jié)升華，旨在對后續(xù)相似分段的設(shè)繪和建造起到參考作用。

關(guān)鍵詞：振海五號；自升式鉆井平臺；樁靴；建造工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.103

1 背景

近年來，隨著海洋開發(fā)步伐的加快，海洋工程裝備業(yè)因其廣闊的發(fā)展前景被各大公司競相追逐。海工領(lǐng)域最難建造的當(dāng)屬鉆井平臺?！罢窈Ｎ逄枴笔钦袢A重工自主設(shè)計、建造的第二座自升式鉆井平臺，適用于全世界范圍內(nèi)121.9米（400英尺）水深以內(nèi)各種海域環(huán)境下的鉆井作業(yè)，入ABS船級社。平臺主結(jié)構(gòu)形狀為三角形，總長70.358米，型寬76米，型深9.45米，鉆井深度10668米（35000英尺），帶有3個三角形桁架樁腿，每個樁腿由下端的樁靴支撐。樁靴外形近似兩個對扣的圓錐體（飛碟型），直徑為17.985米，高度為5.945米，單個結(jié)構(gòu)凈重量為360噸，3個樁靴承載整座平臺的重量。為適應(yīng)惡劣海況作業(yè)，樁靴的建造方案、焊接工藝和精度控制都有著極高的要求。如果說“振海一號”的成功交付開啟了振華重工高端海工新紀(jì)元，那么接連的“振海二號”、“振海三號”、“振海五號”、“振海六號”的開工就是振華重工這個港機巨人轉(zhuǎn)型之路最堅實的腳步。本文以“振海五號”樁靴分段為研究對象，對其建造工藝加以分析并適當(dāng)延伸，淺談工藝設(shè)計的優(yōu)化對建造的影響。

2 施工組織設(shè)計

施工組織設(shè)計制定的優(yōu)劣是影響項目建造的質(zhì)量、進度和成本的重要因素，我們要根據(jù)分段的結(jié)構(gòu)特點并結(jié)合現(xiàn)場情況最終確定，經(jīng)團隊商議后主要考慮以下幾個方面：

（1）生產(chǎn)基地是否達到要求？例如場地面積，承載能力大小？場地如何布局？起吊及運載能力如何？

答：“振海五號”由振華重工南通基地建造，有了“振海一號”、“振海二號”的建造經(jīng)驗，加上一流的硬件設(shè)施，在場地面積、承載能力、起吊和運載能力方面完全能達到要求。

（2）材料的實際到貨情況是否滿足施工過程中各個階段的材料需求？

答：樁靴是項目開工的第一個分段，材料到貨情況理想，不影響開工。

（3）對于樁靴這樣特殊的結(jié)構(gòu)，施工安全如何得到最大保證？

答：樁靴為單分段密封結(jié)構(gòu)，適當(dāng)位置要開工藝孔，增加大型風(fēng)機進行通風(fēng)，密閉空間內(nèi)光線不足，需要增加照明系統(tǒng)，保證施工安全。勞保用具必須佩戴到位，并考慮高溫降暑措施等。

（4）如何使大型吊車的使用率降到最低？

答：優(yōu)化裝配方案，降低大型吊車的使用次數(shù)，部分可用汽車吊代替。另外，在吊裝方案中精確計算各個吊點的受力情況選配鋼絲繩和卸扣。

（5）如何建造使得焊接的質(zhì)量易于控制，在滿足技術(shù)要求的同時誤差降到最低？

答：優(yōu)化裝配方案是高質(zhì)量焊接的基礎(chǔ)，同時在建造過程中應(yīng)嚴(yán)格遵照WPS施工，提高裝配精度。工藝角度要提前設(shè)計好焊接順序，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)對稱施焊，立焊和重要部位采用退焊或跳焊的方法，可以最大程度減小變形。

（6）如何建造使得樁靴精度易于控制？

答：樁靴連接著樁腿，建造精度直接決定了能否與樁腿的完美對接，決定著整個平臺建造的成敗。雖然樁靴的建造精度要求較高，但還是有辦法來控制的。首先，也是最重要的就是優(yōu)化裝配方案；接著，鑒于樁靴“三等分”的結(jié)構(gòu)特點，三個區(qū)域要對稱同時裝焊，這樣對整體精度影響最??；然后，將整個建造階段劃分為若干個時間節(jié)點，每完成一步就對其進行數(shù)據(jù)測量，三個區(qū)域相互比較提前發(fā)現(xiàn)提前修正，需要注意的是前期的精度要求不能卡在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，要為后期的焊接和吊運帶來的變形留有余量，所以越早期的數(shù)據(jù)要求的越要高；最后，需要與樁腿連接的部件均留有余量，樁靴完工后不得切除，與樁腿對接時才能有調(diào)整的余地。

3 設(shè)計和施工階段的關(guān)鍵點

前文多次提到了優(yōu)化裝配方案，好的方案的確如此重要。它可以將施工周期整體提前，減少施工難度和安全方面的隱患，降低焊接難度，有效提高焊接質(zhì)量。簡言之，好的裝配方案讓生產(chǎn)更高效。下面我們分析一下“振海五號”的樁靴是如何建造的。

對于樁靴這樣雙椎體曲面分段，一定是選擇正造。樁靴大體結(jié)構(gòu)有底板、頂板、中心筒體組件、內(nèi)環(huán)圍板、中環(huán)圍板、外環(huán)圍板、連接樁腿的3片大立板、內(nèi)部肋板及加強筋等。首先預(yù)制胎架，底板上胎作為基面，接著由內(nèi)向外，由下到上進行裝焊，最后散裝頂板和樁腿撐桿的相關(guān)組件。

3.1 胎架的預(yù)制

有線形的分段必然要為其量身定制胎架，不同于復(fù)雜的船體雙曲外板，樁靴結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的椎體，整個胎架完全根據(jù)樁靴底板外形制作，胎架中心切面近似一個等腰梯形?？紤]控制焊接變形，節(jié)省材料和樁靴底部便于施工人員施工作業(yè)，故將胎架最低高度設(shè)為1米。整個胎架由槽鋼和扁鋼制作，槽鋼和扁鋼用標(biāo)準(zhǔn)工裝件無明確規(guī)格要求，依現(xiàn)有材料庫存料來定。胎架結(jié)構(gòu)相互連接固定，整體與地筋相連，剛性很強。同時盡量避免胎架支撐與樁靴底板焊縫過近，整個胎架增加水平調(diào)節(jié)筋板。最后整體對胎架水平找平、測量并做記錄數(shù)據(jù)。

3.2 中心筒體組件的預(yù)制

中心筒體組件內(nèi)空間狹小，特殊焊縫數(shù)量多，由其底板、頂板、筒壁、三塊垂向壁板、三角水平隔板及相關(guān)加強筋組成。與整個分段正造不同的是中心筒體組件采用反造，即中心筒體頂板為本階段基面。之所以反造是因為中心筒體結(jié)構(gòu)的特殊性造成的。

三角水平隔板與中心筒體頂板之間的空間很小，應(yīng)在組件早期空間相對寬敞的時候焊接，同時為了便于三塊垂向壁板的插入，最好的順序是先焊好一塊垂向壁板后，以此壁板為裝配基礎(chǔ)安裝三角水平隔板，最后裝焊另外兩塊垂向壁板。關(guān)鍵步驟解決后，接著裝焊筒壁，底板扣蓋即可。此方案由于是反造，所以分段階段需要翻至正態(tài)增加了一次吊裝翻身，但是優(yōu)點是合理地將狹小空間施焊階段提前，使部分結(jié)構(gòu)不再難焊，另外大幅度地減少了仰焊的工作量，使中心筒體的裝焊質(zhì)量得以保證。

3.3 曲面底板和頂板的預(yù)制

底板和頂板為標(biāo)準(zhǔn)圓錐面，曲面加工時分別以底板和頂板的線形數(shù)據(jù)各制作一個樣箱就可滿足加工要求。結(jié)合鋼板訂貨情況，同時我們將圓錐面展開計算并套料實驗，最終確定每10°設(shè)置一條非自然板縫，這樣放樣出來的鋼板切割利用率高而且板縫布置合理、美觀。為了高效裝配，同時考慮火工彎曲時焊縫的穩(wěn)定性和加工難易度，最終團隊商議決定每兩塊板為一個單位拼板后再加工成型。

關(guān)于圓錐面加工最高效的方法是用三芯滾，可以通過輸入椎體數(shù)據(jù)來控制三芯滾主軸角度進而精確加工成型，然后制作樣箱用來校驗成型尺寸。坡口錯變量控制在1mm以內(nèi)，徑向錯變量控制在2mm以內(nèi)。

3.4 筒體的設(shè)計和加工

樁靴分段從內(nèi)到外共4層筒體，依次是中心筒體、內(nèi)環(huán)圍板、中環(huán)圍板和外環(huán)圍板。之所以有筒體和圍板兩種稱呼主要是設(shè)計用來區(qū)別不同的結(jié)構(gòu)形式，完整的就稱之筒體，單片的就稱之圍板，但其本質(zhì)上是一樣的，都是標(biāo)準(zhǔn)圓筒。

筒體或圍板在設(shè)計和加工時有著特殊的要求：

（1）筒體的厚度從16.0直到51.0，要依照自然板縫的寬度來訂貨才能達到板材利用率最大化，所以需要非常規(guī)的定制，但這額外的花費在高利用率的面前就顯得微乎其微了。

（2）施工場地的三芯滾圓機對加工寬度有限制，不能超過3米，設(shè)計非自然板縫時還要避開筒體上未來的開孔。

（3）為了保證筒體順利滾壓成型，所有零件都是先單獨滾圓成型后，再進行其他操作。其他操作是指片體之間的焊接和片體上的開孔。其中開孔主要包括人孔、流水孔、氣孔、過焊孔。筒體圓度與樣板間隙需≤2mm。

（4）關(guān)于筒體的人孔，都是現(xiàn)場工人依照經(jīng)驗來割，但在設(shè)計階段和工藝角度還是有些輔助的辦法來提高精確度的。如設(shè)計時用曲面建模開虛擬孔使零件能噴到劃線，如擔(dān)心軟件放樣不夠精確也可以通過簡單的計算將滾壓前的軌跡提前畫到零件上或制作硬紙板貼到筒體內(nèi)壁，另外也可以根據(jù)情況制作類似馬鞍的木頭樣箱塊輔助切割等。

3.5 精度要求

連接樁腿結(jié)構(gòu)的三片大立板，其精控要求最高，內(nèi)環(huán)圍板和中環(huán)圍板要去除定位焊接碼板，使其端部自由收縮。完工后，整體水平度≤3mm，大立板與地樣線偏差±2mm，大立板垂直度偏差≤3mm。

4 小結(jié)

“振海五號”的3個樁靴現(xiàn)在已經(jīng)報驗結(jié)束，建造過程中很順利也存在需要改進的空間。作者作為結(jié)構(gòu)設(shè)計主管，把設(shè)計經(jīng)驗和建造過程中收到基地的反饋加以總結(jié)，對樁靴建造過程中幾個關(guān)鍵點進行了適當(dāng)闡釋和展開，著重討論了工藝設(shè)計對建造的影響。通過前面的分析，我們不難看出：工藝設(shè)計在整個項目中起到了關(guān)鍵的作用。如果狹義地把項目流程分成圖紙設(shè)繪、工藝準(zhǔn)備、生產(chǎn)建造，那么工藝起著中間樞紐的作用，消化圖紙的同時為建造提供便捷的處置措施。但廣義來看，工藝設(shè)計是無處不在的，它是優(yōu)質(zhì)設(shè)計的基礎(chǔ)-貫穿于圖紙設(shè)繪的始終，更是高效生產(chǎn)的保障-體現(xiàn)在生產(chǎn)建造的每一處細(xì)節(jié)。

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