自升式移動平臺圓柱型樁腿建造檢驗要點

張 蔚

(江蘇分社 鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

自升式移動平臺是國內(nèi)外最為廣泛應(yīng)用的鉆井平臺，主要由來臺、樁腿和升降機構(gòu)三部分組成。自升式移動平臺海上作業(yè)時，將樁腿插入或坐入海底，平臺則繼續(xù)沿著樁腿上升，離開海面直至作業(yè)所需高度，工作時不受海浪的影響[1-2]。拖航時，平臺可再從樁腿降下，浮在海面上，同時將樁腿從海底拔出，收回至船體內(nèi)，即可無障礙地拖航到新的作業(yè)區(qū)域上[3]。

樁腿是自升式移動平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它不僅承擔(dān)著平臺所有的載荷，而且其自身尺寸及安裝精度直接決定平臺能否順利升降。因此，樁腿制造檢驗的過程顯得尤為重要[4-5]。

本文以某多功能海上自升平臺建造檢驗過程為例，闡述該平臺樁腿制造檢驗控制要點[6]。

1 研究內(nèi)容及方法

1.1 平臺樁腿設(shè)計參數(shù)和精度要求

該平臺采用單步進插銷式液壓升降系統(tǒng)，平臺最大作業(yè)水深40 m。艏部設(shè)有1臺最大起重能力1 200 kN、最大吊高110 m(距主甲板)的全回轉(zhuǎn)起重機用于起吊作業(yè)。該平臺入級符號如下：

★ CSA Self-elevating Offshore Wind Turbine Service Unit/Crane Unit/Installation Maintenance Repair Unit; DP-1; Thruster; IWS; Lifting Appliance; PSPC(B)

(1)樁腿主要設(shè)計參數(shù)

樁腿數(shù)

4

升降系統(tǒng)型式

液壓插銷式

長度(包括樁靴)

73.00 m

外徑

3.80 m

材料

EH690

結(jié)構(gòu)型式

圓筒形(鋼板卷制焊接)

筒壁厚度

68 mm

作業(yè)溫度

-10 ℃～+45 ℃

(2)樁腿制造精度要求

整樁長度公差

≤50 mm

外徑公差

圓度

≤3 mm

直線度

5 mm/10 m；60 mm/整樁

樁腿結(jié)構(gòu)示意見圖1。

(3)主要檢驗依據(jù)及參考標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計圖紙、技術(shù)規(guī)格書；

《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)；

《材料與焊接規(guī)范》(2018)；

CB/T 4000—2005中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、美國材料與試驗協(xié)會ASTM及其他相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 樁腿制造流程

本項目樁腿制造大體流程見圖2。

圖2 樁腿制造簡要流程圖

2 建造和檢驗要點

根據(jù)樁腿材料特性和設(shè)計要求，整個制造檢驗過程中的關(guān)鍵點是焊接和精度控制，因而有必要對各個制造環(huán)節(jié)的檢驗控制要點進行研究。

2.1 焊接工藝的選定

本次檢驗的樁腿原材料厚度大，需要多道焊成型，焊接工作量大，焊接過程控制要求極高。為考察E690材料的焊接性能，首先應(yīng)核算其碳當(dāng)量。依據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2018)中的碳當(dāng)量計算公式，最終得出本次選用的E690鋼板碳當(dāng)量約為0.56%，遠(yuǎn)高于一般高強度鋼碳當(dāng)量(0.42%)。由此可見，其焊接性能遠(yuǎn)不如一般高強度鋼。為保證焊接接頭的性能，避免產(chǎn)生冷裂紋，焊接之前應(yīng)采取預(yù)熱措施，焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度，焊后進行消除應(yīng)力熱處理，并保溫緩冷。

關(guān)于焊接材料的選用，《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)有明確要求，E690材料僅有“4Y69”、“5Y69”兩種等級的焊材可供選擇?，F(xiàn)選取三種認(rèn)可后的焊接工藝進行對比分析，見表1。

表1 三種認(rèn)可后的焊接工藝對比分析

樁腿船臺合攏焊接位置為橫焊，有兩種工藝可供選擇。船廠最希望采用藥芯焊絲氣體保護焊，原因主要是效率高、成型效果好。據(jù)測算，在船臺施工條件下，若采用手工電弧焊，一道樁腿合攏縫總的焊接時間為5～6 d(不包括焊前預(yù)熱及焊后保溫時間)；采用藥芯焊絲氣體保護焊時，總的焊接時間可縮短為2～3 d。但是，藥芯焊絲氣體保護焊對環(huán)境要求極高。本項目施工現(xiàn)場實際環(huán)境條件很難長時間滿足要求，同時保護氣體的純度是否穩(wěn)定也會影響焊接質(zhì)量。最終，經(jīng)過綜合考量，樁腿船臺合攏采用傳統(tǒng)的手工電弧焊。

2.2 樁腿筒體分段制造

2.2.1鋼板下料和卷制

不同于普通結(jié)構(gòu)用鋼，E690鋼材一般延伸率較低，屈強比較大，其機械加工性能遠(yuǎn)低于普通結(jié)構(gòu)用鋼，若加工過程操作不當(dāng)，極易產(chǎn)生裂紋。

由于樁腿筒體由鋼板卷制成型，因此鋼板加工工藝中應(yīng)考慮到延伸率的限制，必要時應(yīng)進行冷彎工藝評估。加工時應(yīng)按工藝要求設(shè)定卷板機的加工參數(shù)，加工輥輪表面應(yīng)時刻保持清潔。筒體卷制、焊接、輥圓完成后，應(yīng)仔細(xì)檢查，確認(rèn)無表面缺陷。

2.2.2焊前準(zhǔn)備工作

為控制焊接變形，工廠應(yīng)根據(jù)前期工藝試驗的數(shù)據(jù)預(yù)留變形收縮量。筒體完成后應(yīng)在端部做好對接標(biāo)記點，對接裝配時應(yīng)注意按設(shè)計要求將縱縫接頭錯開規(guī)定距離。

焊接工作開展前，應(yīng)檢查車間環(huán)境狀況。車間應(yīng)盡量封閉，焊接工位應(yīng)避開風(fēng)口，確保無雨水滴淋。環(huán)境濕度大時，應(yīng)采取除濕措施或者停止焊接。

2.2.3筒體分段焊接

根據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2018)的要求，本項目焊工需通過母材級別為“W03”的考試。焊工需接受焊前培訓(xùn)，熟悉筒體焊接程序和WPS相關(guān)要求。

焊接過程應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行WPS要求。考慮到溫度突變對材料的影響，應(yīng)使用電加熱裝置進行焊前預(yù)熱，禁止使用火焰割刀進行加熱。由于埋弧焊速度相對較快，焊縫層間溫度經(jīng)常來不及降至WPS要求的范圍，因此，每道焊焊前應(yīng)測量記錄層間溫度。若層間溫度超標(biāo)，需要等焊縫自然冷卻至WPS要求的溫度范圍方可繼續(xù)施焊。焊接過程必須全程監(jiān)控并留有詳細(xì)記錄,所有焊縫需實名記錄。

焊后應(yīng)隨即進行熱處理，加熱至WPS要求的溫度范圍并按時間要求保溫。冷卻過程應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響，必要時采取緩冷措施。

2.2.4插銷孔加工

在插銷式升降系統(tǒng)中，插銷孔是樁腿結(jié)構(gòu)直接受力點，直接承受整個平臺的載荷。為準(zhǔn)確測量插銷孔的加工尺寸，應(yīng)使用定制的專用樣板。插銷孔邊緣打磨完成后，應(yīng)進行表面探傷，確保無裂紋。插銷孔內(nèi)部水密封板焊接完成后應(yīng)進行密性試驗。

2.2.5樁腿分段制造精度測量

根據(jù)設(shè)計要求，樁腿直徑允許0～-5 mm的偏差，筒體外部焊縫需做磨平處理。根據(jù)本項目插銷式升降裝置的設(shè)計特點，樁腿直徑最好控制在0～-2 mm范圍內(nèi)。為達(dá)到控制目標(biāo)，精度測量應(yīng)貫穿整個筒體分段制造過程。

單個樁腿筒體焊接、輥圓后應(yīng)測量各項參數(shù)。圓度測量需要制作專門的樣板。

筒體每個合攏環(huán)節(jié)完成后均應(yīng)進行精度測量。所選的測量環(huán)面應(yīng)包括所有容易產(chǎn)生變形部位，如環(huán)縫兩側(cè)、筒體自由端、內(nèi)部環(huán)狀結(jié)構(gòu)安裝位置等。為確保測量精度和效率，盡量選擇使用高精度全站儀進行測量。

2.3 筒體分段與樁靴內(nèi)部結(jié)構(gòu)焊接

第一節(jié)筒體(樁腿最底部區(qū)段)完工后，需要與樁靴進行裝配焊接。根據(jù)《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)的定義，與樁靴相連接部分的樁腿垂直結(jié)構(gòu)屬“特殊構(gòu)件”，即“關(guān)鍵載荷傳遞點”和“應(yīng)力集中處”，見圖3。同時，查閱樁靴結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果可見，樁腿與樁靴頂板、底板連接位置也是受力集中區(qū)域。樁靴頂板受力云圖見圖4。因此，這些位置的裝配精度、焊接質(zhì)量也應(yīng)特別關(guān)注。

圖3 樁靴關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

圖4 樁靴頂板受力云圖

2.4 樁腿分段船臺定位合攏

2.4.1樁腿分段吊裝定位

受起吊高度影響，升降系統(tǒng)裝配流程如下：樁靴隨平臺主體預(yù)定位后，進行樁腿分段吊裝預(yù)定位，然后進行固樁室(包括動定環(huán)梁)定位及精控測量(包括上下耐磨板中心對位)，最后進行樁腿及樁靴定位。樁腿分段定位環(huán)節(jié)應(yīng)進行各種參數(shù)的精度測量，如與耐磨板間隙、周向?qū)ξ痪?、直線度、合攏口上下插銷孔孔心距(包含預(yù)留的焊接收縮量)、筒體板對接位置錯邊量等。

2.4.2樁腿船臺合攏焊接

(1)現(xiàn)場防護措施：所有焊接位置應(yīng)有牢固的防風(fēng)、防雨雪圍擋。根據(jù)其他船廠同類項目的經(jīng)驗教訓(xùn)，應(yīng)特別注意防止雨水沿筒體外壁向下流至焊縫區(qū)域。

(2)焊材管理：焊條使用前應(yīng)嚴(yán)格按使用說明要求進行烘烤、保溫。

(3)焊接程序和過程控制：為控制變形量，樁腿合攏縫應(yīng)安排雙數(shù)焊工進行對稱焊接。焊接過程必須嚴(yán)格按WPS要求進行控制，焊前預(yù)熱、層間溫度控制、焊后熱處理等過程必須全程監(jiān)控記錄。

(4)其他注意事項：焊接工作應(yīng)連續(xù)進行不得中斷；焊接過程中打磨時不得使用氣動打磨機，必須使用電動打磨機；焊縫缺陷返修不得超過2次，超過2次需經(jīng)過特別認(rèn)可。

2.5 無損探傷

樁腿結(jié)構(gòu)無損探傷(NDT)需滿足《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)的相關(guān)要求。根據(jù)規(guī)范，本項目樁腿相關(guān)結(jié)構(gòu)焊縫探傷要求見表2。

表2 規(guī)范要求的樁腿結(jié)構(gòu)焊縫探傷比例

根據(jù)規(guī)范要求，所有探傷應(yīng)在焊縫熱處理結(jié)束72 h之后進行。本項目樁腿鋼板厚度為68 mm，常規(guī)射線探傷效果不佳，作為替代，選用相控陣超聲(PAUT)和衍射時差法(TOFD)聯(lián)合掃描方法對樁腿對接焊縫進行檢測。根據(jù)相關(guān)要求，檢驗前應(yīng)針對項目實際情況對以上檢測工藝進行認(rèn)可。樁腿結(jié)構(gòu)探傷比例見表3。

表3 樁腿結(jié)構(gòu)焊縫實際探傷比例

3 問題及建議

3.1 樁腿內(nèi)部檢驗通道問題

本次檢驗的平臺樁腿總長73 m，從最底端到頂部出口僅有一條通道(見圖5)，樁腿內(nèi)部實際上形成了一個單出口(800 mm×600 mm)的垂直狹長空間。這種設(shè)計給平臺后期營運過程中的維護保養(yǎng)工作造成了極大的不便，同時還埋下了安全隱患。經(jīng)查閱《MODU CODE》(2009)及其他相關(guān)資料，未明確要求樁腿內(nèi)部需設(shè)置兩條檢驗通道， UI MODU 1(Rev.1)明確了樁靴和升降基礎(chǔ)的開孔可以不必滿足PMA檢驗通道的要求。

圖5 樁腿內(nèi)部通道

針對該問題，作者建議：后續(xù)同類項目設(shè)計時，在結(jié)構(gòu)強度滿足要求的情況下，設(shè)計一條聯(lián)通樁腿與樁靴，然后從樁靴上部人孔蓋通向外部的檢驗通道。在平臺塢檢時，這種設(shè)計能確保樁腿同時有兩條通道可以進出(見圖6)，為人員在樁腿內(nèi)部施工增加安全保障。

3.2 樁腿插銷孔密性試驗問題

《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)對圓柱形樁腿插銷孔位置的密性試驗無明確要求。

根據(jù)本項目規(guī)格，平臺最大作業(yè)水深為40 m,在某些作業(yè)工況下，樁腿最大入泥深度為13 m。根據(jù)上述設(shè)計指標(biāo)，在制定插銷孔密性試驗參數(shù)時應(yīng)同時考慮水深和插銷孔入泥深度的影響。

圖6 兩條通道示意圖

作者建議：針對圓柱形樁腿插銷孔以及類似結(jié)構(gòu)的密性試驗要求，規(guī)范給出適當(dāng)?shù)恼f明，以便現(xiàn)場檢驗時有據(jù)可依。

4 結(jié)論

隨著海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海上移動平臺的設(shè)計趨于大型化、復(fù)雜化。平臺結(jié)構(gòu)的材料等級越來越高，制造精度要求也大幅提升。本文闡述了平臺樁腿制造檢驗控制要點，為保證檢驗質(zhì)量、降低風(fēng)險，對樁腿制造檢驗過程中的控制要點進行了概括。這些都給建造廠家的工藝技術(shù)、管理水準(zhǔn)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工程應(yīng)用價值。

(1)本項目施工現(xiàn)場實際環(huán)境條件很難長時間滿足要求，樁腿船臺合攏采用傳統(tǒng)的手工電弧焊。

(2)為達(dá)到控制目標(biāo)，精度測量應(yīng)貫穿樁腿制造的整個過程。

(3)無損檢測時，選用相控陣超聲和衍射時差法聯(lián)合掃描方法對樁腿對接焊縫進行檢測。