JU2000E超大樁靴制作工藝

王守桂， 韓 炯， 陳思龍， 張 衛(wèi)

(1.招商局重工(江蘇)有限公司， 江蘇 南通 226116； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

本文中的JU2000E鉆井平臺為三角形船體，帶有3個三角形桁架式樁腿，每個樁腿的下端裝配樁靴。主體結(jié)構(gòu)是單甲板、雙層底，主甲板艏部設(shè)有6層的生活樓，直升飛機平臺位于生活樓的前部，鉆臺位于懸臂梁尾部，懸臂梁可實現(xiàn)前后移動，鉆井甲板左右移動。本鉆井平臺用于海上石油和天然氣勘探、開采工程作業(yè)，適合于122 m水深以內(nèi)各種海域環(huán)境條件下的鉆井作業(yè)。樁靴是自升式鉆井平臺的一個重要結(jié)構(gòu)，當平臺提升時，樁靴承受整個平臺的重量，因此樁靴就是自升式鉆井平臺的基石，直接影響到整個平臺的使用壽命，對平臺的穩(wěn)定起決定性作用，在建造過程中必須嚴控其建造質(zhì)量。

1 超大樁靴概況

超大樁靴結(jié)構(gòu)具有體積大、重量高的特點，其外形中間厚、邊緣薄(見圖1)，平面投影呈現(xiàn)為圓形，并且上表面與下表面均帶有一定的坡度，拔樁時便于樁靴與泥土分離。根據(jù)力的平衡原理，接觸面積與樁靴底部所承受的均布支反壓力成反比，與海底接觸面積越大，樁靴底部所承受的均布支反壓力越小，在很大程度上減小樁腿插入海底的深度，方便樁靴的插樁與拔樁操作[1]。

文中超大樁靴最大外延直徑為18 m，高為5.95 m。本樁靴內(nèi)有3道圓環(huán)內(nèi)圍壁，如圖1所示。樁靴內(nèi)部結(jié)構(gòu)密集，內(nèi)部結(jié)構(gòu)從中心向外360°成扇形布置[2]。

圖1 樁靴外形示例(側(cè)視)

2 超大樁靴制作技術(shù)要求和工藝要點

2.1 建造方案

由于樁靴內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間小，為利于內(nèi)部裝焊和打沙，充分考慮船廠現(xiàn)有的場地資源及設(shè)備資源，合理策劃，制定樁靴建造方案。從最初的單元劃分、建造，到最后的下臺打沙、油漆及片體合龍都須精心準備，策劃出最優(yōu)的方案，保證建造有序、可控進行。

考慮到單個樁靴噸位太大(約350 t)且樁靴內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜給涂裝施工帶來很大困難，整個樁靴分段先劃分為4個單元單獨制作，分別為A、B、C、G 4個單元(中心處為C單元、外圍每120°一個單元，即A單元、B單元和G單元)。A單元建造方案[3]如圖2所示。建造方案(以底板為基準正造)：將底板平鋪在胎架上進行拼板→內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝位置劃線→從內(nèi)向外依次安裝T型材、#2內(nèi)圍壁、T型材、#3內(nèi)圍壁、外圍壁→安裝垂直壁板→安裝頂板上T型材→安裝頂板→焊接、焊后檢驗→安裝其他散裝零件→單元建造完成。B單元和G單元的建造方案與A單元的建造方案相似。4個單元制作完成后分別打砂除銹進行油漆涂裝，再整體合龍成樁靴分段，如圖3所示。

圖2 A單元建造方案 圖3 樁靴分段合龍

2.2 專用胎架制作

樁靴分段預(yù)裝場地需要專門場地，并要有一定的防風(fēng)保溫措施。劃地樣線時，為方便檢測，除應(yīng)當劃出各種位置線、對位線以外，還應(yīng)當在圍壁一端劃出各檢測點的投影線[3]。

胎架制作要考慮底板焊接收縮的變形和裝配、焊接工作具有足夠的施工空間。采用專用支架式胎架，其工作面的最低點距地面600～800 mm，便于施工人員在胎架下方施工。預(yù)裝前須支胎并交驗，如圖4所示。圖4為單側(cè)胎架示例，單元的胎架按圖4以樁靴的中心線120°扇形布置。每個樁靴分段的A、B、G單元可重復(fù)利用胎架。

胎架中K、L位置角鋼不能調(diào)動，其余位置現(xiàn)場可根據(jù)實際情況調(diào)整支柱間距。將模板A、B分別固定于K、L處角鋼頂端。每個內(nèi)圍艙壁下方布置的模板參照內(nèi)圍壁曲面加工，模板與內(nèi)圍壁板厚對中，并用點焊方式固定，有利于控制樁靴底板焊接后變形。模板須按照胎架布置圖的要求進行數(shù)控加工和劃線。在每一部分構(gòu)件預(yù)裝完后，進行下一步構(gòu)件預(yù)裝前，須對預(yù)裝胎架精度進行復(fù)查。胎架搭設(shè)完工后，需施工員、品質(zhì)、技術(shù)三方檢驗才可使用。

圖4 胎架示例

2.3 曲面板設(shè)計

樁靴底板及頂板均為曲面，合理布置曲面板縫可使外形美觀，降低曲面加工難度，提高生產(chǎn)效率。底板曲面板都是簡單的雙向曲度，便于規(guī)范板縫。除特殊部位外，板縫按同心角10°布置，使板縫布置后生成的曲面板規(guī)格相同，即相同的外弧長、相同的內(nèi)弧長、相同的曲面加工數(shù)據(jù)。曲面加工時，可以使用同一加工數(shù)據(jù)、同一加工樣板對分段內(nèi)大部分曲面板進行曲加工，提高曲面加工的建造精度，減少大量重復(fù)性工作，達到優(yōu)化生產(chǎn)的目的，并形成針對曲面板成固定批量化生產(chǎn)模式，提高工效。單元內(nèi)板縫不布置曲面板加工余量，曲面板采用無余量下料的方式，減少拼板時余量切割工序，縮短周期，降低建造成本，提高現(xiàn)有資源利用率，減少浪費，對于企業(yè)利潤的提升有推動作用。

2.4 曲面板焊接變形控制

施焊前，制定的《焊接工藝規(guī)程》得到相關(guān)船級社(驗船師)認可。

控制坡口加工參數(shù)，在保證焊接質(zhì)量的前提下減小坡口角度。接縫的間隙、 坡口尺寸必須符合工藝規(guī)定要求，對影響焊接質(zhì)量的焊縫間隙及坡口角度超出規(guī)范范圍，應(yīng)在焊前進行修正。

所有待焊焊縫中，先焊縱縫，待所有縱縫焊完后再焊環(huán)縫。下方布置馬板，形成鋼性固定，馬板之間的間隔宜控制在300～500 mm；拼板過程中有變形要火工矯正，然后再焊接下一條焊縫。如圖5所示，拼板焊接順序：橫縫是錯開的，應(yīng)先拼橫縫后拼縱縫；橫縫是在一條直線上的，應(yīng)先焊縱縫后焊橫縫。焊縫焊接順序應(yīng)是1→2→3→…→8→9。

圖5 拼板焊接順序

對于底板對接縫坡口，因底板、頂板斜率不大，板與板之間的曲度在一定的寬度范圍內(nèi)可近似為平直，可將大部分手工焊轉(zhuǎn)化為自動焊，焊接方式采用平焊，減少仰焊。焊接方法采用背面使用陶瓷襯墊，用CO2氣體保護焊單面焊打底，埋弧自動焊蓋面。

CO2半自動單面焊打底層焊接時，焊接電流應(yīng)按焊接參數(shù)嚴格控制，防止產(chǎn)生裂紋。

在打底層焊接中，由于各種原因須作停頓時，重新引弧應(yīng)采用熱接法接頭，即前一次熄弧后，待熔池尚未冷卻，隨即引弧開始正常焊接。如熔池已完全冷卻，重新引弧前，必須用碳刨或砂輪對弧坑進行修整，使弧坑形成圓滑過渡狀，然后再引弧進行正常焊接。

在拼縫坡口已安裝好襯墊后，應(yīng)立即開始焊接并連續(xù)一次完成，第2層的焊接隨即也應(yīng)馬上進行，以防止打底層的焊縫難以承受焊接應(yīng)力而形成裂縫。

在有斜度的樁靴底板、頂板，焊接位置傾斜時，必須采用上坡焊。

CO2半自動單面焊打底層焊提高焊接質(zhì)量、效率，且減小焊接收縮變形量，避免累計誤差的產(chǎn)生。自動焊接代替手工焊接節(jié)約了70%的勞動力，縮短了50%的制作周期，消除累計誤差，焊接缺陷返工率下降80%，焊縫質(zhì)量一次報檢通過率為100%。

采用合理的焊接順序和焊接方向?qū)ΨQ施焊，不對稱焊縫先焊焊縫少的一側(cè)；對于不大于0.5 m長的焊縫采用直通焊，0.5～1.0 m長的焊縫采用分中焊，即從焊縫中間同時向兩端焊接；對于大于1 m長的焊縫采用分段退焊或分段分中退焊。采用分段退焊時，由于接頭較多，要特別注意接頭質(zhì)量。

焊接后，按照結(jié)構(gòu)特點、材質(zhì)、規(guī)格等性質(zhì)，制定焊縫的緩冷、熱處理工藝。

3 結(jié) 論

長遠來看，自升式鉆井平臺仍是全球的標志性項目，是鉆井平臺中的重點船型。為提高生產(chǎn)效率，始終處于有利的競爭地位，針對超大樁靴的共同性，開展通用性、標準性建造方法，以實現(xiàn)批量化、高效率的生產(chǎn)模式。

通過超大樁靴制作工藝的研究，有效縮短分段建造周期，明顯提高分段建造精度，顯著改善焊接質(zhì)量，減少結(jié)構(gòu)變形的發(fā)生，為后續(xù)相同樁靴制作提供有利的技術(shù)支持與保障。

[1] 郭培軍,陳艷,蔣玉榮,等. 樁靴入泥深度預(yù)估[J]. 中國海洋平臺，2012，27(6)：11-17.

[2] 龐雪濤,馮國慶,任慧龍. 自升式平臺樁靴承載力研究[J]. 中國海洋平臺，2014，29(2)：21-25.

[3] 王鐵瑤, 孫士龍, 李令竹,等. 自升式鉆井船樁靴建造工藝研究[J]. 中國海洋平臺, 2012(S1): 122-126.

[4] 傘立忠. 自升式鉆井平臺樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)計[D]. 大連: 大連理工大學(xué)，2012.

[5] 唐文獻, 秦文龍, 張建, 等. 自升式平臺樁靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 中國造船， 2013(3):78-84.