某海上自升式移動(dòng)平臺(tái)樁腿的修復(fù)

劉靖遠(yuǎn)

摘? ? 要：海上自升式移動(dòng)平臺(tái)長(zhǎng)期在高鹽高濕和惡劣海況下服役，平臺(tái)樁腿樁靴等部位長(zhǎng)期承受預(yù)壓載、拔樁、波浪、潮汐、風(fēng)等交變載荷，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱患。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某自升式鉆井平臺(tái)0BAY以下樁腿更換過(guò)程的分析，闡述了樁腿修復(fù)建模校核、施工中相對(duì)位置公差控制、關(guān)鍵數(shù)據(jù)測(cè)繪、過(guò)程中定位及焊接質(zhì)量控制等技術(shù)和質(zhì)控要點(diǎn)，為同類型項(xiàng)目提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：自升式移動(dòng)平臺(tái);樁腿;樁靴

中圖分類號(hào)：U663.31 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Repair of Offshore Jack-up Mobile Unit Legs

LIU Jingyuan

（ China Oilfield Services Limited，? Langfang 065201 ）

Abstract： Offshore jack-up mobile unit has been in service under high salt and humidity and harsh sea conditions for a long time， legs， shoes and other parts of the platform are prone to structural risks because they bear the alternating loads such as pre-ballast， leg extracting， wave， tide and wind for a long time. This paper analyzes the replacement process of legs below 0BAY of the jack-up drilling platform in first service in China， expounds the technical and quality control points， such as repair modeling check， relative position tolerance control in construction， key data mapping， positioning in the process and welding quality control， providing technical experience and practical reference for similar projects.

Key words： Jack-up mobile unit; Leg; Shoe

1? ? ?前言

隨著人類探索海洋的步伐加快，形式多樣的海工裝備服役于海洋油氣資源的勘探與開(kāi)發(fā)，其中以海上自升式移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用最為廣泛。本文的某自升式移動(dòng)平臺(tái)是由美國(guó)ETA/Robinloh公司設(shè)計(jì)、日本日立船廠建造的羅布雷-300型非自航自升式鉆井平臺(tái)。該平臺(tái)采用桁架式三樁腿結(jié)構(gòu)，樁腿全長(zhǎng)417.4 ft，船體以下有效長(zhǎng)度350 ft。

樁腿是平臺(tái)最重要的承載結(jié)構(gòu)，承載著自升式平臺(tái)的自重和作業(yè)載荷。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，樁腿損傷多發(fā)生在插拔樁作業(yè)過(guò)程中，尤以樁腿樁靴連接處最為突出。該平臺(tái)在塢內(nèi)檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)樁腿第一根水平撐管以下的0BAY區(qū)域和樁靴內(nèi)部與齒板連接的輻射狀強(qiáng)力結(jié)構(gòu)區(qū)域存在母材裂紋和焊接缺陷。經(jīng)專家分析，其成因是受建造當(dāng)時(shí)樁腿材質(zhì)本身和焊接工藝的局限，加之作業(yè)過(guò)程中樁腿反力使原有缺陷加劇，長(zhǎng)期的循環(huán)應(yīng)力也可能使缺陷范圍擴(kuò)展。該區(qū)域經(jīng)過(guò)多次局部修復(fù)，在焊接修復(fù)位置的強(qiáng)度下降，已成為影響平臺(tái)安全生產(chǎn)的最大隱患。經(jīng)過(guò)專家深入分析，最有效的應(yīng)對(duì)方案是對(duì)樁腿0BAY以下的齒板和相關(guān)區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行更換。但三條樁腿0BAY以下整體更換在國(guó)內(nèi)尚屬首次，尤其對(duì)施工過(guò)程中樁腿、樁靴相對(duì)位置的公差控制，更是決定本次施工成敗的關(guān)鍵因素。

2? ? ?樁腿受損情況

自2005年起，該平臺(tái)在歷次進(jìn)塢檢驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)各樁腿、樁靴出現(xiàn)多處缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，3個(gè)樁腿的缺陷共計(jì)128處，總長(zhǎng)度約48 m;受損位置集中出現(xiàn)在0BAY以下，包括樁腿0BAY無(wú)齒板、樁靴頂板與樁腿連接處、樁靴內(nèi)部齒條板、樁靴底板與輻射板等區(qū)域;缺陷的形式包括齒條板母材裂紋、原焊接熱效應(yīng)區(qū)細(xì)碎裂紋、焊縫裂紋等。

3? ? ?修復(fù)方案及建模校核

近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)海上自升式平臺(tái)作業(yè)狀態(tài)的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)建模研究。李洪濤[1]等通過(guò)有限元計(jì)算，分析出決定平臺(tái)作業(yè)能力的關(guān)鍵因素及其校核方法;甘進(jìn)[2]等采用ANSYS軟件建立自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析模型，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行分析;丁勇[3]用數(shù)值化方法模擬自升式平臺(tái)的載荷受力情況，為樁腿和樁靴強(qiáng)度分析計(jì)算提供了數(shù)值依據(jù)，并使用ANSYS軟件完成了各種工況下樁腿和樁靴的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核;曲健冰[4]等繪制了在100 m水深下空氣含量與樁靴內(nèi)壓支撐之間的關(guān)系曲線，給出水密樁靴設(shè)計(jì)中計(jì)算載荷的建議。以上研究主要聚焦于校核平臺(tái)樁腿樁靴自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)研究則較少。

非自航自升式平臺(tái)的拖航可變載荷，是決定使用性能的核心指標(biāo)之一。降低樁腿重量是增大拖航可變載荷的最有效手段，反之將限制平臺(tái)的作業(yè)能力;樁腿輕量化設(shè)計(jì)的途徑，通常包括改變樁腿節(jié)距、形狀和采用高強(qiáng)鋼等。如：郭心月[5]等分析了樁腿體積和尺寸參數(shù)隨節(jié)距和高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的變化關(guān)系，提出樁腿結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的建議。

該平臺(tái)原始設(shè)計(jì)中樁腿齒板在各高度位置的結(jié)構(gòu)均不相同，在樁靴內(nèi)部采用通齒板，樁靴以上采用兩齒條夾中心板的復(fù)合式齒板設(shè)計(jì)，且隨樁腿位置升高內(nèi)部中心板厚度逐漸減小。這種設(shè)計(jì)兼顧了樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和降低樁腿重量，但增大了樁腿組裝施工難度，且未考慮齒條與中心板、各厚度中心板間的應(yīng)力過(guò)渡，這是造成后續(xù)使用中樁腿樁靴受損的主要原因。

本文通過(guò)ANSYS軟件建立樁靴結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析（見(jiàn)圖1）.完成了六種典型工況下的樁靴受力分析計(jì)算，核實(shí)改造部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及應(yīng)力強(qiáng)度;同時(shí)對(duì)樁腿與樁靴連接處附件的結(jié)構(gòu)完成了屈曲強(qiáng)度校核;最終決定在此次修復(fù)中將平臺(tái)樁腿0BAY以下齒條板的原始設(shè)計(jì)型式優(yōu)化為采用圓弧過(guò)渡的新齒條板結(jié)構(gòu)改造方案（見(jiàn)圖2），達(dá)到最大化降低相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值的目的;更換的結(jié)構(gòu)包括：三個(gè)樁腿從0BYA K節(jié)點(diǎn)下端焊縫向下延伸300 mm位置起，一直到樁靴內(nèi)部齒條末端結(jié)束，該范圍內(nèi)的所有齒條板、半圓板及相關(guān)樁靴結(jié)構(gòu)。

4? ? ?修復(fù)工藝

本次樁腿0BAY以下結(jié)構(gòu)修理、更換項(xiàng)目的總體流程，如圖3所示。主要包括材料準(zhǔn)備和現(xiàn)場(chǎng)施工兩大部分。在材料準(zhǔn)備方面，主要參照中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》，并由船東、驗(yàn)船師和船廠質(zhì)檢人員組成質(zhì)量控制小組共同控制。

樁腿施工是自升式平臺(tái)建（改）造的施工難點(diǎn)，不少學(xué)者對(duì)類似項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)研究。陳小川[6]等從樁腿的分段劃分、建造及焊接作業(yè)工藝、合攏及吊裝作業(yè)步驟等多個(gè)方面對(duì)比了國(guó)內(nèi)外樁腿常規(guī)建造工藝;吳宇新[7]通過(guò)熱彈塑性有限元計(jì)算，分析了預(yù)熱溫度、保溫緩冷措施、焊接速度和約束條件對(duì)樁腿加工精度的影響，并基于對(duì)焊接變形與應(yīng)力的綜合控制，提出了工藝優(yōu)化建議;張曉安[8]以SUPER-116E自升式平臺(tái)為例，分析了樁腿特別是樁腿齒條的焊接和質(zhì)量控制要點(diǎn)。

以上研究更適用于樁腿建造階段。樁腿修理的最大難題，在于割除舊結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放后的位移控制、焊接變形控制和新舊結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置公差控制。王磊[9]等在研究中涉及了建造后平臺(tái)的桁架式樁腿的修理更換技術(shù)，但其更換方式是樁腿整根拆除，與建造的方式類似，同樣采用吊裝合攏法和頂升合攏法，施工量大且對(duì)船廠配套吊機(jī)資源要求高。

本次施工采用了三樁腿的0BAY以下區(qū)域同時(shí)割換的方法，極大程度降低了船廠配套資源的限制，在施工中創(chuàng)新了樁腿樁靴固定和測(cè)繪的有效手段，并識(shí)別出更換過(guò)程中的各種控制要素，并在施工過(guò)程進(jìn)行了有效控制，最終取得了本次更換項(xiàng)目的成功。

4.1? ?樁腿樁靴固定

本次修理工作全程在船廠船塢內(nèi)進(jìn)行。為了更穩(wěn)妥的實(shí)現(xiàn)精度控制、限制0BAY以下樁腿割除后樁腿樁靴出現(xiàn)相對(duì)位移，采用了將樁腿與主船體固定、樁靴與塢底和船體同時(shí)固定的定位方案。其中，樁腿與主船體的固定包括兩部分：其一，在固樁區(qū)頂部每齒條加一對(duì)齒模板，將其與固樁區(qū)強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接固定，從而限制樁腿垂向移動(dòng)。由于樁腿現(xiàn)場(chǎng)位置不同，為滿足承載樁腿的強(qiáng)度要求，齒模板要現(xiàn)場(chǎng)取樣并要求咬合4個(gè)齒。在齒條卡板與齒模板以及與固樁區(qū)結(jié)構(gòu)焊接后，釋放升降齒輪裝置的力矩;其二，在每個(gè)齒條上下均加裝限位碼板，上端限位碼板設(shè)置在固樁區(qū)頂端，下端限位碼板設(shè)置在船底，以限制樁腿和船體間的相對(duì)橫向晃動(dòng)（見(jiàn)圖4）。

為了更穩(wěn)妥的將樁靴固定，避免弦管割除后樁靴受自重的影響下墜，在塢底樁靴位置鋪設(shè)鋼墊板和樁靴支撐管，將鋼墊板、支撐管、樁靴底板用焊接方法進(jìn)行固定;同時(shí)，為了限制樁靴和船體的相對(duì)位移，用鋼管斜撐將樁靴與主船體焊接連接（見(jiàn)圖4）。

相關(guān)固定方案還要通過(guò)受力計(jì)算校核。計(jì)算過(guò)程中應(yīng)取足夠的安全系數(shù)，計(jì)算范圍應(yīng)包含所固定承載所涉及的齒模板、齒條卡板、限位碼板、焊縫、及樁靴下部支撐鋼管，計(jì)算內(nèi)容應(yīng)包含樁腿樁靴自身重力和風(fēng)力對(duì)強(qiáng)度的影響校核。

4.2? ?樁腿樁靴數(shù)據(jù)測(cè)繪

在完成樁腿樁靴固定后，應(yīng)盡快開(kāi)展原始數(shù)據(jù)測(cè)繪工作，為修復(fù)后的效果驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。測(cè)量的范圍包括：齒條半圓板橢圓度、樁腿三角尺寸、樁靴整體平面、樁腿和樁靴內(nèi)部的齒條直線度和撓度等。

（1）齒條半圓板的測(cè)量：需要制作一個(gè)半圓板樣板，自 0BAY 位置至樁靴表面，自上而下每隔 500 mm 在同一節(jié)距高度水平位置上取 5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量記錄（見(jiàn)圖5）;

（2）樁腿三角尺寸測(cè)量：用盤(pán)尺拉齒頂?shù)姆椒▽?duì)樁腿0BAY位置的三角尺寸進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)圖6），用以校驗(yàn)修復(fù)后樁腿三角變形量;

（3）樁靴整體平面測(cè)量：在樁腿樁靴連接處附近靴面邊緣位置設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，每根弦管位置分別設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)（見(jiàn)圖7）并做好固定標(biāo)記;測(cè)量三個(gè)面，并做好測(cè)量記錄;待弦管修理全部結(jié)束后，按照此方法再次對(duì)樁靴復(fù)測(cè)，并與修理前測(cè)量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，比較樁靴平面有無(wú)變化;

（4）齒條直線度和撓度測(cè)量：在齒條厚度中心線位置和齒條面邊緣位置，沿新舊齒條對(duì)接口上端 2000 mm位置至齒條最下端用鋼絲繩拉緊（見(jiàn)圖8）;在首尾兩端的中心位置，各放置一個(gè)基準(zhǔn)試塊，將鋼絲繩拉緊后每隔 500 mm測(cè)量鋼絲繩至齒條中心投影位置的距離，即可校驗(yàn)修復(fù)前后齒條直線度和擾度的變化情況。

4.3? ? 樁腿弦管更換

（1）在舊弦管切割過(guò)程中，為控制相對(duì)位置和焊接變形，先保留了主弦管外側(cè)半圓板，待齒條焊接結(jié)束，再對(duì)外側(cè)半圓板進(jìn)行拆除;

（2）在新弦管裝配過(guò)程中，采用了先內(nèi)后外、先下后上的裝配順序，即先完成樁靴內(nèi)部無(wú)齒齒條和結(jié)構(gòu)的更換和恢復(fù)，再安裝樁靴面板;然后進(jìn)行樁靴上部齒條裝配，最終安裝0BAY以下半圓板;

（3）在裝配過(guò)程中，運(yùn)用了多種工裝和定位措施，以保證齒條、半圓板等結(jié)構(gòu)組對(duì)精度要求。如：在樁靴內(nèi)部的原齒條拆除前，在距齒條兩側(cè)的樁靴結(jié)構(gòu)上做水平方向的前后左右4 個(gè)定位點(diǎn)，回裝時(shí)測(cè)量定位點(diǎn)與齒條之間尺寸，可高效確定齒條末端與原齒條位置偏差;再用多套三角板把齒條末端橫向位置固定，保持豎直方向伸縮，方便齒條上部定位和調(diào)整焊接間隙;在樁靴以上的弦管半圓板裝配過(guò)程中，運(yùn)用內(nèi)圓馬板工裝，通過(guò)在馬板內(nèi)圓處與弦管半圓板之間用楔子固定，實(shí)現(xiàn)在不焊接工件的情況下固定齒條及半圓板，并能夠調(diào)整齒條與半圓板組對(duì)間隙，以及焊中限制過(guò)分的變形。

焊接應(yīng)力和變形直接影響焊接結(jié)構(gòu)的制造精度和使用性能，目前廣泛采用的措施，包括焊前預(yù)熱和夾具拘束等手段。周宏[10]等利用Jmatpro和ANSYS軟件，量化了預(yù)熱可有效降低樁腿齒條厚板焊接應(yīng)力及應(yīng)變速率，進(jìn)而有效地避免裂紋的產(chǎn)生;劉川[11]等通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法，證明了夾具對(duì)焊接件的拘束力在焊接過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的， 其變化趨勢(shì)和焊接件的z向位移變化趨勢(shì)相同?？紤]到齒條、半圓板為高強(qiáng)鋼重要結(jié)構(gòu)焊接，母材厚度大、焊縫長(zhǎng)，焊接過(guò)程會(huì)由于不均勻熱過(guò)程及其約束使得焊縫及其附近金屬產(chǎn)生非均勻的膨脹和收縮而引起焊接殘余應(yīng)力和變形。因此通過(guò)采用多位置對(duì)稱施焊，降低焊接變形影響，同時(shí)在焊接過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)齒條的直線度和擾度，根據(jù)變化情況，隨時(shí)調(diào)整工裝和施焊節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接變形的有效控制。在焊接過(guò)程中，由船東、船廠和船級(jí)社驗(yàn)船師組成質(zhì)量控制小組，通過(guò)對(duì)防風(fēng)雨、引/熄弧板、焊前預(yù)熱、焊后加溫緩冷、焊接電流、焊接層間溫度等措施的有效控制，實(shí)現(xiàn)了焊后72小時(shí)100%無(wú)損檢測(cè)一次性合格。

5? ? ?結(jié)論

在海上自升式移動(dòng)平臺(tái)樁腿修復(fù)工程實(shí)踐中，作者所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了樁腿樁靴固定和測(cè)繪的有效手段，識(shí)別出修復(fù)過(guò)程中的各種控制要素，并在施工過(guò)程進(jìn)行了有效控制，解決了割除舊結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放后的位移控制、焊接變形控制和新舊結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置公差控制三大制約建后平臺(tái)樁腿修理的重大難題，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)對(duì)自升式移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行局部樁腿更換的先河，希望本文能為今后同類型移動(dòng)平臺(tái)的修理提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]李紅濤，徐捷，李曄.自升式海洋平臺(tái)站立狀態(tài)下的性能分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2009，24（04）：38-42.

[2]甘進(jìn)，吳衛(wèi)國(guó)，金書(shū)城.自升式平臺(tái)力學(xué)性能分析方法研究[J].船海工程，2011，40（06）：162-164+167.

[3]丁勇. 自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].上海交通大學(xué)，2009.

[4]曲健冰，王飛.自升式平臺(tái)水密樁靴內(nèi)部介質(zhì)與樁靴結(jié)構(gòu)承壓性能計(jì)算分析[J].船海工程，2021，50（04）：105-108.

[5]郭心月，陳景杰，黃一.應(yīng)用高強(qiáng)度鋼對(duì)自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[J].船海工程，2016，45（04）：77-82.

[6]陳小川，程龍，王鋆.自升式鉆井平臺(tái)樁腿建造工藝探索[J].船海工程，2014，v.43;No.220（03）：139-142.

[7]吳宇新.自升式平臺(tái)樁腿焊接變形和應(yīng)力控制技術(shù)研究[J].船舶工程，2016，38（10）：26-31+40.

[8]張曉安，錢建東.自升式海洋鉆井平臺(tái)樁腿的焊接與精度控制[J].江蘇船舶，2014，31（03）：38-39.

[9]王磊，王偉，劉金營(yíng)，佟玉鵬.DSJ300-L1自升式鉆井平臺(tái)桁架式樁腿維修技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2021，47（02）：65-67.

[10]周宏，張坤，洪軍杰，張佾行，龐龍龍.高強(qiáng)度大厚度海洋平臺(tái)樁腿板材加工前預(yù)熱力學(xué)行為研究[J].船舶工程，2014，36（06）：73-76.

[11]劉川，張建勛，牛靖.焊接動(dòng)態(tài)拘束變形三維多體耦合數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（06）：83-86+92.