深水半潛平臺(tái)上部組塊合攏主立柱預(yù)制精度控制

谷德虎、趙立君、李繼奎、宋濤、谷玉亮

(海洋石油工程（青島）有限公司山東青島 266520）

1 項(xiàng)目概況

該氣田位于瓊東南盆地北部海域，水深為1220m-1560m。該氣田的開(kāi)發(fā)方案采用半潛式生產(chǎn)平臺(tái)（SEMI）方案，該生產(chǎn)平臺(tái)包括船體和船體承載的上部設(shè)施（見(jiàn)圖1），上部設(shè)施由上部組塊和生活樓組成。

圖1

該上部組塊，共有24根立柱，船體與上部組塊通過(guò)4根主立柱連接。上部組塊立柱的軸線位置見(jiàn)圖2，其中標(biāo)記的四個(gè)點(diǎn)A2/A5/D2/D5為連接主立柱位置。

2 主立柱構(gòu)成及要求

結(jié)構(gòu)形式：主立柱由4段直管段和1段大小口接長(zhǎng)而成，內(nèi)部含有封板、加強(qiáng)環(huán)、加強(qiáng)板、擠壓定位承重塊（鑄鐵材質(zhì)）。小口管段直徑1829mm，厚度80mm；大口管段直徑2600mm，厚度90mm。具體形式見(jiàn)圖3（以A2為例，其它立柱形式相同）。

圖3

精度要求：

2.1 周長(zhǎng)

常規(guī)卷制管：卷制管外周長(zhǎng)的誤差不超過(guò)1%或者12.7mm，兩者取小值。

對(duì)于與船體接觸的生產(chǎn)甲板主立柱（4處）：卷管內(nèi)周長(zhǎng)與理論值之間不能大于±6mm。

對(duì)于與船體接觸的生產(chǎn)甲板主立柱（4處）：沿圓周方向上任意一點(diǎn)的內(nèi)徑與理論值之間不能大于±2mm。

2.2 不圓度

常規(guī)卷制管：不圓度，即在鋼管長(zhǎng)度方向上任意一點(diǎn)處的最大與最小外徑之差。對(duì)于壁厚大于50.8mm的鋼管，其不圓度與壁厚的的比不應(yīng)超過(guò)1:8。對(duì)于直徑大于1220mm的鋼管，只要周長(zhǎng)公差維持在±6.4mm以?xún)?nèi)，則其最大不圓度允許達(dá)到12.7mm。

對(duì)于與船體接觸的生產(chǎn)甲板立柱（4處）：最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之間的差（即不圓度）不能超過(guò)6mm。

2.3 直線度

常規(guī)卷制管：在任意3m長(zhǎng)管段上，直線度偏差不能超過(guò)3mm；在任意12m長(zhǎng)管段上，直線度偏差不能超過(guò)10mm；在12m長(zhǎng)度以上的管段上，直線度偏差不能超過(guò)12mm。

對(duì)于與船體接觸的生產(chǎn)甲板立柱（4處）：直線度6mm以?xún)?nèi)。

3 精度控制方法

3.1 預(yù)制順序

通過(guò)對(duì)立柱整體結(jié)構(gòu)的分析，制定了最優(yōu)的防變形預(yù)流程。與船體連接的主立柱預(yù)制順序依次按照下料--卷制--縱縫焊接—內(nèi)部構(gòu)件安裝—局部管段接長(zhǎng)—內(nèi)部構(gòu)件安裝—整體管段接長(zhǎng)--安裝封堵板的順序進(jìn)行，即首先完成主立柱的卷制、焊接工作，滿(mǎn)足項(xiàng)目公差要求后焊接第一道加強(qiáng)板及擠壓定位承重塊（處于組塊與平臺(tái)連接處管段的內(nèi)部構(gòu)件），然后加工坡口，后續(xù)再進(jìn)行接長(zhǎng)等其它工序。此預(yù)制順序使現(xiàn)場(chǎng)施工人員的作業(yè)空間最大化，并通過(guò)分段拆分預(yù)制方式，避免了多處受熱發(fā)生形變的情況。

主立柱A2 A5 D2 D5具體施工順序如下（以A2為例，其余相同）：

a. A2-1～5號(hào)段依次進(jìn)行下料、卷制（大小口需壓制）、焊接縱縫，下料管段做特殊標(biāo)記，便于全程跟蹤管控；

b. 安裝A2-4段內(nèi)90mm厚的加強(qiáng)環(huán)板（立柱外圈加地掉控制，便于過(guò)程控制尺寸，內(nèi)部加十字支撐，防止變形），然后安裝端口的擠壓定位承重塊構(gòu)件（4塊）；

c. A2-4段機(jī)械加工切割端部坡口。（鑒于該項(xiàng)目對(duì)組塊與船體焊接位置的環(huán)口公差要求很高，傳統(tǒng)熱切割方式難以保證公差要求，易產(chǎn)生形變，組塊與船體連接處的環(huán)口需要進(jìn)行機(jī)械加工（冷加工方式）制作坡口。）

d. A2-3與A2-4接長(zhǎng)，接長(zhǎng)完畢后安裝管段內(nèi)剩余加強(qiáng)筋板；

e. A2-2/5/3/4整體接長(zhǎng)；

f. 焊接A2-2管段封堵板。注意：封堵板單面焊接底側(cè)方向，即BOTTOM方向，焊道倒角圓滑，避免棱角，便于后續(xù)噴漆。

在施工全過(guò)程中，不能隨意焊接臨時(shí)結(jié)構(gòu)，每一步的完成必須保證精度滿(mǎn)足，要嚴(yán)格監(jiān)督檢驗(yàn)，為后一道工序做鋪墊。

3.2 控制措施及要求

a.下料、卷制控制

該項(xiàng)目主結(jié)構(gòu)均為S420的高強(qiáng)鋼材質(zhì)，屈服強(qiáng)度高于以往項(xiàng)目DH36、S355等材質(zhì)卷制硬度更強(qiáng)，板材下料延展率和以往更是大不相同。正常卷制材料按照中徑排版，實(shí)際下料要刨除材料延展長(zhǎng)度，不同材質(zhì)的管段，規(guī)格不同，延展長(zhǎng)度也不同，延展率缺失，對(duì)卷制精度影響極大[1]。通過(guò)對(duì)前期相近規(guī)格管段下料的摸索，推斷出此四根主立柱的延展率，并以此延展率為基礎(chǔ)，大、小徑管段各下料一段進(jìn)行延展率求證、精確，最終確定如下：

名稱(chēng) 管徑 板厚 展長(zhǎng) 減量 實(shí)長(zhǎng)立柱 1829 80 5494.6 14.6 5480立柱 2600 90 7885.4 18.4 7867

卷制過(guò)程中，全程通過(guò)紅外測(cè)距儀以及人工測(cè)量進(jìn)行管材成形的調(diào)整，保證滿(mǎn)足精度要求。

b.焊接要求

在焊接過(guò)程中，鋼材最低預(yù)熱溫度（環(huán)境溫度≥0℃時(shí)）應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：

Base metal鋼材 T＜38mm 38mm≤T≤50mm T＞50mm S420，S355-S420 50℃ 110℃

(1) 如果環(huán)境溫度低于0℃，預(yù)熱溫度應(yīng)在批準(zhǔn)的WPS規(guī)定的溫度基礎(chǔ)上提高20-30℃，且應(yīng)采取有效的防風(fēng)、雪措施。所有的焊接接頭焊接完成后應(yīng)采取保溫棉或電加熱等有效的保溫措緩冷措施。

(2) 對(duì)于圖紙規(guī)定的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、高拘束度的構(gòu)件如焊道集中部件及返修焊接的情況，無(wú)論環(huán)境溫度是否低于0℃，預(yù)熱溫度應(yīng)在批準(zhǔn)的WPS規(guī)定的最低溫度基礎(chǔ)上提高40-50℃。

(3) 對(duì)于重要節(jié)點(diǎn)、高拘束度的構(gòu)件、母材厚度超過(guò)38mm時(shí)，需采用電阻加熱；并且在施焊?jìng)?cè)的背面進(jìn)行預(yù)熱以及測(cè)量溫度。

(4) 施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)藥芯焊絲進(jìn)行有效保護(hù)及防止受潮；未用完的焊絲應(yīng)存放于焊材房?jī)?nèi)并用塑料或紙包裝包裹；未存放于干燥場(chǎng)所并且未被下個(gè)班次使用的焊絲不允許第二天繼續(xù)使用。

(5) 采用雙面焊接，在焊接時(shí)宜采用對(duì)稱(chēng)的施焊順序以控制焊接變形。

(6) 焊接過(guò)程應(yīng)保持連續(xù)，不允許焊接中斷；T＞50mm的焊接接頭，層間溫度≤200℃。

(7) 如采用碳弧氣刨，則氣刨完成后應(yīng)進(jìn)行打磨處理，徹底清除殘余滲碳層，進(jìn)而避免淬硬組織出現(xiàn)。

c.關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：擠壓定位承重塊（鑄鐵材質(zhì)）的施工

立柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分布在第4段上，且第四段為下部平臺(tái)與組塊的連接部分，保證第4段管段環(huán)口公差是關(guān)鍵。擠壓定位承重塊（鑄鐵材質(zhì)）的具體操作如下：

(1) 在距離立柱A2-4管段底端環(huán)口150mm處，外側(cè)制作環(huán)形工裝，與立柱點(diǎn)焊固定后再進(jìn)行擠壓定位承重塊的焊接工作。工裝尺寸為40mm厚×200mm寬，以此保證組塊與船體焊接位置的環(huán)口公差要求，減小擠壓定位承重塊焊接時(shí)對(duì)環(huán)口公差的影響。

(2) 擠壓定位承重塊的施工采用機(jī)械加工預(yù)制坡口，最終焊接完成后需要對(duì)與船體部分連接側(cè)的焊縫進(jìn)行打磨圓滑處理，焊后打磨形狀保持與原擋塊形狀一致，避免出現(xiàn)棱角造成合攏接觸時(shí)卡位。

(3) 擠壓定位承重塊組對(duì)前，測(cè)量立柱內(nèi)徑，找到尺寸均等的位置，在0°、90°、180°、270°四點(diǎn)進(jìn)行擠壓定位承重塊的組對(duì)，并在外側(cè)打好樣沖點(diǎn)。

(4) 擠壓定位承重塊為鑄鐵材質(zhì)，焊接施工依據(jù)對(duì)應(yīng)批準(zhǔn)的WPS，PJP半熔透接頭可直接使用焊絲DW-A55L進(jìn)行焊接，保護(hù)氣體為Ar+CO2混合氣（80%/20%）；

① 考慮到項(xiàng)目對(duì)尺寸、精度要求較高，焊接預(yù)熱Tp≥110℃，層間溫度Ti≤250℃，110℃＜焊接過(guò)程溫度≤250℃，且要求對(duì)立柱環(huán)向方向整體加熱，減少溫度梯度控制焊接變形。

② 結(jié)合實(shí)際工況，對(duì)稱(chēng)焊接，不可焊接中斷，焊接接頭的起弧點(diǎn)與熄弧點(diǎn)不可在同一位置。

③ 坡口兩側(cè)打磨鐵銹、油污等，焊材防潮；過(guò)程中防風(fēng)；注意焊道與焊道間的清理、層與層之間的清理（熔渣、飛濺等）；

④ 焊后采取緩冷措施。

(5) 記錄與測(cè)量以下數(shù)據(jù)，并做好存檔，后續(xù)需根據(jù)這些信息確定船體上就位插尖是否需要調(diào)整及可能的調(diào)整量。

① 焊接前，測(cè)量擠壓定位承重塊安裝位置的立柱內(nèi)徑；

② 記錄各擠壓定位承重塊所處的腿柱、方位（擠壓定位承重塊相對(duì)于立柱的位置），并將每一塊擠壓定位承重塊做好編號(hào)；

③ 完成焊接后準(zhǔn)確測(cè)量擠壓定位承重塊的高度（，測(cè)量立柱底端到擠壓定位承重塊底端距離；

④ 所有相對(duì)位置的擠壓定位承重塊間斜面的間距，高低點(diǎn)都測(cè)量，且各取3個(gè)點(diǎn)，如下圖4標(biāo)識(shí)的6個(gè)點(diǎn)，上下兩排（具體距離可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可調(diào)，左右距離中線各200mm。

圖4

通過(guò)全流程的施工控制，最終形成了一套控制方法，上部組塊與船體頂端連接處的主立柱精度要求達(dá)到了預(yù)期效果，保證了項(xiàng)目的順利施工。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)某氣田開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目，介紹了半潛式平臺(tái)合攏對(duì)接主立柱的結(jié)構(gòu)形式、要求及預(yù)制流程，重點(diǎn)描述了主立柱預(yù)制順序、下料控制、焊接要求及關(guān)鍵點(diǎn)施工措施，總結(jié)了一種適用于深水半潛平臺(tái)上部組塊合攏主立柱高精度建造要求的控制方法，對(duì)平臺(tái)整體順利合攏奠定了基礎(chǔ)，對(duì)于后續(xù)類(lèi)似的施工內(nèi)容具有一定的指導(dǎo)意義。