CJ46型鉆井平臺(tái)升降裝置安裝流程優(yōu)化

查 微，魯 孝，張麗杰，談德才

（湖北海洋工程裝備研究院有限公司，湖北武漢 430063）

0 引 言

CJ46 型自升式鉆井平臺(tái)主要用于進(jìn)行海上鉆井作業(yè)，其結(jié)構(gòu)主要由三角形狀的主平臺(tái)、X-Y 型懸臂梁、鉆井系統(tǒng)和3 條開放桁架式樁腿組成，空船重量約為10 625 t，可在15.0 ～114.3 m水深條件下開展鉆井作業(yè)。該平臺(tái)的最大鉆井深度達(dá)9 144 m，生活樓滿足140 人的居住需求。平臺(tái)具有活動(dòng)樁腿，其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上的預(yù)定高度處。升降系統(tǒng)作為該平臺(tái)的關(guān)鍵部分，是連接平臺(tái)與樁腿的紐帶，其制造和安裝精度直接影響著平臺(tái)的安全性、使用性和經(jīng)濟(jì)性［1-4］。CJ46 型鉆井平臺(tái)的樁腿井總組及升降裝置的安裝過程涉及27 個(gè)分段的裝配、建造、機(jī)加工和對(duì)線總組，以及樁腿的定位插入焊接和54 套升降裝置的對(duì)線安裝，精度要求高，作業(yè)階段多，各階段受外部因素的影響和實(shí)際情況的限制，工作量大，作業(yè)周期長(zhǎng)。

為解決傳統(tǒng)的CJ46 型鉆井平臺(tái)升降裝置安裝作業(yè)周期和占用塢期較長(zhǎng)的問題，本文對(duì)該安裝流程進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，在此基礎(chǔ)上提出精度分解方案和降阻方案，為后續(xù)類似平臺(tái)的建造提供參考。

1 升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

CJ46 自升式鉆井平臺(tái)帶有3 條開放桁架式樁腿，每條樁腿由3 根安裝于弦管與弦管之間的撐桿結(jié)構(gòu)組成，樁腿下端與樁靴連接形成平臺(tái)的主要支撐結(jié)構(gòu)，樁腿上端同升降齒輪嚙合，通過升降系統(tǒng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降。平臺(tái)的重量全部通過樁腿井傳遞給升降系統(tǒng)，隨后通過樁腿嚙合，最終通過樁腿和樁靴傳遞至海底。升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（即樁腿井）由3 部分組成，其中：

1）上部結(jié)構(gòu)安裝升降裝置，每根弦管通過齒條與6 套升降齒輪嚙合，即1 根弦管對(duì)應(yīng)的升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上需安裝6 套升降單元，整個(gè)平臺(tái)需安裝54 套升降單元。

2）中部結(jié)構(gòu)安裝鎖緊裝置，用于在平臺(tái)升降到預(yù)定高度之后，通過鎖緊裝置將其固定在該高度處。上部結(jié)構(gòu)和中部結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)鋼管與主船體焊接，定位固定。

3）下部結(jié)構(gòu)與船體直接焊接，通過耐磨板，起到對(duì)樁腿進(jìn)行導(dǎo)向和限位的作用。

上、中、下等3 層結(jié)構(gòu)上下對(duì)接，組成升降結(jié)構(gòu)，每3 個(gè)升降結(jié)構(gòu)組成1 個(gè)樁腿井，每1 個(gè)樁腿井對(duì)應(yīng)1條樁腿，整個(gè)平臺(tái)共有3 個(gè)樁腿井。

2 升降裝置制造安裝流程及優(yōu)化

目前主流的升降裝置制造安裝方法是將升降裝置的上、中、下等3 個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為3 個(gè)分段，本文將這3個(gè)分段分別命名為393 分段（升降裝置分段）、392 分段（鎖緊裝置分段）和391 分段（船體導(dǎo)向分段），制造安裝流程見圖1。整個(gè)過程涉及391 分段、392 分段和393 分段各9 個(gè)，共27 個(gè)分段的裝配、建造、機(jī)加工和對(duì)線總組，以及樁腿的定位插入焊接和54 套升降裝置的對(duì)線安裝，是平臺(tái)建造的一條關(guān)鍵路徑。［5-7］

圖1 傳統(tǒng)升降裝置制造安裝流程

采用單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)上述過程［8-10］進(jìn)行分析，首先對(duì)上述過程進(jìn)行編號(hào)，如圖1 所示。以武昌船舶重工集團(tuán)有限公司建造的CJ46 型自升式鉆井平臺(tái)為例，各過程的耗時(shí)：②為30 d；③為30 d；④為30 d；⑤為30 d；⑥為30 d；⑦為20 d；⑧為20 d；⑨為20 d；⑩為20 d；?為20 d；?為3 d；?為8 d；?為40 d。傳統(tǒng)升降裝置安裝單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖見圖2，其中：關(guān)鍵路徑為①→③→⑦→⑨→⑩→?→?→?，共耗時(shí)148 d；塢內(nèi)作業(yè)關(guān)鍵路徑為⑩→?→?→?，共耗時(shí)83 d。這種流程的優(yōu)點(diǎn)是樁腿插入定位之后與樁靴的焊接沒有升降裝置限制，可由吊機(jī)和工裝調(diào)整其插入姿態(tài)及下落位置，阻力較小，定位精準(zhǔn)。另外，這種流程比較成熟，風(fēng)險(xiǎn)較小，每個(gè)階段都有成熟的精度控制指標(biāo)；缺點(diǎn)是串行作業(yè)較多，周期較長(zhǎng)，特別是升降裝置安裝，總共有54套升降裝置，均需在塢內(nèi)通過吊機(jī)側(cè)向插入393 分段機(jī)加工出來的軸承孔中（軸還需在過冷之后插入），工作量較大，占用塢期較長(zhǎng)。

圖2 傳統(tǒng)升降裝置安裝單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖

由此，對(duì)升降裝置制造安裝流程進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)關(guān)鍵路徑進(jìn)行分析和優(yōu)化，針對(duì)串行作業(yè)較多的問題，通過分析安裝流程，考慮將升降系統(tǒng)安裝提前到在內(nèi)場(chǎng)階段完成，使串行作業(yè)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè)，優(yōu)化的升降裝置安裝單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖見圖3。此時(shí)：關(guān)鍵路徑為①→④→⑧→?→?→?，共耗時(shí)118 d；塢內(nèi)作業(yè)關(guān)鍵路徑為⑩→?→?，共耗時(shí)43 d。經(jīng)過初步優(yōu)化之后，總制造時(shí)間縮短了30 d，占用塢期縮短了40 d。

圖3 優(yōu)化的升降裝置安裝單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖

隨后對(duì)各作業(yè)階段進(jìn)行優(yōu)化，在將升降裝置安裝提前到在內(nèi)場(chǎng)階段完成之后，由于升降裝置安裝由在塢內(nèi)通過吊機(jī)側(cè)向插入393 分段變成了在內(nèi)場(chǎng)使用行車垂直落入393 分段，無高空作業(yè)，安裝難度大大降低，場(chǎng)地和吊車資源充足，故其消耗的工時(shí)縮短為25 d。進(jìn)一步優(yōu)化的升降裝置安裝單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖見圖4。此時(shí)：關(guān)鍵路徑變?yōu)棰佟邸摺帷狻?→?，消耗總工時(shí)為108 d；塢內(nèi)作業(yè)關(guān)鍵路徑為⑩→?→?，共耗時(shí)43 d。進(jìn)一步優(yōu)化之后總制造時(shí)間縮短了10 d。

圖4 進(jìn)一步優(yōu)化的升降裝置安裝單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖

對(duì)優(yōu)化前后的升降裝置安裝方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。由表1 可知，優(yōu)化方案能大大縮短升降裝置安裝周期，同時(shí)將升降裝置安裝由在塢內(nèi)高空作業(yè)和側(cè)向插入安裝改為在內(nèi)場(chǎng)臥式垂直落入安裝，安裝的難度大大降低，但也存在樁腿插入動(dòng)作精度控制要求較高和整個(gè)升降裝置的制造精度需重新分配的問題。

表1 優(yōu)化前后的升降裝置安裝方案對(duì)比

3 優(yōu)化后安裝流程中的風(fēng)險(xiǎn)分析與解決

為保證新的作業(yè)流程能順利實(shí)施，需提前對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并找出解決方案。通過分析新流程與原流程的不同點(diǎn)，得到新流程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如下。

3.1 總組精度重新分解

由于作業(yè)流程是先安裝升降裝置，后插入樁腿，故需重新對(duì)總組精度進(jìn)行分解和分配，以避免插入樁腿時(shí)因平行度和同心度存在偏差而導(dǎo)致摩擦力過大，樁腿無法插入。通過分析并結(jié)合升降裝置的精度指標(biāo)，確定保持392 分段的機(jī)加工要求不變，對(duì)391 分段和392 分段預(yù)總組及與船體結(jié)構(gòu)合攏的精度要求進(jìn)行重新定義，具體如下。在391分段和392 分段預(yù)總組過程中，調(diào)整這2 個(gè)分段的水平度、直線度和預(yù)總組的整體長(zhǎng)度。水平度須在±2 mm以內(nèi)；直線度以392 分段的中心線為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整391 分段的中心線，擬合出預(yù)總組中心線，中心線精度偏差控制在±0.5 mm以內(nèi)。滿足要求之后，測(cè)量預(yù)總組段的整體長(zhǎng)度（以理論線為基準(zhǔn)），控制其在11 900 mm±3 mm以內(nèi)。圖5 為391 分段和392 分段總組精度控制示意圖。

圖5 391分段和392分段總組精度控制示意圖

在391 分段和392 分段預(yù)總組段與主船體合攏過程中，以標(biāo)記出的齒條中心線作為參照線對(duì)預(yù)總組段和主船體進(jìn)行定位。每個(gè)樁腿井區(qū)域不允許3 個(gè)預(yù)總組段同時(shí)定位，必須待1 個(gè)預(yù)總組段焊接并報(bào)檢完畢之后，再定位另一個(gè)預(yù)總組段。對(duì)于每個(gè)樁腿井區(qū)域內(nèi)的第一個(gè)預(yù)總組段，中心線焊前報(bào)檢與主船體標(biāo)記的齒條中心線偏差不可超過2 mm。焊后預(yù)總組段左右垂直度公差為±1 mm，前后垂直度公差為±2 mm（考慮到391分段和392 分段預(yù)總組時(shí)會(huì)產(chǎn)生建造公差，在檢驗(yàn)時(shí)以392 分段測(cè)量值為準(zhǔn)）。以地樣十字中心線作為參照，結(jié)合預(yù)總組段十字中心線檢驗(yàn)定位角度，確定平行度公差為±2 mm。預(yù)總組段定位高度公差為±3 mm。

對(duì)于每個(gè)樁腿井區(qū)域內(nèi)的第二個(gè)預(yù)總組段，根據(jù)第一個(gè)焊后檢驗(yàn)報(bào)告的中心線實(shí)際位置，給出第二個(gè)中心線的相對(duì)位置，由此進(jìn)行定位。第三個(gè)預(yù)總組段參考前2 個(gè)預(yù)總組段中心線的實(shí)際位置進(jìn)行調(diào)節(jié)定位。調(diào)節(jié)之后，樁腿井區(qū)域內(nèi)的3 個(gè)預(yù)總組段上下兩端，齒條中心線平面間距公差必須在10 m ±10 mm以內(nèi)，且須滿足任意兩點(diǎn)的平面間距公差小于等于6 mm。圖6 為升降箱總組精度控制示意圖。

圖6 升降箱總組精度控制示意圖1

393分段與主船體合攏的精度控制和公差范圍與預(yù)總組段合攏相同。

3.2 樁腿插入受力分析

為保證施工進(jìn)度，減少對(duì)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的損壞，需對(duì)樁腿插入的受力變化進(jìn)行分析，并提出應(yīng)對(duì)方案規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。在樁腿插入過程中，樁腿受到自身重力、樁腿齒條與升降裝置齒條之間的摩擦力、升降裝置內(nèi)部的靜摩擦力和樁腿齒條與391 分段所裝耐磨板之間的摩擦力的作用。若這幾個(gè)力的合力方向是向下的，則樁腿能順利插入；若這幾個(gè)力的合力方向是向上的，則樁腿通過自身重力克服各種阻力實(shí)現(xiàn)插入。

經(jīng)試驗(yàn)，結(jié)合升降系統(tǒng)廠家反饋的數(shù)據(jù)，得到單個(gè)樁腿接觸的18 套升降系統(tǒng)的摩擦力為2.1 ×106N（為廠家根據(jù)以往的數(shù)據(jù)推算出的最大值），啟動(dòng)力為5.0 ×105N（在3 s內(nèi)樁腿插入速度達(dá)到0.15 m／min），樁腿自重為1.15 ×10－6N，由此計(jì)算得出系統(tǒng)合力為1.45 ×106N，方向向上，即樁腿不能依靠自身重力通過升降系統(tǒng)。考慮樁腿是依次通過3 層升降系統(tǒng)的，啟動(dòng)力可取原啟動(dòng)力的1／3，即約1.70 ×105N，此時(shí)系統(tǒng)的合力為1.12 ×106N，方向向上。為保證樁腿能順利插入，可對(duì)樁腿增加一個(gè)向下的力，或減小其受到的各種阻力?？紤]到升降系統(tǒng)內(nèi)部拆開的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)先考慮對(duì)樁腿增加一個(gè)向下的力，并要求3 條弦管受到的力能夠分開控制，以便調(diào)整姿態(tài)，保證齒條中心線與樁腿井總組之后標(biāo)記的齒條中心線重合。針對(duì)增加一個(gè)向下的力和減小樁腿受到的阻力這2 個(gè)方向，初步擬定2 種方案。方案一是在樁靴上焊接眼板，通過手拉葫蘆和鐵鏈對(duì)樁腿施加向下的拉力；方案二是利用升降系統(tǒng)自帶的齒輪箱上電機(jī)側(cè)的齒輪位置調(diào)節(jié)塞，使用風(fēng)鉆輸入高轉(zhuǎn)速、低扭矩的力，經(jīng)過齒輪箱內(nèi)部的行星齒輪輸出低轉(zhuǎn)速、高扭矩的力，克服系統(tǒng)受到的摩擦力。2 種升降裝置安裝方案的工作量和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比見表2。

表2 2 種升降裝置安裝方案的工作量和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比

4 結(jié) 語

本文基于單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)升降裝置的制造和安裝過程進(jìn)行了分析，提出了優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化方案的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了分析，制訂了合理的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的方案，主要得到以下結(jié)論：

1）通過將升降裝置安裝時(shí)間提前（在393 分段機(jī)加工之后，總組之前，在內(nèi)場(chǎng)安裝），可使整個(gè)平臺(tái)升降裝置制造周期縮短40 d，占用塢期縮短40 d；

2）通過將升降裝置安裝由在塢內(nèi)高空側(cè)向插入安裝改為在內(nèi)場(chǎng)臥式垂直落入安裝，使得安裝難度大大降低。