鉆井平臺吊機將軍柱升級改裝和精度控制

中圖分類號：U672.1 文獻標志碼：A

Upgrade and Precision Control of Kingpost Crane on Drilling Platform

XI Xiaofeng， WANG Xiaohua（YiuLian Dockyards（Shekou）Ltd.，Shenzhen，China）

Abstract： Kingpost cranes， widely used as lifting equipment on offshore platforms，offer advantages such as operational simplicity，compact structure，easeof maintenance，broad working range，heavy-load capacity，and high safety.Precision control in the design，fabrication，and instalation of kingposts is critical to ensure crane safety. This paper presents acase study of upgrading three kingpost-type cranes （port，starboard，and stemn）on the HYSY 935 jack-updriling platform. It summarizes key processes for structural strength design，fabrication，and precision control during installation， providing references for similar retrofit projects.

Key words： kingpost; crane； drilling platform; installation; precision control

1 引言

海洋石油935是日本日立船廠于1976建造的一艘凹槽式、無自航能力的自升式鉆井平臺，船齡老舊。為適應(yīng)現(xiàn)有油田的作業(yè)要求，要對原平臺左、右及尾部三臺將軍柱型吊機進行升級換新。這種換新的吊機上部回轉(zhuǎn)體塔架及吊臂都由從主船體底部延伸上來一個支柱（即將軍柱）來支撐受力。鉆井平臺這個浮動的載體具有優(yōu)良的抗傾覆能力，改裝具有很好的可操作性。下文主要從吊機將軍柱的設(shè)計制作及安裝精度控制方面進行闡述。

2 吊機將軍柱設(shè)計

2.1資料收集

根據(jù)船東提供的工程單和技術(shù)規(guī)格書，設(shè)計人員首先要收集吊機計劃安裝位置相關(guān)區(qū)域的原船結(jié)構(gòu)圖紙以及新吊機的總圖、轉(zhuǎn)塔法蘭底座的直徑、吊機柱圍壁厚、材質(zhì)規(guī)格、吊機作業(yè)狀態(tài)最大支反力等詳細信息。如有必要還需上平臺進行實船勘驗，對吊機安裝位置的周邊是否有障礙等進行檢查，以便確定合適的區(qū)域以及吊臂支架擺放位置。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計師根據(jù)業(yè)主規(guī)格書描述的吊機安裝要求進行布置，對將軍柱焊接處的甲板及連接結(jié)構(gòu)進行加強設(shè)計。

完成將軍柱結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計后，采用三維軟件建模，模型見圖1所示，加載作業(yè)狀態(tài)下的最大支反力，進行有限元強度分析。通過計算分析將軍柱本體結(jié)構(gòu)及連接結(jié)構(gòu)整體強度是否滿足要求，并對薄弱區(qū)域通過調(diào)整板厚連接節(jié)點樣式，達到強度要求。設(shè)計圖紙經(jīng)船東和船級社認可后可進入施工階段。

3 吊機將軍柱預(yù)制

3.1精度要求

吊機將軍柱筒體內(nèi)徑為 ，厚度為 2 5 m m 、3 0 m m ： 3 5 m m 等規(guī)格，強度等級為DH36/EH36，將軍柱總高度約為 1 8 . 4 m 。根據(jù)吊機廠家提供的設(shè)備資料技術(shù)參數(shù)要求，最終完工檢驗時的吊機將軍柱中心垂直度公差范圍為 。針對這種板厚和高度的吊機將軍柱，為了保證此精度，船廠提出了更高的追求，要求施工后完工檢驗垂直度公差控制在 以內(nèi)，即在將軍柱適配器接合面圓心與主甲板高度處的中心點偏移值控制在 ± 3 2 m m 以內(nèi)。為了達到吊機將軍柱精度要求，需在將軍柱筒體制作、安裝及定位檢驗過程中不斷探討，制定實用、易行、更優(yōu)化的工藝流程，嚴格把關(guān)每一個施工步驟。

吊機將軍柱制作過程中，根據(jù)板材尺寸對拼接焊縫進行合理布置，同時根據(jù)船廠現(xiàn)有的加工能力，為保證將軍柱制作的直徑精度，確定在專用胎架上采用臥造方式制作吊機將軍柱并安排專人檢驗。

3.2制作及精度控制

首先根據(jù)鋼板寬度和厚度分布把整個吊機將軍柱分成9段，將軍柱整個高度上有較多的拼接焊縫，為了減小應(yīng)力和控制焊接變形，需要對軸向拼板縫進行錯位布置，如圖2所示。

根據(jù)國際船舶建造質(zhì)量標準（IACS）要求：將軍柱直徑公差范圍為 ，周長公差范圍為 ，對接縫錯允許位偏差為 。只有讓每一段將軍柱精度嚴格控制在標準范圍內(nèi)，后面工序才能有更好的保證。注意到每段將軍柱按實長展開后要放一定加工余量（每端放 1 5 0 m m 余量），通過三輥卷板機加工后，然后劃線切割掉余量。為了讓對接切口能夠圓滑的過渡，對接口板邊開好坡口，上三輥卷板機對切口加工一次。對接縫焊完成后再用三輥卷板機對每段將軍柱加工一次，更好的清除焊接應(yīng)力和保證直徑精度。

每段將軍柱制作好后，在專用胎架上進行組裝，如圖3所示。組裝時，根據(jù)《中國造船質(zhì)量標準》（ C B/ T 4 0 0 0-2 0 0 5 ）規(guī)定：吊機將軍柱直線度偏差? L1 / 1 0 0 0 m m 且不超出 ± 1 0 m m 偏差范圍（L1為吊機將軍柱長度， mm ）。

新制作吊機將軍柱高度約 1 8 . 5 m ，考慮到場地大小和施工安全等因素，采用臥造法預(yù)制。為了保證精度要求，需要制作專用胎架來對將軍柱進行拼接和檢驗。胎架水平度采用激光經(jīng)緯儀或水平U形管檢驗胎架平面度公差控制在 ± 1 m m 以內(nèi)（胎架見圖3所示）。將軍柱組裝時，先采用兩段一組拼接，然后兩組拼接，最后總組裝。兩段一組拼接直線度偏差 ；組拼接直線度偏差 ± 4 m m 。

在拼裝過程中采用簡單易操作直觀的拉直線法來檢驗將軍柱直線度。首先把將軍柱首尾截面直徑 、 、 三點位置畫出來，然后在整個長度方向三點用直徑 鋼絲繩拉直線來檢驗其直線度。（見圖3的A-A剖面），另外在總組裝時長度太長，拉鋼絲會因重力下垂產(chǎn)生誤差，可采用激光經(jīng)緯儀檢驗。

4 測量與檢驗

4.1平臺甲板水平度測量

整個吊機將軍柱制作過程按照工藝嚴格控制精度，保證吊機將軍柱自身的直線度，從而為后期定位安裝的垂直度提供檢驗基礎(chǔ)。由于海洋石油935是自升式鉆井平臺，吊機將軍柱的安裝是基于平臺插樁狀態(tài)。經(jīng)查閱原船圖紙可知，平臺主甲板縱向和橫向都有梁拱，即平臺基面不是水平的，而且平臺插樁狀態(tài)，也不確定是否水平。吊機將軍柱在作業(yè)工況特別是滿負荷時的彎矩較大，需要測量整個平臺主甲板傾斜度來修正精度要求，見圖4所示。

首先通過激光經(jīng)緯儀測量平臺水平數(shù)據(jù)再結(jié)合梁拱值分析得出修正值。見圖5、圖6所示。

經(jīng)圖5縱向測量數(shù)據(jù)比較，f向甲板FR14-124處測量點數(shù)據(jù) 1 5 9 2 m m ，艉向甲板FR19-311處測量點數(shù)據(jù) 1 5 0 9 m m ，即兩數(shù)據(jù)差值 8 3 m m ，原船建造圖紙顯示縱向梁拱，在上述相同位置且相同跨距段的高度差值為 7 7 m m 。據(jù)此數(shù)據(jù)可知，船艉比船艏高，船體縱向向船艏傾斜，傾斜角度 。吊機將軍柱穿過主甲板區(qū)域直徑為 1 8 5 0 m m ，按照上述甲板傾斜度，吊機將軍柱與甲板切線處最大差值為 1 3 m m 。

經(jīng)圖6橫向測量數(shù)據(jù)比較，右舷甲板DL16處測量點數(shù)據(jù) 1 6 0 8 m m ，左舷甲板DL16處測量點數(shù)據(jù) 1 6 3 3 m m 即兩數(shù)據(jù)差值 。根據(jù)此數(shù)據(jù)可知，右舷比左舷高，平臺橫向向左傾斜，傾斜角度 。吊機將軍柱穿過主甲板區(qū)域直徑為 1 8 5 0 m m ，按照上述甲板傾斜度，吊機將軍柱與甲板切線處最大差值為 2 . 5 m m 。

4.2將軍柱垂直度測量

按上述方法測量出平臺甲板的水平度偏差值，再計算吊機將軍柱垂直度的修正值，按修正值來檢驗將軍柱垂直度。接下來考慮吊機將軍柱垂直度的檢驗，理論上有三種方法可行，但結(jié)合現(xiàn)場實際情況及可操作性只有一種方法適用。

第一種采用全站儀測量法：吊機將軍柱定位預(yù)裝到主甲板后，通過在平臺甲板面建立三點確定水平基準面后，再在吊機將軍柱垂直高度上下端建立多個坐標點，記錄數(shù)值分析結(jié)果和標準要求值比較即可。因施工時周圍障礙物較多且將軍柱周圍都是搭建腳手架，不能保證全站儀激光能夠掃射到坐標點，這種方法在現(xiàn)場無法操作，因此此種方法不可行。

第二種利用船體剛性結(jié)構(gòu)外板和縱壁作為基準面來定位測量數(shù)值法。吊機將軍柱定位預(yù)裝后，因吊機將軍柱有一半裝在甲板以下，所以只要保證這一半測量數(shù)值偏差在標準范圍內(nèi)即可。但因平臺建造使用已三十多年了，這些剛性結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)變形不能作為基準參考面，此種方法也不可行。

第三種鉛錘法：吊機將軍柱定位預(yù)裝好后，從吊機將軍柱距甲板 1 0 . 0 2 8 m 處的鋼格柵平臺中心吊一個鉛錘墜至主甲板處，見圖7所示。根據(jù)鉛錘偏移值得出吊機將軍柱垂直度數(shù)據(jù)。因前面已經(jīng)保證吊機將軍柱直線度和取得平臺水平度數(shù)據(jù)，可以不斷調(diào)整至允許偏差范圍，故此方法簡單易操作可行。

我們要求對吊機將軍柱安裝垂直度的要求為 。那么修正后吊機將軍柱中心點從頂端到甲板的偏移值為 即鉛錘墜中心在以修正后中心點，以偏差值 3 2 m m 為半徑的畫圓范圍內(nèi)即可滿足條件。

5 吊機將軍柱安裝精度控制

船廠制作的吊機將軍柱（約 1 8 . 5 m 高）垂直度滿足精度要求后，下一步安裝設(shè)備商提供的上部段對接吊機將軍柱（約 1 0 m ），那么這段將軍柱垂直度該怎么檢驗也是個難題。因這段將軍柱兩端是封死的，無法使用鉛錘法測量。經(jīng)過吊機廠家確認，將軍柱上自帶齒輪盤，把齒輪盤做為基準面是可行的。具體方法如下（見圖8所示）。

1）吊機將軍柱定位安裝好后，把激光經(jīng)緯儀放置于齒輪盤艉部，調(diào)好水平后，向齒輪盤左右各打點P1、P2并記錄讀數(shù)，并記錄兩點間的距離。

2）把激光經(jīng)緯儀放置于齒輪盤左邊或右邊，調(diào)好水平后，向齒輪盤首尾各打點P3、P4并記錄讀數(shù)，并記錄兩點間的距離。

3）結(jié)合已有的平臺傾斜度數(shù)據(jù)，計算出吊機將軍柱的傾斜度，如其傾斜度與現(xiàn)有平臺傾斜度一致，則合格。按最大垂直度偏差 計算偏差范圍為6mm，扣除平臺現(xiàn)有水平狀態(tài) （偏差值 2 m m ），即各點間讀數(shù)差值不得大于 。

因此段將軍柱較厚，材料規(guī)格為 4 0 E H3 6 ，即焊接量較大會產(chǎn)生一定變形。針對此處需要制定焊接工藝來控制變形量，從而減小精度誤差。我們測量時，需要測量兩次，即焊接前和焊接完后做好記錄，最后分析結(jié)果如下：

1）按照已經(jīng)測得平臺傾斜度數(shù)據(jù)：左傾 、前傾 ；

2）左將軍柱兩測量點間距 2 0 6 3 m m ，左比右低L $2 3 1 - 2 2 2 ＼ ） ＼ { = } 9 0 0 0$ ，后比前低（ 2 3 1 - 2 3 0 ） = 1 m m ，計算得左傾 、后傾 ，按平臺傾斜度修正后左將軍柱只有左傾 ；

3）右將軍柱兩測量點間距 ，左比右低（199-197） =2 m m ，前比后低（206-198） = 8 m m ，計算得左傾 、前傾 ，按平臺傾斜度修正后右將軍柱右傾 、前傾 ：

4）尾將軍柱兩測量點間距 ，左右水平，前比后低 （ 2 2 8 - 2 2 6 ） = 2 0 0 1 ，計算得左右水平、前傾 ，按平臺傾斜度修正后尾將軍柱右傾 、前傾 。

由以上測量數(shù)據(jù)可得，左、右及尾三臺吊機將軍柱垂直度偏差均小于設(shè)計要求值 ，更小于吊機設(shè)備商要求值 ，故將軍柱安裝垂直度精度經(jīng)過嚴格的工藝流程控制完全達到要求，也得到船東、船檢高度認可。

6 結(jié)語

該平臺三臺吊機將軍柱改裝項目成功達到預(yù)期目標，實現(xiàn)了船東船廠合作的雙贏。船廠根據(jù)平臺和現(xiàn)場實際的施工條件，不斷討論適用、簡單易操作的工藝流程，為此類改造項目積累了寶貴經(jīng)驗，值得以后借鑒參考。

參考文獻

[1]莊宏昌，周俊楠.將軍柱式平臺吊機安裝要點介紹[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2019，54（3）：142-143.