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        自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)制造誤差控制要點

        2013-09-07 10:36:42胡素芹
        石油礦場機(jī)械 2013年10期
        關(guān)鍵詞:齒條中心線工裝

        楊 豐,胡素芹

        (渤海裝備 遼河重工有限公司,遼寧 盤錦124010)①

        自升式鉆井平臺屬于淺海作業(yè)裝備,因為長時間受到海浪、大風(fēng)、海水腐蝕等惡劣工況的影響,其整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性比一般船舶的要求高[1],在建造過程中的質(zhì)量要求、建造精度更加嚴(yán)格。一般船舶企業(yè)雖然對船舶的精度控制[2]技術(shù)比較成熟,但對大型海洋工程建設(shè)的精度控制仍然難以把握。本文根據(jù)生產(chǎn)過程中的實際情況,就自升式鉆井平臺總體結(jié)構(gòu)部分在建造過程中,應(yīng)注重哪些部位的精度控制,以及如何保證建造精度進(jìn)行了分析和討論。

        1 自升式鉆井平臺結(jié)構(gòu)特點

        自升式鉆井平臺的結(jié)構(gòu)通常為三角形船體,帶有3個三角形桁架樁腿,每個樁腿由下端的樁靴支撐。主船體上有3個圍阱區(qū),每個圍阱區(qū)安裝3套升降鎖緊系統(tǒng),用于平臺的升降。主船體中心線艉部設(shè)有懸臂梁,懸臂梁上安裝有井架(如圖1)。從平臺的整體結(jié)構(gòu)上看,主船體的圍阱區(qū)、樁靴、樁腿、升降鎖緊系統(tǒng)和懸臂梁部分是整個平臺的主要受力結(jié)構(gòu),所以這幾部分結(jié)構(gòu)的制造誤差要作為精度控制的重中之重。本文針對這幾部分在分段建造和分段上船臺合攏階段,在制造誤差控制方面,應(yīng)注意的事項和采取的措施進(jìn)行分析。

        圖1 自升式鉆井平臺的主體結(jié)構(gòu)

        2 分段建造過程中的誤差控制

        2.1 圍阱分段的誤差控制

        自升式鉆井平臺主船體和生活樓的分段建造,與一般船舶分段的建造形式基本一致,而且由于平臺主船體相對于船舶線型簡單,平臺主船體和生活樓分段的建造相對比較簡單。這里除圍阱分段外,其他主船體分段暫不做介紹。

        圍阱分段在上工裝建造前,需在工裝區(qū)域的地面上畫出地樣線,地樣線包括:分段輪廓線、圍阱十字中心線、圍阱圓筒壁輪廓線。因圍阱分段較大,圓筒直徑一般在13~20m,圓筒內(nèi)部沒有結(jié)構(gòu),所以整個分段在建造過程中容易產(chǎn)生變形[3](如圖2)。圍阱分段在生產(chǎn)設(shè)計過程中可劃分為2個或3個小分段[4],以便于建造和控制分段變形。若沒有劃分為多個分段而進(jìn)行整體建造,外底板上胎拼板時,工裝應(yīng)根據(jù)實際情況加反變形量,安裝外底板骨架時縱向和橫向加放適當(dāng)?shù)暮附邮湛s量,避免受焊接熱量和應(yīng)力的影響導(dǎo)致底板上翹,或者分段整體結(jié)構(gòu)尺寸變小。

        圍阱壁的制造要在專門的工裝上進(jìn)行,用以保證圍阱壁的半徑尺寸。圍阱壁上分段組裝時,要制造專門的模板胎,以控制圍阱壁與地樣線更好的對位,圍阱壁焊接時,要實時監(jiān)控圍阱壁與地樣線的誤差,產(chǎn)生誤差及時調(diào)整。

        圍阱分段在總組完成后,焊前和焊后都要對分段的主尺度、舷側(cè)外板垂直度、尤其是圍阱壁的精度進(jìn)行測量[5]。測量圍阱壁時,應(yīng)在上下口對應(yīng)處多取幾個測量點,測量的數(shù)據(jù)包括:圍阱壁上下口各測量點到圍阱地樣中心點的半徑、圍阱壁上下口的垂直度。

        圖2 圍阱結(jié)構(gòu)

        2.2 樁靴分段的誤差控制

        樁靴應(yīng)在專門設(shè)計的工裝上建造,為保證樁靴的建造精度,控制好樁靴工裝是第一步。工裝整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要牢固,并與地面連接固定。胎面的型值高度及工裝立柱的垂直度誤差一般控制在0.5~1.0mm,并且需交驗合格后方可使用。樁靴上胎前,在工裝底部需畫出地樣線(如圖3),包括:樁靴輪廓線、樁靴中心點、120°主立板理論線,此三樣地樣線一定要保證精確,并且交驗合格。樁靴外圍壁需在同一高度畫出一圈腰線,做為樁靴水平度的測量點。

        圖3 樁靴工裝底部的地樣線

        樁靴在整個建造過程中,要實時監(jiān)控上下中心圓板中心點與地樣中心點的誤差、120°主立板與地樣線的誤差、120°主立板垂直度、樁靴腰線水平度誤差,誤差過大應(yīng)及時調(diào)整。只要能夠控制住以上幾個要素在公差范圍之內(nèi),就能保證在后續(xù)的船體合攏階段滿足樁靴與樁腿合攏的各項參數(shù)要求。

        2.3 樁腿分段的誤差控制

        目前樁腿分段的制造通常都是分為:單根齒條板接長、樁腿單片分段的制造、樁腿分段總組3個工藝步驟進(jìn)行。

        2.3.1 單根齒條板接長

        齒條接長時需在專門設(shè)計的工裝上進(jìn)行。在接長的焊接過程中要嚴(yán)格按照相應(yīng)的 WPS進(jìn)行,并實時監(jiān)控齒條板的拱高、旁彎、合攏口相鄰兩齒的間距(如圖4),尤其是合攏口相鄰兩齒的各項誤差數(shù)據(jù)要及時觀察,發(fā)生誤差及時采用平三套拉、千斤頂頂?shù)确椒皶r調(diào)整。

        圖4 齒條對接的誤差測量點

        2.3.2 單片制造

        每個樁腿分段通常分3個單片單獨制造,單片需在專門設(shè)計的工裝上制造,工裝底部需畫出地樣線(如圖5),包括:齒條板中心線、水平管中心線。在組裝和焊接過程中,要實時監(jiān)控齒條板的拱高、旁彎、角度、水平管的水平度、水平管間距、水平管長度、水平管與地樣線誤差、齒條板中心線與地樣線誤差,發(fā)現(xiàn)誤差及時調(diào)整。

        圖5 樁腿分段單片的地樣線

        2.3.3 樁腿分段總組裝

        樁腿分段的總組裝是在專門設(shè)計的工裝上,將3個單片組裝成一個樁腿分段(如圖6)。工裝底部需畫出地樣線,包括:3根齒條板的中心線、齒條板合攏口第1齒中心線。在焊接前,考慮到總組裝時焊接收縮量較大,要根據(jù)各施工隊伍的施工經(jīng)驗,3個單片分段之間要留焊接間隙,避免焊后分段整體尺寸變小。在焊接過程中,要實時監(jiān)控齒條板的拱高、旁彎、3根齒條板之間的距離、齒條板中心線與地樣線的誤差、齒條板合攏口第1齒中心線與地樣誤差、齒條板合攏口第1齒中心線同面度,發(fā)現(xiàn)誤差及時調(diào)整。

        圖6 組裝后的樁腿分段

        2.4 升降鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的誤差控制

        升降鎖緊系統(tǒng)上安裝有用于與樁腿齒條板嚙合的升降齒輪,升降鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建造精度直接影響平臺是否能夠順利的升降。升降鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制造分為:升降結(jié)構(gòu)制造、鎖緊結(jié)構(gòu)制造和升降鎖緊結(jié)構(gòu)預(yù)合攏3個步驟。

        2.4.1 升降結(jié)構(gòu)

        升降結(jié)構(gòu)的制造需在專門設(shè)計的工裝上進(jìn)行。因升降結(jié)構(gòu)板材厚度大,焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力較大,所以工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工裝與地面的連接要牢固,防止焊接應(yīng)力過大將工裝拉伸變形,影響升降結(jié)構(gòu)的制造精度。工裝上表面水平度公差應(yīng)在0.5~1.0mm,交驗合格后方可使用。升降結(jié)構(gòu)在制造過程中,外板要與工裝焊死,防止焊接應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上翹變形。在安裝內(nèi)部格板時,應(yīng)在縱向和橫向加放焊接收縮量,防止焊接收縮導(dǎo)致整體尺寸變小。升降結(jié)構(gòu)側(cè)面外圍要畫一圈腰線(如圖7),便于測量分段水平度和便于鎖緊基礎(chǔ)對接。

        圖7 升降結(jié)構(gòu)

        2.4.2 鎖緊結(jié)構(gòu)

        鎖緊結(jié)構(gòu)的制造也需在專門設(shè)計的工裝上進(jìn)行,工裝的強(qiáng)度要求與升降結(jié)構(gòu)要求相同,必須穩(wěn)固牢靠,并且工裝高度與升降結(jié)構(gòu)工裝相同。這樣便于升降和鎖緊結(jié)構(gòu)預(yù)合攏,更加容易保證預(yù)合攏的精度。鎖緊結(jié)構(gòu)側(cè)面外圍也需畫出腰線,腰線高度與升降結(jié)構(gòu)腰線需在同一高度(如圖8)。鎖緊結(jié)構(gòu)在制造過程中,外板與工裝也要焊牢,并且在安裝內(nèi)部格板時,縱向和橫向加放焊接收縮量。

        圖8 鎖緊結(jié)構(gòu)

        2.4.3 升降鎖緊結(jié)構(gòu)預(yù)合攏

        升降鎖緊結(jié)構(gòu)預(yù)合攏時可重復(fù)利用原有的2個分段制造工裝,只需將兩個工裝組合在一起便可。預(yù)合攏前要重新復(fù)查組合工裝的水平度,滿足公差要求后方可使用。預(yù)合攏焊接合攏口時,要實時監(jiān)控升降鎖緊結(jié)構(gòu)的中心線直線度、腰線直線度、合攏口相鄰結(jié)構(gòu)間距,發(fā)現(xiàn)誤差,及時調(diào)整。只要嚴(yán)格控制住這3項誤差,就能夠完好的保證預(yù)合攏的精度。

        2.5 懸臂梁的誤差控制

        懸臂梁是整個鉆井模塊的承重結(jié)構(gòu),懸臂梁上的鉆臺基座與上方的鉆臺底座相連,懸臂梁的兩個主立板可在主甲板上的軌道內(nèi)滑移(如圖9)。懸臂梁的兩個主立板、鉆臺基座、管支架堆場等結(jié)構(gòu)基本都是由大型的工字梁總成。所以,在懸臂梁的小組過程中,要嚴(yán)格控制大型工字梁的制造精度。工字梁制造時,要實時監(jiān)控工字梁上下面板水平度、旁彎、腹板垂直度。懸臂梁總組時,要嚴(yán)格控制兩個主立板之間的間距、主立板下面板的水平度和直線度。懸臂梁制造完成后,因主立板之間跨距大(通常在15~20m),在兩個主立板之間需用大型工字鋼等型材作為背梁加以連接固定,防止分段制造完成后長時間擺放,造成兩主立板因重力向外側(cè)偏離變形。嚴(yán)格控制住主立板的精度,就能保證懸臂梁在以后向主甲板滑移,或者吊裝上主甲板時,與滑移軌道完好的結(jié)合。

        圖9 懸臂梁

        3 分段合攏的誤差控制

        一般船舶建造的合攏順序通常為由下向上,由船中向首艉兩側(cè)呈塔式進(jìn)行合攏[6]。自升式鉆井平臺的分段合攏順序與普通的船舶不同,平臺是以3個樁靴所處的位置為基準(zhǔn),進(jìn)行分段合攏。因為樁靴定位準(zhǔn)確與否直接影響平臺在作業(yè)時的穩(wěn)性。自升式鉆井平臺主要結(jié)構(gòu)的分段合攏順序為:樁靴—圍阱分段—其他主船體分段—樁腿—升降鎖緊結(jié)構(gòu)—生活樓分段—懸臂梁。

        其中一般的主船體分段、生活樓分段的合攏定位方式與一般船舶分段的定位方式類似,大多數(shù)的施工單位都能熟練掌握。懸臂梁的合攏一般是通過整體吊裝上主甲板,與主甲板上的軌道咬合;或者是在平臺下水后,在陸地上搭設(shè)與主甲板軌道平行滑移工裝,將懸臂梁整體滑移到主甲板軌道上,因有軌道作為懸臂梁的定位依托,所以懸臂梁的合攏定位相對容易。

        根據(jù)自升式鉆井平臺的特點和從實際工作中來看,平臺分段合攏過程中最復(fù)雜和最關(guān)鍵的是進(jìn)行樁靴、樁腿和升降鎖緊結(jié)構(gòu)這3大結(jié)構(gòu)的定位,只有保證這三者的定位精度,才是確保整個平臺穩(wěn)定與升降作業(yè)順暢的關(guān)鍵所在。這3大結(jié)構(gòu)在合攏定位過程中,要相互參照、相互做為定位依據(jù)。下面就針對這3大結(jié)構(gòu)的合攏定位時的精度控制進(jìn)行分析。

        3.1 樁靴定位精度控制

        分段上船臺合攏前,船臺表面應(yīng)畫出船臺合攏地樣線,并交驗合格。樁靴以地樣線為基準(zhǔn),將樁靴中心點、120°立板與地樣線對位,并調(diào)整樁靴水平(樁靴船臺定位地樣線如圖10)。為防止定位好的樁靴位置發(fā)生變化而影響定位精度,在樁靴上船臺合攏前,可在樁靴底部鋪設(shè)大面積厚度較大的鋼板,鋼板與船臺地筋焊接牢固,在樁靴和鋼板之間用工字鋼等型材連接焊牢,對樁靴進(jìn)行封固。

        圖10 樁靴組裝的地樣線

        3.2 樁腿定位精度控制

        樁腿與樁靴連接,一般在平臺下水前只安裝2~3節(jié),可在安裝升降鎖緊結(jié)構(gòu)前安裝,也可在安裝升降鎖緊結(jié)構(gòu)后安裝,具體工序可根據(jù)各施工單位工藝要求而定。樁腿合攏定位時,將樁腿3個主弦管中心點與地樣對位、3根主弦管齒條板中心線與樁靴120°立板中心線對位,對正后調(diào)整樁腿垂直度。測量樁腿垂直度時,要在樁腿上合攏口和下合攏口的每個齒條板上,至少各取5齒作為垂直度測量點。樁腿的定位精度調(diào)整好后,需將樁腿和主船體用工裝封固,并且樁靴也需用工裝與主船體封固,防止焊接樁腿與樁靴的合攏口時,因焊接應(yīng)力導(dǎo)致樁腿和樁靴定位尺寸發(fā)生變化,影響合攏精度。

        3.3 升降鎖緊結(jié)構(gòu)定位精度控制

        升降鎖緊結(jié)構(gòu)的合攏定位,最主要的是在主船體各層甲板上畫出升降鎖緊結(jié)構(gòu)的定位中心線,中心線要與樁腿主弦管中心線精確對位,否則直接影響升降系統(tǒng)齒輪與樁腿齒條板的嚙合程度(如圖11)。目前主要有2種畫線方法。

        圖11 升降鎖緊結(jié)構(gòu)的定位中心線

        1) 方法一 以樁靴頂部圓板中心點為基準(zhǔn)點,利用經(jīng)緯儀將3條120°地樣線分別反到主甲板上,做為升降鎖緊結(jié)構(gòu)中心線。然后用經(jīng)緯儀將中心線轉(zhuǎn)向90°,畫出升降鎖緊結(jié)構(gòu)的腰線。

        2) 方法二 以樁腿3個齒條板端頭中心點的地樣線為基準(zhǔn)點,利用經(jīng)緯儀在相臨兩點拉直線,然后旋轉(zhuǎn)120°將120°地樣線反到甲板上作為基礎(chǔ)定位的中心線。然后用經(jīng)緯儀將中心線轉(zhuǎn)向90°,畫出升降鎖緊結(jié)構(gòu)的腰線。最后再以樁靴蓋板上的中心點為基準(zhǔn)點,利用經(jīng)緯儀校驗甲板上的3條120°中心線,做為參考。

        方法一操作步驟相對較少,但是容易因樁靴分段的建造精度誤差(即樁靴中心點存在誤差),形成累積誤差,使升降鎖緊結(jié)構(gòu)中心線產(chǎn)生誤差現(xiàn)象。方法二雖然步驟更加繁瑣,但能保證精度。

        畫出升降鎖緊結(jié)構(gòu)的定位中心線和腰線后,進(jìn)行升降鎖緊結(jié)構(gòu)合攏定位,然后再測量升降鎖緊結(jié)構(gòu)上的中心線和腰線的直線度和垂直度。測量數(shù)據(jù)滿足精度要求后,將升降鎖緊基礎(chǔ)用工裝與主船體封固,防止在焊接過程中產(chǎn)生變形或移位。

        4 結(jié)論

        1) 自升式鉆井平臺工況惡劣,對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求高,其制造精度比一般船舶要高。

        2) 采用本文的方法,可以更好地控制自升式鉆井平臺的制造誤差,提高平臺的建造精度。

        3) 一艘平臺的整體精度還與焊接質(zhì)量、測量工具、施工人員水平等有直接的關(guān)系。在實際的工作中需加強(qiáng)各個施工環(huán)節(jié)的管理、完善施工工藝、減少建造過程中的累積誤差,才能建造出合格的平臺。

        [1]史永晉,劉 旭,趙澤茂.自存工況下自升式平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].石油礦場機(jī)械,2011,40(3):15-21.

        [2]CB/T4000—2005,中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

        [3]丁振斌,朱元偉,王 波,等.大型復(fù)雜船體分段焊接變形研究[J].中國艦船研究,2011,6(3):79-82.

        [4]鐘宏才,向 東,譚家華.船體分段劃分方法研究概述[J].造船技術(shù),2002(02):1-4.

        [5]郭一鳴,殷義勇,盛建國.船體建造精度控制測量方法研究[C]//2011中國造船工程學(xué)會造船工藝學(xué)術(shù)委員會造船企業(yè)精益生產(chǎn)學(xué)術(shù)研討會論文集,2011:12-18.

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