黃曉雪，沈盼

（1.渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125105；2.盤錦凱瑞能源有限公司，遼寧盤錦124000）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會對能源的需求逐步上升。人類對石油的開采正逐步轉(zhuǎn)向海洋，海上石油鉆井平臺就應(yīng)運(yùn)而生。

海上石油鉆井平臺主要分為移動式平臺和固定式平臺兩大類。自升式鉆井平臺是移動式平臺中很重要的一種，由平臺、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，能沿樁腿升降，無自航能力。平臺甲板上安裝鉆機(jī)、其他機(jī)械設(shè)備和生活設(shè)施。平臺樁腿下部結(jié)構(gòu)視海底承載能力的不同分沉墊和插入式兩種。樁腿周圍裝升降系統(tǒng)，主要有液壓或電動齒輪齒條式，工作時樁腿下放插入海底，平臺被抬起到離開海面的安全工作高度，并對樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證平臺遇到風(fēng)暴時樁腿不致下陷。完井后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個平臺浮于海面，由拖輪拖到新的井位。

本文以某型自升式鉆井平臺為例，介紹其結(jié)構(gòu)形式和精度控制要點(diǎn)，并為其他大型設(shè)備的安裝提供了一定的參考。

該平臺為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)，主要由主船體、圍阱區(qū)、樁腿與樁靴、升降與鎖緊上下基礎(chǔ)、懸臂梁等結(jié)構(gòu)組成。船體為近似三角形箱體平底結(jié)構(gòu)，帶有3個三角形桁架樁腿，樁腿下端為樁靴，站立狀態(tài)時，船體負(fù)荷通過齒條鎖緊機(jī)構(gòu)傳遞到3個下端帶樁靴的三角形桁架式樁腿上。上層建筑設(shè)在平臺艏部，在上層建筑前端設(shè)有直升飛機(jī)平臺。

1 主船體結(jié)構(gòu)形式及精度控制

平臺船體采用近似三角形箱體結(jié)構(gòu)，由連續(xù)縱艙壁和橫艙壁把箱型平臺主體劃分成若干個水密艙。針對平臺的受力特點(diǎn)，對3個圍阱區(qū)結(jié)構(gòu)、懸臂梁支撐處等位置進(jìn)行了特別加強(qiáng)。左右距舯9米左右的兩道連續(xù)縱艙壁與連續(xù)橫艙壁及雙層底、主甲板構(gòu)成主受力框架。平臺船體甲板、船底、舷側(cè)、縱艙壁均為平面板架結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同區(qū)域和不同的載荷要求，可設(shè)計為橫骨架式或縱骨架式結(jié)構(gòu)。舷側(cè)外板和船底板之間的連接采用直角連接。用于在海上干拖時緊固的凹形加強(qiáng)箱體、楔塊、拖航肘板等處的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行足夠的加強(qiáng)。

主船體區(qū)域精度控制包括分段和合攏兩個階段，分段建造時按照“下料—小組—中組—大組”的順序，不同階段采用不同程度的監(jiān)控方式進(jìn)行，管理重點(diǎn)是甲板、舷側(cè)外板、內(nèi)外底板等平面結(jié)構(gòu)的平整度、垂直度和尺寸。按照生產(chǎn)設(shè)計圖紙中給定的補(bǔ)償量和余量，監(jiān)控每一條焊縫的收縮情況，保證分段整體尺寸在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。甲板對于平臺是最重要的使用區(qū)域，特別是懸臂梁導(dǎo)軌安裝區(qū)域的水平度控制是平臺建造過程中控制的重點(diǎn)與難點(diǎn)，從分段到合攏甲板水平度要做好整體規(guī)劃，合攏時最好使用全站儀等高精度測量儀器，嚴(yán)格控制中間甲板區(qū)域的水平值，在保證導(dǎo)軌安裝區(qū)域水平的同時還要考慮積水問題，盡量使中間甲板稍微高于周邊甲板，以便于甲板排水。主船體精度公差標(biāo)準(zhǔn)為：長度±4 mm，寬度±4 mm，同面度±3 mm，水平度±4 mm，對角線±2 mm。

2 圍阱區(qū)結(jié)構(gòu)形式及精度控制

平臺主體在艉部設(shè)置兩個圍阱區(qū)，在艏部設(shè)置一個圍阱區(qū)。圍阱區(qū)結(jié)構(gòu)是平臺主體與樁腿連接的主要受力區(qū)域，通過升降和鎖緊裝置支撐結(jié)構(gòu)與船體縱橫向艙壁連接，使載荷合理地傳到主體各區(qū)域。圍阱區(qū)結(jié)構(gòu)是根據(jù)升降、鎖緊系統(tǒng)對船體的要求，以保持力的良好傳遞為原則進(jìn)行設(shè)計。平臺采用電動齒輪齒條升降系統(tǒng)及鎖緊裝置，圍阱區(qū)結(jié)構(gòu)與齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式匹配，同時結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

每個圍阱區(qū)域一般劃分為3個分段進(jìn)行建造，由于圍阱分段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼材等級高，板厚多變，焊接變形大，精度控制要嚴(yán)格于主船體分段。主要控制點(diǎn)為圍阱的半徑和升降基礎(chǔ)安裝區(qū)域的尺寸，圍阱半徑在焊前裝配時要充分考慮焊接收縮情況，通常要比理論值大些，以保證焊后半徑尺寸不小于理論值；由于升降基礎(chǔ)是連接樁腿和主船體的關(guān)鍵部位，受力情況復(fù)雜，在分段建造過程中要嚴(yán)格控制該區(qū)域的尺寸和結(jié)構(gòu)位置，保證基礎(chǔ)加強(qiáng)構(gòu)件的平直度，減少合攏時構(gòu)件彎曲帶來的內(nèi)應(yīng)力，才能保證該區(qū)域結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。

3 樁腿結(jié)構(gòu)形式及精度控制

樁腿是鉆井平臺重要的部件，3個三角形橫截面的樁腿長度167.0 m（含樁靴），截面為三角形桁架式結(jié)構(gòu)。樁腿由齒條弦管、斜拉筋與水平拉筋組成。樁腿所有弦管為水密結(jié)構(gòu)，其試驗壓頭應(yīng)相當(dāng)于鉆井平臺最大工作水深下弦管所受的最大壓力。樁腿的3個齒條板與樁靴3個120°桁材焊接，設(shè)置肘板過渡，保持力的良好傳遞。樁腿進(jìn)行一般拖航狀態(tài)和風(fēng)暴拖航狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

樁腿建造過程分為齒條預(yù)制、齒條接長、單片預(yù)制、樁腿總組、樁腿合攏等幾個階段。作為精度要求最高的結(jié)構(gòu)，在整個樁腿建造過程中都要嚴(yán)格控制精度，各階段有各自的控制要點(diǎn)和公差范圍。

齒條預(yù)制主要控制單片齒條的平面度、拱度、扭曲、長度、齒寬、齒厚等內(nèi)容，精度公差標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 齒條預(yù)制精度公差標(biāo)準(zhǔn)

齒條接長即將3根檢驗合格的齒條吊裝至接長胎架上，按照優(yōu)化組合數(shù)據(jù)進(jìn)行對接，焊接過程當(dāng)中，精度控制人員對齒條的拱高、直線度、齒間距進(jìn)行全天候24小時監(jiān)控，待焊接結(jié)束后對齒條進(jìn)行整體焊后檢測。精度公差標(biāo)準(zhǔn)為：直線度29齒0～5 mm，對接齒間距±1.5 mm，拱高32齒0～3 mm。

齒條單片是將已對接完畢的齒條放置于齒條單片胎架上，檢測人員主要對齒條單片的直線度、角度、拱高、水平管間距進(jìn)行準(zhǔn)確的測量并做好數(shù)據(jù)記錄，焊接過程中檢測人員用經(jīng)緯儀、象限儀對單片的直線度、角度進(jìn)行全程監(jiān)控測量。

樁腿總組即將3個已經(jīng)制作好的單片按照要求角度放置于總組胎架上。總組分段為桁架式結(jié)構(gòu)，檢測人員主要對樁腿的水平度、直線度、三角數(shù)據(jù)、同面度等進(jìn)行檢測，對焊接過程進(jìn)行全程監(jiān)控。精度公差標(biāo)準(zhǔn)為：水平度8齒±1.5 mm，直線度32齒±1.5 mm，齒條板間距±3 mm，同面度±1 mm，角度±0.25°。

樁腿合攏即檢測人員在樁腿定位過程當(dāng)中使用經(jīng)緯儀對整個樁腿的傾斜度進(jìn)行監(jiān)控測量，檢測上下合攏口的齒距、拱高及直線度。焊接過程中檢測人員需進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)控，即時測量樁腿的傾斜度。精度公差標(biāo)準(zhǔn)為：拱高±1.5 mm，直線度±1.5 mm，齒間距±2 mm。

4 樁靴結(jié)構(gòu)形式及精度控制

本平臺樁靴上下表面均為直徑17 800 mm，近似圓錐臺形，樁靴高度5 945 mm，根據(jù)其受力特點(diǎn)，內(nèi)部為72道輻射結(jié)構(gòu)，其中3道呈相互120度布置的非水密艙壁與樁腿3個齒條板焊接，其它為角鋼或桁材。與樁靴同心圓半徑分別于2 438 mm、4 572 mm、6 801 mm、8 900 mm處設(shè)四道環(huán)形非水密艙壁。樁靴底部是水密的，頂部有一個立管，用于樁靴浸沒在水下時海水可以自由進(jìn)出。對于平臺結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的部位，即樁腿與樁靴的相交處，除采用規(guī)范允許的結(jié)構(gòu)材料外，還要提出特別的焊接要求。每一個樁靴頂部有人孔蓋，樁靴內(nèi)部設(shè)直梯，便于維修時人員出入。樁靴與其樁腿相連接部位的所有全焊透焊縫、樁靴，根據(jù)受力特點(diǎn)，在最不利荷載組合下進(jìn)行規(guī)范強(qiáng)度計算和有限元強(qiáng)度計算，并給出腐蝕余量。

樁靴建造過程中精度控制的重點(diǎn)是和齒條板相連接的3塊120°板的角度和垂直度，從地面放樣、外底板劃線、120°板裝配、到整體焊后都要嚴(yán)格控制3塊120°板與地樣線的重合度，誤差在1.5 mm以內(nèi)。在中心圓桶裝配后要把120°線放樣到圓桶頂部和側(cè)面，用來保證120°板的同面度。其余內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配公差與主船體分段要求一致，按照外底板理論線進(jìn)行裝配保證結(jié)構(gòu)垂直度即可。

5 懸臂梁結(jié)構(gòu)形式及精度控制

懸臂梁采用液壓移動系統(tǒng)，在主甲板上可以進(jìn)行前后移動，懸臂梁（以轉(zhuǎn)盤中心為基準(zhǔn)）最大外伸22.5 m。懸臂梁結(jié)構(gòu)為箱型結(jié)構(gòu)，主要由懸臂梁箱體、基座、鎖緊機(jī)構(gòu)、液壓缸移動系統(tǒng)等組成，懸臂梁在任何位置都能夠被移動和固定。設(shè)計安裝懸臂梁前端HOLDDOWN和平臺艉部PUSH-UP結(jié)構(gòu)，以便能夠支撐技術(shù)規(guī)格書給出的最大鉆井載荷。懸臂梁箱體由兩道強(qiáng)縱向外壁、懸臂梁下底板、懸臂梁中間甲板和懸臂梁上堆場甲板及前后封閉外壁組成。懸臂梁箱體內(nèi)分為上下兩層，下層底板上布置有固井區(qū)、BOP控制區(qū)、泥漿處理區(qū)、防噴器存放區(qū)、防噴器試壓區(qū)、防噴器安裝移動區(qū)和污染泄放收集柜，底部甲板在防噴器安裝區(qū)域為開式結(jié)構(gòu)。中間甲板布置有泥漿處理區(qū)、泥漿化驗室、鉆臺懸臂梁配電間、會議室、儲物區(qū)等。懸臂梁上層甲板設(shè)有32.6 m長、18.95 m寬的管架排放區(qū)，安裝有可移式排管器支柱。其上布置了排管器、關(guān)節(jié)吊等管子處理設(shè)施。

懸臂梁區(qū)域精度控制重點(diǎn)分為基座、懸臂梁主體、鉆臺三大部分。

基座安裝于主甲板上，每邊各有4個，另外還有夾緊裝置、液壓移動裝置底座等結(jié)構(gòu)。該部分結(jié)構(gòu)在預(yù)制時要控制好基座工作面的平面度和兩側(cè)立板的垂直度，標(biāo)準(zhǔn)在1 mm以內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)板較厚，尺寸小，單位面積內(nèi)焊接量大，在結(jié)構(gòu)裝配焊接時要規(guī)劃好先后順序，以減小焊接變形。基座合攏時控制各基座的共同水平度、中心直線度以及兩側(cè)基座的間距，使水平度誤差范圍在2 mm以內(nèi)，中心直線度和間距誤差在1.5 mm以內(nèi)。焊接過程中實時監(jiān)控，如有數(shù)據(jù)超差，及時調(diào)整，保證焊后該區(qū)域結(jié)構(gòu)整體水平度和間距在標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)。

懸臂梁主體精度控制的重點(diǎn)為大梁、滑臂和鉆臺底座。兩側(cè)大梁是和基座直接接觸的構(gòu)件，其下面板厚度大，不易校正，面板的對接水平度要實時監(jiān)控，及時調(diào)整，保證水平度在允許公差范圍內(nèi)。大梁合攏時，要保證兩條大梁的直線度、共同水平度和間距，誤差要小于基座的合攏誤差，才能保證懸臂梁順利滑移?；凼前惭b在大梁內(nèi)側(cè)的帶圓孔長鋼板，孔間距和滑臂整體直線度是控制重點(diǎn)。鉆臺底座是鉆臺在懸臂梁上左右滑移的基礎(chǔ)，主要控制點(diǎn)為兩根工字梁的整體水平度和間距。精度公差標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 懸臂梁主體精度公差標(biāo)準(zhǔn)

鉆臺建造時，首先根據(jù)工藝給出的鉆臺工字鋼胎架圖制作胎架，鉆臺工字鋼的面板以及肘板在已完成的水平胎架上進(jìn)行制作，鉆臺工字鋼制作過程中，檢測人員需用經(jīng)緯儀和水平儀對懸臂梁的面板及翼板進(jìn)行平面度、直線度及拱高的檢測，用盤尺和拉力器測量鉆臺工字鋼的長、寬、高等數(shù)據(jù)。其余結(jié)構(gòu)安裝時盡量對稱布置，減少鉆臺重心偏離型心的距離，增加其穩(wěn)定性。精度公差標(biāo)準(zhǔn)為平面度±1.5 mm，長度±4 mm，直線度±1.5 mm，高度±2 mm。

6 上層建筑結(jié)構(gòu)形式及精度控制

上層建筑位于平臺的艏部，采用“V”型設(shè)計，共分為5層，第一層高3.20 m，第二層為3.35 m，第三層到第四層均為3.20 m，第五層高為3.35 m。上層建筑外部圍板采用壓制波紋板建造，具體尺寸、形狀和材料按照合同圖紙要求進(jìn)行設(shè)計，并在承受較大作用力的區(qū)域局部加強(qiáng)，滿足使用及強(qiáng)度要求。

上建分段鋼板比較薄，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，焊接變形大，在建造過程中要做好反變形的加放和焊接變形的控制工作。在合攏口處要用槽鋼或者工字鋼作為背梁進(jìn)行加固，內(nèi)部加斜撐和水平支撐，防止托運(yùn)、翻身時變形。該船上建圍壁采用壓制波紋板，減少了圍壁平整度的工作。該區(qū)域分段精度控制的重點(diǎn)是各層甲板的平整度，在分段建造時要做好甲板面的防護(hù)，減少不必要的甲板面焊接作業(yè)，在甲板面上焊接型材時要對稱勻速進(jìn)行，以減少包谷的產(chǎn)生。上建分段精度標(biāo)準(zhǔn)與主船體分段標(biāo)準(zhǔn)相同。

7 升降、鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及精度控制

本平臺采用電動齒輪齒條升降系統(tǒng)，配備27套升降單元、3個馬達(dá)控制柜、3個樁邊控制臺和1個升降集控臺。每套升降單元由升降小齒輪、變速箱、電機(jī)和剎車裝置組成。升降單元安裝在樁腿圍阱和主甲板的上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。通過升降電機(jī)、減速箱帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，升降小齒輪與樁腿齒條嚙合，小齒輪不同方向的旋轉(zhuǎn)帶動平臺升降。升降基礎(chǔ)與升降裝置的安裝，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求，保證樁腿與導(dǎo)向塊和升降齒輪的安裝公差。在安裝過程中，應(yīng)不斷校驗導(dǎo)向塊與樁腿的公差，并按照要求進(jìn)行調(diào)試和全船升降試驗。根據(jù)胎架圖制作升降基礎(chǔ)胎架，按照升降基礎(chǔ)的形狀制作箱型胎架，精度公差標(biāo)準(zhǔn)為胎架中心線±0.5 mm，胎架上端面平面度±0.5 mm，胎架水平線±1 mm。

升降基礎(chǔ)制作即以前面板為基準(zhǔn)劃出結(jié)構(gòu)線，檢測人員對結(jié)構(gòu)線數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝配并對每一道工序進(jìn)行全程監(jiān)控、即時測量，并整理測量數(shù)據(jù)。升降基礎(chǔ)制作時要嚴(yán)格控制平整度和收縮量，必須按照焊接工藝進(jìn)行焊接，精度公差標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 升降基礎(chǔ)精度公差標(biāo)準(zhǔn)

在上下基礎(chǔ)整體制作完工之后還需進(jìn)行機(jī)加工，再進(jìn)行上下基礎(chǔ)預(yù)合攏，預(yù)合攏過程中，檢測人員需對上下基礎(chǔ)的水平精度、腰線進(jìn)行全程監(jiān)控，保證腰線的水平精度。精度公差標(biāo)準(zhǔn)為：腰線水平±1 mm，整體水平±4 mm，長度±3 mm，寬度±3 mm，高度±2 mm。

升降系統(tǒng)在船上合攏前，檢測人員需把齒條中心線用經(jīng)緯儀引到主甲板上，依照齒條中心線劃出升降系統(tǒng)開幅線，按照開幅圖紙及公差范圍測量對角度、直線度、長度、寬度等數(shù)據(jù)。升降系統(tǒng)上船合攏時，檢測人員應(yīng)對120°中心線、腰線、水平數(shù)據(jù)、三角數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，合攏焊接時，需對升降系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)進(jìn)行全程監(jiān)控。精度公差標(biāo)準(zhǔn)為中心線±2 mm，腰線±2 mm，水平數(shù)據(jù)和三角數(shù)據(jù)±2 mm。

8 結(jié)語

隨著科技進(jìn)步，精度測量手段也在不斷革新，例如全站儀和精度測量軟件的使用，使得精度測量更加便捷、精準(zhǔn)。鉆井平臺精度要求高，造價昂貴，采用先進(jìn)的精度管理手段不但能提高建造質(zhì)量，更能縮短建造周期。在高精度測量儀器和軟件的影響下，無余量造船也更加容易實現(xiàn)，鉆井平臺多為平直結(jié)構(gòu)，充分考慮焊接收縮量，可以做到100%補(bǔ)償量代替余量，可以大大縮短船臺合攏周期，為船廠節(jié)約生產(chǎn)成本。

[1]陳建強(qiáng),王建會,李明海,等.自升式鉆井平臺插樁深度探析[J].海岸工程,2011(1):18-21.

[2]郭榮奎,秦耀良,唐建瓊.船體建造精度控制技術(shù)研究[J].江蘇船舶,2008(2):41+44.

[3]許融明,楊港,趙任張.造船精度管理[J].船舶工程,2010(S1):8-11.

[4]龐慶,孫益國,陳瑾旭.海洋平臺建造中的結(jié)構(gòu)有限元分析[J].石油化工建設(shè),2011(6):55-56.