江齊鋒, 周長江 ， 顧 瑾

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司, 廣州 510725 ； 2.上海熔圣船舶海洋工程技術(shù)有限公司, 上海 200444；3.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

深水鉆井船鉆井模塊建造技術(shù)研究

江齊鋒1, 周長江2， 顧 瑾3

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司, 廣州 510725 ； 2.上海熔圣船舶海洋工程技術(shù)有限公司, 上海 200444；3.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

針對“大連開拓者號”鉆井船的鉆井模塊設(shè)計(jì)、建造、安裝過程中所涉及的生產(chǎn)流程、精度控制、吊裝索具配置等問題進(jìn)行了深入研究，對該模塊的設(shè)計(jì)與建造流程進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維模擬，對模塊進(jìn)行合理有效的分段劃分，依據(jù)該模塊的特點(diǎn)針對性地編制建造方案，以保證模塊建造的關(guān)鍵點(diǎn)可控。加強(qiáng)對模塊現(xiàn)場施工的技術(shù)支持和重點(diǎn)控制，同時(shí)，提出切實(shí)可行的精度控制工藝方法。

鉆井船；模塊建造；精度控制；工藝方法

0 引言

“大連開拓者”號深水鉆井船全長約290 m，型寬50 m，儲量為100萬桶原油，它可在3 000 m的水中作業(yè)，鉆井深度近萬米，船上裝有世界最先進(jìn)的DP-3全方位動(dòng)力定位系統(tǒng)，可以保證船體在12級臺風(fēng)的惡劣海況下平穩(wěn)運(yùn)行。其上鉆井模塊是為滿足在規(guī)范允許的惡劣海況下仍能平穩(wěn)作業(yè)而服務(wù)的，大量采用厚板(最厚板達(dá)100 mm)和高強(qiáng)鋼(EH420、FH、FHZ)，對模塊的建造技術(shù)和施工工藝提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1 鉆井模塊組成及功能介紹

鉆井模塊是鉆井船的核心模塊，鉆井平臺最終依靠鉆井模塊實(shí)現(xiàn)其鉆井功能，鉆井模塊是整個(gè)鉆井平臺精度要求最高、建造難度最大的模塊。

1.1 模塊的組成

鉆井模塊由兩部分組成，即鉆臺(Drill Floor)和鉆井架(Derrick)。鉆臺為鉆井架的支撐座，并與船體相連，鉆井架為鉆井設(shè)備的支撐裝置，通過法蘭與井架基座相連并與鉆臺甲板焊接為一體，鉆井模塊三維模型如圖1所示，上部分為井架結(jié)構(gòu)，下部分為鉆臺結(jié)構(gòu)。

1.1.1 鉆臺結(jié)構(gòu)

該區(qū)域是全船的核心區(qū)，位于月池上方，材質(zhì)特殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求較高，平臺上方布滿與鉆井相關(guān)的設(shè)備，鉆井設(shè)備布置如圖2所示。

圖1 鉆井模塊三維模型

圖2 鉆井設(shè)備布置圖

圖3 鉆井架布置圖

鉆臺結(jié)構(gòu)由四個(gè)主腿加平臺組成，主平臺高度距離甲板面19 m，次梁懸浮于主梁中間。平臺上方左舷布置兩層絞車平臺，右舷為死繩限位器平臺，尾部為管匯平臺，主平臺四周用槽型壁圍堵，僅首部有一開口用作輸管器通道；左右舷側(cè)為張緊器支撐結(jié)構(gòu)，距離主平臺下部3 m處布置一層分流器檢修平臺。

該模塊的特殊點(diǎn)：

(1) 材料方面：材質(zhì)等級高(NVEH420)，板材厚(最厚100 mm)。

(2) 焊接方面：一些特殊結(jié)構(gòu)、特殊位置需專用焊評和焊接工藝。

(3) 精度方面：井心位置、基座位置及平面度要求極高，需編制專門的精度控制程序文件，同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場的過程控制。

1.1.2 井架結(jié)構(gòu)

鉆井架是鉆井設(shè)備的布置區(qū)，包括頂驅(qū)(DDM)、鉆井操作臂(DFMA)、天車補(bǔ)充器(DSC)、主動(dòng)式升降補(bǔ)充器(AHC)、天車(CROWN BLOCK)、游車(TRAVELING BLOCK)等。

鉆井架依據(jù)原廠家的圖紙和工藝要求進(jìn)行井架廠內(nèi)組裝，其具體形式如圖3所示。井架必須依據(jù)AKMH的要求在船廠內(nèi)還原其在原廠時(shí)的組裝狀態(tài)，包括每個(gè)螺栓的扭矩值均需對廠家及船東報(bào)驗(yàn)，要求極其嚴(yán)格。

整個(gè)鉆井模塊是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體，司鉆房(DCC)是這個(gè)鉆井模塊的控制系統(tǒng)，所有鉆井操作指令均由此發(fā)出，頂驅(qū)(DDM)是實(shí)現(xiàn)鉆井功能的動(dòng)力輸出設(shè)備，輸管器與輸管吊有機(jī)配合將鉆桿及時(shí)送至鉆井平臺，鼠洞和輔鐵鉆工負(fù)責(zé)將單個(gè)鉆桿連接成較長的單元以提高鉆井效率，操作臂(DFMA)負(fù)責(zé)將鉆桿或套管準(zhǔn)確的與轉(zhuǎn)臺(Rotary Table)所夾持的鉆桿或套管進(jìn)行連接，天車補(bǔ)償器負(fù)責(zé)抵消平臺垂向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移偏差，張緊器(TENSIONER)負(fù)責(zé)橫向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移偏差，從而保證3 000 m水深鉆井功能的實(shí)現(xiàn)。

2 鉆井模塊建造技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)

(1) 模塊結(jié)構(gòu)材質(zhì)等級高(NVEH420)，板材厚(最厚100 mm)。

(2) 設(shè)備軌道對焊材、焊接工藝要求高。

(3) 井心相關(guān)結(jié)構(gòu)精度要求高。

(4) 模塊重量大，船上合攏空間受限，吊裝難度大。

(5) 井架船廠內(nèi)組裝必須滿足原廠精度要求，操作難度大。

3 針對鉆井模塊建造技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)的解決方案

3.1 對于高強(qiáng)板和超厚板的對策

該模塊載荷大、強(qiáng)度高，因此大量采用高強(qiáng)板和較厚板材，有的甚至屬于超厚板。為此需要編制專用焊評及焊接工藝程序以保證結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量及精度控制滿足規(guī)范要求。

(1) 高強(qiáng)板的專用焊評，所有從事本材質(zhì)結(jié)構(gòu)焊接的焊工必須取得DNV認(rèn)可的焊評證書。

(2) 對于超厚板編制詳細(xì)的焊前預(yù)熱、焊后保溫緩冷的工藝要求，以保證焊接質(zhì)量。

3.2 對于設(shè)備軌道焊材、焊接工藝要求高的對策

該模塊各種鉆井設(shè)備密集布置，很多設(shè)備需在軌道上運(yùn)行，軌道材質(zhì)與造船常用材料有本質(zhì)不同，對焊材及焊接工藝要求很高，該文以BOP吊車軌道為例進(jìn)行剖析。

(1) 吊車軌道材質(zhì)、規(guī)格及特性分別為：DIN536 A120 690。軌道鋼抗拉強(qiáng)度690 N/mm2，強(qiáng)度高、可焊性較差，焊接工藝不當(dāng)容易產(chǎn)生裂紋。

(2) 依據(jù)軌道鋼的特性采用專用焊評，并編制軌道焊接作業(yè)指導(dǎo)書指導(dǎo)現(xiàn)場施工，對現(xiàn)場施工的預(yù)熱溫度、層間溫度、檢測方法、焊接順序及焊后保溫等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。

(3) 軌道鋼容易產(chǎn)生焊接裂紋，因此需提前對軌道裂紋修復(fù)編制詳細(xì)的工藝文件，包括修復(fù)焊材選用、修復(fù)步驟、預(yù)熱和保溫及修復(fù)后的檢測方式等。

3.3 對于井心相關(guān)結(jié)構(gòu)精度要求高的對策

鉆臺(DRILL FLOOR)尺寸參數(shù)：20 m×20 m×19 m，重約1 600 t，依據(jù)AKMH的設(shè)計(jì)要求，井架支座范圍內(nèi)平面位置偏差為±4 mm，四個(gè)井架支座水平度為±2 mm。通過如下措施對精度進(jìn)行控制：

(1) 提前進(jìn)行精度策劃，針對性地進(jìn)行精度控制，重要文件提前送審船東和井架服務(wù)商。

(2) 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考其他海工船廠的施工慣例對鉆臺結(jié)構(gòu)加放焊接補(bǔ)償值，以控制因焊接引起的精度偏差。

(3) 對重要結(jié)構(gòu)編制專用焊接工藝程序。

(4) 加強(qiáng)現(xiàn)場精度控制和過程控制管理，將精度數(shù)據(jù)作為質(zhì)量檢驗(yàn)的交驗(yàn)項(xiàng)目，并將精度數(shù)據(jù)歸檔備查。

(5) 對于井架支座面板增加機(jī)加工余量。

圖4 2 600 t吊架三維模型

3.4 對于模塊吊裝難度的對策

該模塊結(jié)構(gòu)凈重約1 600 t，加上舾裝、管系、設(shè)備及設(shè)備基座等整體重量約2 400 t，且鉆臺(DRILL FLOOR)船上合攏屬于插入方式，吊裝難度很大。為此可通過如下措施解決：

(1) 開發(fā)設(shè)計(jì)2 600 t多功能吊架，如圖4所示。該吊架主體由管子制作而成，結(jié)構(gòu)總重量為150 t，共有8只吊耳組成，分成2組使用。最外圈4只吊耳每個(gè)吊耳能夠承受600 t～700 t拉力，最大吊運(yùn)重量為2 600 t，內(nèi)部4只吊耳每只能夠承受500 t拉力，最大吊運(yùn)重量為2 000 t。

(2) 在兩邊模塊內(nèi)側(cè)設(shè)置防碰工裝I 300工字梁，以保證鉆臺模塊順利合攏，同時(shí)避免其他模塊艙壁受損。

(3)為保證模塊吊裝順利合攏定位，設(shè)置牽引拉索和立腿定位導(dǎo)向板。

3.5 對于井架廠內(nèi)總組精度要求高的對策

井架整體高度64 m，分成三段建造，要求三段上船合攏后，井架天車中心與轉(zhuǎn)臺中心偏差±15 mm，轉(zhuǎn)換成垂直度即為1/4 000，精度要求極高(通常船上甲板吊筒的垂直度為1/1 000)。為此采取如下措施保證井架建造精度可控：

(1) 為保證井架場地總組精度可控，設(shè)計(jì)與船上對位基座完全一致的臨時(shí)合攏工裝基座，并對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)跟蹤分析。

(2) 對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)采取施工方、項(xiàng)目精度控制組和AKMH工程師三方共同測量并確認(rèn)簽字確認(rèn)的方式，以保證關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)有效、可控，減少上船修復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 依據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)船合攏模擬，提前預(yù)估最終合攏偏差值。

4 結(jié)語

鉆井模塊的順利吊裝及鉆井架無墊片一次井架數(shù)據(jù)交驗(yàn)成功，為今后承接更高層次的海工項(xiàng)目積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對于海工項(xiàng)目而言，建造質(zhì)量和精度控制就是船廠的生命線。

[1] 陳剛，吳曉源.深水半潛式鉆井平臺設(shè)計(jì)與建造研究[J]. 船舶與海洋工程,2012,28(1)：9-14.

[2] DIN536-1-91.Crane rails[S].1991.

Construction Technology Research of Drill Module on Deep Water Drilling Ship

JIANG Qi-feng1, ZHOU Chang-jiang2, GU Jin3

(1. COSCO Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited, Guangzhou, 510725， China；2. Shanghai RoyalSun Offshore Tech.Co., Ltd, Shanghai 200444, China;3.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

The article in-depth studied and detailed analysed the technology, construction process, precision control and lifting configuration related to the design, construction and installation of drilling module on Dalian Developer drilling ship, prepared three-dimensional computer simulation of processes prior construction, divided construction units reasonably and effectively, prepared construction program based on the characteristics of the module to ensure the critical control nodes under control. Strengthened technical supports and important item control for the site construction, and proposed feasible process for precision control.

drilling ship；module construction；precision control；process method

2015-05-14

江齊鋒(1984-)，男，工程師。

1001-4500(2015)05-0009-04

P75

A