李 清,莊國(guó)全,龔永春,張 強(qiáng)

(上海外高橋造船海洋工程有限公司，上海 200306)

0 引 言

世界近海海域海底蘊(yùn)藏著豐富的石油和天然氣資源。自升式鉆井平臺(tái)憑借其建造費(fèi)用較其他類(lèi)型的海上鉆井裝備低，投資回報(bào)率高，在不同海洋環(huán)境載荷工況下作業(yè)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在中淺海海域下。當(dāng)平臺(tái)鉆井作業(yè)時(shí)，主船體需要通過(guò)樁腿升離水面并站立在海床之上，此時(shí)樁腿除了需要承受平臺(tái)的重量外，還需要承受風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷。由于作業(yè)海域環(huán)境惡劣,載荷情況復(fù)雜,加之平臺(tái)規(guī)模越來(lái)越大，作為其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的樁腿一直是該類(lèi)型平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

潘志明等[1]對(duì)作業(yè)水深小于60 m的海洋石油921樁腿建造工藝進(jìn)行了研究；楊炎華等[2]研究了不同樁腿結(jié)構(gòu)型式的力學(xué)性能特點(diǎn)；李沁溢等[3]對(duì)桁架式樁腿的制作工藝開(kāi)展了研究。本文依托我公司在建的POD-6號(hào)自升式鉆井平臺(tái)，從國(guó)際市場(chǎng)需求出發(fā)，以當(dāng)代世界最先進(jìn)的自升式鉆井平臺(tái)為目標(biāo)，在我國(guó)已建造的自升式鉆井平臺(tái)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)自升式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)圖紙，通過(guò)消化吸收，掌握新型自升式鉆井平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)核心的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)，攻克其關(guān)鍵建造技術(shù)問(wèn)題，提高建造效率，降低生產(chǎn)成本，縮短與國(guó)外的差距。

1 樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 概 述

樁腿的結(jié)構(gòu)在自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)中無(wú)疑是至關(guān)重要的一部分，如何進(jìn)行樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。POD-6號(hào)平臺(tái)主船體為三角形箱形結(jié)構(gòu)，有三個(gè)桁架式樁腿，平臺(tái)艏部一個(gè)，艉部?jī)蓚€(gè)，每個(gè)樁腿配有一個(gè)樁靴。該平臺(tái)主尺度如表1所示。

表1 平臺(tái)主尺度

圖1為自升式鉆井平臺(tái)典型樁腿結(jié)構(gòu)，截面分別為三角形及四邊形。三角形的桁架樁腿由三根弦桿及把弦桿連接起來(lái)的水平桿和斜桿、水平撐等組成；四方形的則由四根弦桿以及水平桿、斜桿和撐桿等組成。目前三角形截面的樁腿結(jié)構(gòu)為自升式平臺(tái)的主流樁腿結(jié)構(gòu)，其橫撐及斜撐的布置根據(jù)作業(yè)海域環(huán)境條件不同而略有不同，在設(shè)計(jì)時(shí)，需注意校核樁腿的強(qiáng)度，在環(huán)境條件惡劣的情況下要適當(dāng)增加橫撐及斜撐，以保證樁腿的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

圖1 典型自升式鉆井平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical leg structures of jackup drilling rig

1.2 環(huán)境載荷

作業(yè)時(shí)樁腿結(jié)構(gòu)支撐起上船體離開(kāi)水面，樁腿結(jié)構(gòu)需要承受平臺(tái)自重、作業(yè)載荷、慣性載荷以及風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷。由于篇幅所限，在本文中只羅列平臺(tái)在風(fēng)暴自存工況下的強(qiáng)度分析結(jié)果。該平臺(tái)上船體空船重量18 000 t，風(fēng)暴自存工況下的可變載荷2 995 t，環(huán)境條件如表2所示。

表2 風(fēng)暴自存工況下的環(huán)境條件

除此以外，平臺(tái)在外載荷的作用下，產(chǎn)生了水平側(cè)向位移，由于平臺(tái)自身重力的原因，重力將對(duì)樁腿產(chǎn)生附加彎矩的作用，稱(chēng)為P-Δ效應(yīng)。對(duì)于深水自升式平臺(tái)來(lái)說(shuō)，這種附加彎矩是不可忽視的。重力的二次力矩在有限元中屬于幾何非線(xiàn)性問(wèn)題，在一般的線(xiàn)性分析情況下是不能考慮的，通常的方法是用第一次計(jì)算所得的樁腿軸向力和第一次算得的樁腿側(cè)向位移的乘積作為附加彎矩，并和樁腿原來(lái)的彎矩進(jìn)行疊加，作為樁腿的計(jì)算彎矩[4-5]。

1.3 強(qiáng)度校核

在風(fēng)暴自存工況下，按照不同的作業(yè)水深，風(fēng)、浪、流載荷以60°為間隔計(jì)算樁腿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有15個(gè)計(jì)算工況。由于篇幅所限本文只羅列其中作業(yè)水深106.7 m，風(fēng)、浪、流從平臺(tái)艉部方向作用(作用方向是0°)時(shí)，平臺(tái)在風(fēng)、浪、流、慣性力和P-Δ效應(yīng)作用下的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度響應(yīng)情況。應(yīng)力及位移如圖2和圖3所示。

圖2 應(yīng)力云圖Fig.2 Stress contour

圖3 位移云圖Fig.3 Displacement contour

通過(guò)計(jì)算，在該工況下，艏部、左舷及右舷樁腿上作用力的最大值分別為54 776 kN，34 832 kN和35 536 kN。本文計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所采用的自升式鉆井平臺(tái)樁腿在所有設(shè)計(jì)工況下，每根弦桿的許用齒條板作用力為71 197 kN，樁腿上的最大作用力是54 776 kN，得到安全系數(shù)(UC值)是0.77[6]。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，樁腿在風(fēng)暴自存工況下具有足夠承受作用力的能力，而且樁腿強(qiáng)度在風(fēng)暴自存工況下也是滿(mǎn)足規(guī)范要求的。

2 樁腿分段建造

2.1 樁腿劃分

單根樁腿長(zhǎng)度166.982 2 m(含樁靴)，總重量約為4 930.29 t。在劃分樁腿區(qū)域的分段時(shí)，需要充分考慮分段制造精度和吊裝的便利性，并結(jié)合供貨方提供的齒條材料尺寸限制(能夠采購(gòu)到的齒條板的單根長(zhǎng)度為8 534.4 mm，所以樁腿分段的長(zhǎng)度必須為8 534.4 mm的整倍數(shù))，考慮到單個(gè)分段重量，因此多數(shù)樁腿分段的長(zhǎng)度定為 25 603.2 mm(8 534.4×3)，重量約200.657 t。

2.2 分段建造

樁腿從部件到完整成品的組裝可以分成三個(gè)步驟：首先是齒條板和半圓板的焊接，將樁腿組件形成“半成品主弦管”；其次是將主弦管與撐桿在胎架上組裝形成單片，再將單片組立形成樁腿分段；最后將樁腿分段按順序搭載，完成樁腿總組。樁腿的建造工藝流程如圖4所示[3]。

在完成單片預(yù)制并檢驗(yàn)合格后，三組單片需要通過(guò)專(zhuān)用的分段總組工裝將單片組裝成一個(gè)完整的樁腿分段，總組過(guò)程如圖5所示。分段總組的工藝順序?yàn)椋簞澋貥泳€(xiàn)交驗(yàn)→支胎→胎架定位交驗(yàn)→上水平樁腿齒條組合→上右側(cè)樁腿齒條組合件→上左側(cè)樁腿齒條組合件→上散裝支撐管→焊前尺寸及坡口檢驗(yàn)→焊接，最終形成樁腿分段。

圖4 樁腿建造工藝流程圖Fig.4 Construction process of legs

圖5 單片總組流程示意圖Fig.5 Assemblage process of individual sections of legs

2.3 總裝搭載

該自升式鉆井平臺(tái)每根樁腿劃分為7 個(gè)分段，受龍門(mén)吊吊高限制在船塢內(nèi)只能吊裝樁腿的前3 段，后4 段必須待平臺(tái)出塢在臨港碼頭插樁后用浮吊吊裝。樁腿每安裝完一段，都要對(duì)樁腿的精度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)填寫(xiě)在專(zhuān)門(mén)的精度表中并留檔。樁腿安裝的精度要求如表3所示。

表3 樁腿精度要求

3 長(zhǎng)效防腐

自升式鉆井平臺(tái)等在海水中的腐蝕現(xiàn)象是十分普遍的，因?yàn)榻饘俚V石中的金屬元素處于熱力學(xué)穩(wěn)定的氧化狀態(tài)，在冶金過(guò)程中，人工提供的大量能量使氧化狀態(tài)的金屬元素被還原為金屬材料。

3.1 涂層保護(hù)

涂層保護(hù)對(duì)于海工平臺(tái)來(lái)說(shuō)，是一種應(yīng)用最為廣泛、歷史最悠久、最為經(jīng)濟(jì)方便和有效的防護(hù)方法。正確地選擇涂料是十分重要的，通常應(yīng)該考慮下列因素：(1)在既定的運(yùn)行條件和環(huán)境中，涂層有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和對(duì)機(jī)械作用的耐受能力；(2)防腐蝕涂料與樁腿結(jié)構(gòu)底材的適應(yīng)性，涂料與底材的適應(yīng)性主要表現(xiàn)在對(duì)底材的侵蝕、附著力等方面；(3)涂層涂裝工藝符合平臺(tái)的生產(chǎn)條件、所處的環(huán)境和船級(jí)社規(guī)范；(4)涂料成本和涂裝費(fèi)用。

根據(jù)以上原則，為在建項(xiàng)目制定了長(zhǎng)效防腐涂料方案，如表4所示。

3.2 犧牲陽(yáng)極

將金屬或合金的制件作為陽(yáng)極，采用電解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金屬氧化物薄膜改變了表面狀態(tài)和性能，如表面著色、提高耐腐蝕性、增強(qiáng)耐磨性及硬度，從而保護(hù)金屬表面。犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

設(shè)計(jì)的犧牲陽(yáng)極為鋅塊。具體規(guī)格如表5所示。

表4 樁腿長(zhǎng)效防腐涂料方案

表5 鋅塊規(guī)格

4 結(jié) 語(yǔ)

依托上海外高橋造船海洋工程有限公司在建的POD-6號(hào)自升式鉆井平臺(tái)，在分析樁腿結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，針對(duì)北海海域風(fēng)暴自存工況對(duì)平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，驗(yàn)證了在極限條件下平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)的可靠性。此外，根據(jù)上海外高橋造船海洋工程有限公司的軟硬件資源條件，設(shè)計(jì)了包括樁腿分段劃分、總組搭載以及長(zhǎng)效防腐等在內(nèi)的一套關(guān)鍵建造方案，并在實(shí)船中應(yīng)用和驗(yàn)證，提高了樁腿建造效率，降低了維護(hù)保養(yǎng)成本。這些研究成果對(duì)同類(lèi)自升式鉆井平臺(tái)建造具有一定的參考意義。

[1] 潘志明，張文昊，羊字軍，等. 海洋石油921自升式鉆井平臺(tái)樁腿建造工藝[C]. 2011全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2011:518.

[2] 楊炎華，金書(shū)城，金夢(mèng)菊，等. 自升式海洋平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].船海工程,2011，40(6)：150.

[3] 李沁溢，宋友良.自升式平臺(tái)樁腿建造工藝淺析[C].中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)造船工藝學(xué)術(shù)委員會(huì)殼舾涂一體化學(xué)組2008年學(xué)術(shù)會(huì)議，2008.

[4] 畢家駒. 近海力學(xué)導(dǎo)論[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1989.

[5] 劉英杰. 自升式平臺(tái)樁腿的受力分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2004.

[6] 楊曙光. 自升式平臺(tái)強(qiáng)度評(píng)估若干問(wèn)題研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.