張 蔚

(江蘇分社 鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

自升式移動平臺是國內外最為廣泛應用的鉆井平臺，主要由來臺、樁腿和升降機構三部分組成。自升式移動平臺海上作業(yè)時，將樁腿插入或坐入海底，平臺則繼續(xù)沿著樁腿上升，離開海面直至作業(yè)所需高度，工作時不受海浪的影響[1-2]。拖航時，平臺可再從樁腿降下，浮在海面上，同時將樁腿從海底拔出，收回至船體內，即可無障礙地拖航到新的作業(yè)區(qū)域上[3]。

樁腿是自升式移動平臺的關鍵結構，它不僅承擔著平臺所有的載荷，而且其自身尺寸及安裝精度直接決定平臺能否順利升降。因此，樁腿制造檢驗的過程顯得尤為重要[4-5]。

本文以某多功能海上自升平臺建造檢驗過程為例，闡述該平臺樁腿制造檢驗控制要點[6]。

1 研究內容及方法

1.1 平臺樁腿設計參數(shù)和精度要求

該平臺采用單步進插銷式液壓升降系統(tǒng)，平臺最大作業(yè)水深40 m。艏部設有1臺最大起重能力1 200 kN、最大吊高110 m(距主甲板)的全回轉起重機用于起吊作業(yè)。該平臺入級符號如下：

★ CSA Self-elevating Offshore Wind Turbine Service Unit/Crane Unit/Installation Maintenance Repair Unit; DP-1; Thruster; IWS; Lifting Appliance; PSPC(B)

(1)樁腿主要設計參數(shù)

樁腿數(shù)

4

升降系統(tǒng)型式

液壓插銷式

長度(包括樁靴)

73.00 m

外徑

3.80 m

材料

EH690

結構型式

圓筒形(鋼板卷制焊接)

筒壁厚度

68 mm

作業(yè)溫度

-10 ℃～+45 ℃

(2)樁腿制造精度要求

整樁長度公差

≤50 mm

外徑公差

圓度

≤3 mm

直線度

5 mm/10 m；60 mm/整樁

樁腿結構示意見圖1。

(3)主要檢驗依據及參考標準

設計圖紙、技術規(guī)格書；

《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)；

《材料與焊接規(guī)范》(2018)；

CB/T 4000—2005中國造船質量標準、美國材料與試驗協(xié)會ASTM及其他相關行業(yè)標準。

1.2 樁腿制造流程

本項目樁腿制造大體流程見圖2。

圖2 樁腿制造簡要流程圖

2 建造和檢驗要點

根據樁腿材料特性和設計要求，整個制造檢驗過程中的關鍵點是焊接和精度控制，因而有必要對各個制造環(huán)節(jié)的檢驗控制要點進行研究。

2.1 焊接工藝的選定

本次檢驗的樁腿原材料厚度大，需要多道焊成型，焊接工作量大，焊接過程控制要求極高。為考察E690材料的焊接性能，首先應核算其碳當量。依據《材料與焊接規(guī)范》(2018)中的碳當量計算公式，最終得出本次選用的E690鋼板碳當量約為0.56%，遠高于一般高強度鋼碳當量(0.42%)。由此可見，其焊接性能遠不如一般高強度鋼。為保證焊接接頭的性能，避免產生冷裂紋，焊接之前應采取預熱措施，焊接過程中嚴格控制層間溫度，焊后進行消除應力熱處理，并保溫緩冷。

關于焊接材料的選用，《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)有明確要求，E690材料僅有“4Y69”、“5Y69”兩種等級的焊材可供選擇。現(xiàn)選取三種認可后的焊接工藝進行對比分析，見表1。

表1 三種認可后的焊接工藝對比分析

樁腿船臺合攏焊接位置為橫焊，有兩種工藝可供選擇。船廠最希望采用藥芯焊絲氣體保護焊，原因主要是效率高、成型效果好。據測算，在船臺施工條件下，若采用手工電弧焊，一道樁腿合攏縫總的焊接時間為5～6 d(不包括焊前預熱及焊后保溫時間)；采用藥芯焊絲氣體保護焊時，總的焊接時間可縮短為2～3 d。但是，藥芯焊絲氣體保護焊對環(huán)境要求極高。本項目施工現(xiàn)場實際環(huán)境條件很難長時間滿足要求，同時保護氣體的純度是否穩(wěn)定也會影響焊接質量。最終，經過綜合考量，樁腿船臺合攏采用傳統(tǒng)的手工電弧焊。

2.2 樁腿筒體分段制造

2.2.1鋼板下料和卷制

不同于普通結構用鋼，E690鋼材一般延伸率較低，屈強比較大，其機械加工性能遠低于普通結構用鋼，若加工過程操作不當，極易產生裂紋。

由于樁腿筒體由鋼板卷制成型，因此鋼板加工工藝中應考慮到延伸率的限制，必要時應進行冷彎工藝評估。加工時應按工藝要求設定卷板機的加工參數(shù)，加工輥輪表面應時刻保持清潔。筒體卷制、焊接、輥圓完成后，應仔細檢查，確認無表面缺陷。

2.2.2焊前準備工作

為控制焊接變形，工廠應根據前期工藝試驗的數(shù)據預留變形收縮量。筒體完成后應在端部做好對接標記點，對接裝配時應注意按設計要求將縱縫接頭錯開規(guī)定距離。

焊接工作開展前，應檢查車間環(huán)境狀況。車間應盡量封閉，焊接工位應避開風口，確保無雨水滴淋。環(huán)境濕度大時，應采取除濕措施或者停止焊接。

2.2.3筒體分段焊接

根據《材料與焊接規(guī)范》(2018)的要求，本項目焊工需通過母材級別為“W03”的考試。焊工需接受焊前培訓，熟悉筒體焊接程序和WPS相關要求。

焊接過程應嚴格執(zhí)行WPS要求?？紤]到溫度突變對材料的影響，應使用電加熱裝置進行焊前預熱，禁止使用火焰割刀進行加熱。由于埋弧焊速度相對較快，焊縫層間溫度經常來不及降至WPS要求的范圍，因此，每道焊焊前應測量記錄層間溫度。若層間溫度超標，需要等焊縫自然冷卻至WPS要求的溫度范圍方可繼續(xù)施焊。焊接過程必須全程監(jiān)控并留有詳細記錄,所有焊縫需實名記錄。

焊后應隨即進行熱處理，加熱至WPS要求的溫度范圍并按時間要求保溫。冷卻過程應考慮環(huán)境因素的影響，必要時采取緩冷措施。

2.2.4插銷孔加工

在插銷式升降系統(tǒng)中，插銷孔是樁腿結構直接受力點，直接承受整個平臺的載荷。為準確測量插銷孔的加工尺寸，應使用定制的專用樣板。插銷孔邊緣打磨完成后，應進行表面探傷，確保無裂紋。插銷孔內部水密封板焊接完成后應進行密性試驗。

2.2.5樁腿分段制造精度測量

根據設計要求，樁腿直徑允許0～-5 mm的偏差，筒體外部焊縫需做磨平處理。根據本項目插銷式升降裝置的設計特點，樁腿直徑最好控制在0～-2 mm范圍內。為達到控制目標，精度測量應貫穿整個筒體分段制造過程。

單個樁腿筒體焊接、輥圓后應測量各項參數(shù)。圓度測量需要制作專門的樣板。

筒體每個合攏環(huán)節(jié)完成后均應進行精度測量。所選的測量環(huán)面應包括所有容易產生變形部位，如環(huán)縫兩側、筒體自由端、內部環(huán)狀結構安裝位置等。為確保測量精度和效率，盡量選擇使用高精度全站儀進行測量。

2.3 筒體分段與樁靴內部結構焊接

第一節(jié)筒體(樁腿最底部區(qū)段)完工后，需要與樁靴進行裝配焊接。根據《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)的定義，與樁靴相連接部分的樁腿垂直結構屬“特殊構件”，即“關鍵載荷傳遞點”和“應力集中處”，見圖3。同時，查閱樁靴結構有限元分析結果可見，樁腿與樁靴頂板、底板連接位置也是受力集中區(qū)域。樁靴頂板受力云圖見圖4。因此，這些位置的裝配精度、焊接質量也應特別關注。

圖3 樁靴關鍵結構

圖4 樁靴頂板受力云圖

2.4 樁腿分段船臺定位合攏

2.4.1樁腿分段吊裝定位

受起吊高度影響，升降系統(tǒng)裝配流程如下：樁靴隨平臺主體預定位后，進行樁腿分段吊裝預定位，然后進行固樁室(包括動定環(huán)梁)定位及精控測量(包括上下耐磨板中心對位)，最后進行樁腿及樁靴定位。樁腿分段定位環(huán)節(jié)應進行各種參數(shù)的精度測量，如與耐磨板間隙、周向對位精度、直線度、合攏口上下插銷孔孔心距(包含預留的焊接收縮量)、筒體板對接位置錯邊量等。

2.4.2樁腿船臺合攏焊接

(1)現(xiàn)場防護措施：所有焊接位置應有牢固的防風、防雨雪圍擋。根據其他船廠同類項目的經驗教訓，應特別注意防止雨水沿筒體外壁向下流至焊縫區(qū)域。

(2)焊材管理：焊條使用前應嚴格按使用說明要求進行烘烤、保溫。

(3)焊接程序和過程控制：為控制變形量，樁腿合攏縫應安排雙數(shù)焊工進行對稱焊接。焊接過程必須嚴格按WPS要求進行控制，焊前預熱、層間溫度控制、焊后熱處理等過程必須全程監(jiān)控記錄。

(4)其他注意事項：焊接工作應連續(xù)進行不得中斷；焊接過程中打磨時不得使用氣動打磨機，必須使用電動打磨機；焊縫缺陷返修不得超過2次，超過2次需經過特別認可。

2.5 無損探傷

樁腿結構無損探傷(NDT)需滿足《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)的相關要求。根據規(guī)范，本項目樁腿相關結構焊縫探傷要求見表2。

表2 規(guī)范要求的樁腿結構焊縫探傷比例

根據規(guī)范要求，所有探傷應在焊縫熱處理結束72 h之后進行。本項目樁腿鋼板厚度為68 mm，常規(guī)射線探傷效果不佳，作為替代，選用相控陣超聲(PAUT)和衍射時差法(TOFD)聯(lián)合掃描方法對樁腿對接焊縫進行檢測。根據相關要求，檢驗前應針對項目實際情況對以上檢測工藝進行認可。樁腿結構探傷比例見表3。

表3 樁腿結構焊縫實際探傷比例

3 問題及建議

3.1 樁腿內部檢驗通道問題

本次檢驗的平臺樁腿總長73 m，從最底端到頂部出口僅有一條通道(見圖5)，樁腿內部實際上形成了一個單出口(800 mm×600 mm)的垂直狹長空間。這種設計給平臺后期營運過程中的維護保養(yǎng)工作造成了極大的不便，同時還埋下了安全隱患。經查閱《MODU CODE》(2009)及其他相關資料，未明確要求樁腿內部需設置兩條檢驗通道， UI MODU 1(Rev.1)明確了樁靴和升降基礎的開孔可以不必滿足PMA檢驗通道的要求。

圖5 樁腿內部通道

針對該問題，作者建議：后續(xù)同類項目設計時，在結構強度滿足要求的情況下，設計一條聯(lián)通樁腿與樁靴，然后從樁靴上部人孔蓋通向外部的檢驗通道。在平臺塢檢時，這種設計能確保樁腿同時有兩條通道可以進出(見圖6)，為人員在樁腿內部施工增加安全保障。

3.2 樁腿插銷孔密性試驗問題

《海上移動平臺入級規(guī)范》(2016)對圓柱形樁腿插銷孔位置的密性試驗無明確要求。

根據本項目規(guī)格，平臺最大作業(yè)水深為40 m,在某些作業(yè)工況下，樁腿最大入泥深度為13 m。根據上述設計指標，在制定插銷孔密性試驗參數(shù)時應同時考慮水深和插銷孔入泥深度的影響。

圖6 兩條通道示意圖

作者建議：針對圓柱形樁腿插銷孔以及類似結構的密性試驗要求，規(guī)范給出適當?shù)恼f明，以便現(xiàn)場檢驗時有據可依。

4 結論

隨著海洋產業(yè)的發(fā)展，海上移動平臺的設計趨于大型化、復雜化。平臺結構的材料等級越來越高，制造精度要求也大幅提升。本文闡述了平臺樁腿制造檢驗控制要點，為保證檢驗質量、降低風險，對樁腿制造檢驗過程中的控制要點進行了概括。這些都給建造廠家的工藝技術、管理水準提供了基礎數(shù)據和工程應用價值。

(1)本項目施工現(xiàn)場實際環(huán)境條件很難長時間滿足要求，樁腿船臺合攏采用傳統(tǒng)的手工電弧焊。

(2)為達到控制目標，精度測量應貫穿樁腿制造的整個過程。

(3)無損檢測時，選用相控陣超聲和衍射時差法聯(lián)合掃描方法對樁腿對接焊縫進行檢測。