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自升式海洋平台桩腿及相关技术背景和意义随着陆地油气资源开采力度的日渐加大和油气储量的不断削减,占全球资源总量34%的海洋石油资源已成为人们关注的焦点和新一轮油气勘探开发的热点2022-2022年海洋石油所占比例从35%提高至39%,深水石油产量所占比例将从7%提高到15%海洋石油需求增加带动海洋油气资本开支增加,2022-2022年全球深水油气开发资本开支达1670亿元,比前5年增长37%其中海工装备目前每年500-600亿美金投资额,估计2022-2022年将增至每年800亿美金囚在开采海洋石油的海工装备中,海洋平台占有很重要的份额海洋平台主要指自升式海洋平台、半潜式海洋平台、钻井船及其他平台等对于保有量和手持订单来说,整个钻井装备中,自升式海洋平台保有量和手持订单最多,是全球保有量最大的海洋石油钻井装备,主要用在浅海自升式海洋平台的设计年限一般是20年,经过翻新之后,可再使用10年田到2022年,全球有多达80%的自升式平台服役接近30年,其中一些已经无法翻新或有效地添加先进科技装备,必需由新的取代,自升式平台具有很大的潜在市场此外,世界商船运力的日趋饱和,面临着产能过剩等问题所以各船厂纷纷把眼光都投向这一领域,可想而知将来这一领域布满竞争自升式海洋平台领域中桩腿的建筑,始终被视为最为基本、也最为重要的专题尤其是随着海洋开发活动由浅水进展到深水,桩腿面临的环境条件也越来越严酷,这又对自升式海洋平台的设计建筑提出了更高的要求自升式海洋平台的组成自升式海洋平台主要由沉垫、桩腿、升降装置、平台(模块)等组成技术要求
2.齿条板锻造成型齿条板锻造过程如下炼钢钢材经过粗炼、精炼需达到法律规范要求的冶炼成分,如表1表1ASTMA517钢锭化学成分锻造铸锭脱模后进行化学成分分析,满意上述法律规范要求,经切割水口、冒口后在水压机上进行锻造,锻造的过程分为徽粗、冲孔、拔长和扩孔,锻造完的钢锭成筒节状轧制把筒节状钢锭经过筒节轧机精整到尺寸热处理精整后的筒节要进行热处理,详细工艺如图2:图2锻后热处理工艺曲线图热处理的过程分为正火、淬火和回火正火可以消退锻造应力,细化晶粒,提高材料的强度、硬度,改善材料的切削加工性能,淬火采纳水淬,淬火后为贝氏体组织,强度和硬度都得到提高,但韧性下降,需要进行回火处理,该锻件采纳高温回火方式,回火可以减小淬火应力,稳定组织,使材料的强度,塑性和韧性得到较好的协作,即具有高的综合力学性能气割气割筒节为两个半圆筒节展平加热到肯定温度,用水压机把半圆筒节展平成钢板3齿条板机械加工展平后的钢板厚度超过
177.8mm,使用龙门铳床对厚板进行铳削加工,在基准面对厚板进行划线,粗加工后尺寸为在成品尺寸的长度、厚度和宽度方向双边各留有加工余量需要留意的是,展平后的板子经切削加工,内部残余应力会使板子产生恢复圆筒状的趋势所以在切削过程中要对板子进行夹紧固定,还要反复翻转切削,使钢板切削变形量最小粗加工后钢板表面要进行打磨处理,不允许消失黑皮、凹坑、裂纹等缺陷为检验产品的内部组织,粗加工后对钢板进行超声波探伤检验,采ASTMA578标准C级检验,经检验,合格对钢板进行精加工到尺寸齿条板切割传统的冷加工方式可以采纳滚削、插削、铳削以及数控线切割等,优点是切割变形小不会转变材料的机械性能,但生产效率较低,能耗大,无法满意市场的需求目前国内外使用较多的是采纳数控火焰切割机切割齿条,此方法属于热加工,切割变形大,还会影响齿条的力学性能,因此需要对切割工艺制定特别要求为防止齿条切割变形,需要一套专用的工装胎架对齿条进行轴向和径向方向的夹紧和固定切割前还要对齿条板进行预热处理为防止温降过快引起齿条切割变形,切割过程中需要加保温装置,保温罩实行随机床轨道行走的方式,可以边切割边保温切割时需要留意的参数有割嘴距离钢板的高度,割嘴与钢板之间的高度太低,简洁引起齿面上边缘形成凸出塌边,高度太高,会在齿面下边缘产生挂渣;为保证切口表面光滑,切割氧的压力大小要适当,既能保证切透,还要掌握切割宽度;依据不同的燃气,调整预热火焰的强度;切割速度直接影响到切割过程的稳定性和齿面的质量速度过快会使齿面消失凹陷和挂渣等质量缺陷,严峻时会造成切割中断;速度过慢会使切口上边缘熔化塌边、下半部分消失深沟凹坑等,依据切割阅历,切割速度一般在150mm〜200mm/min火焰切割完毕后要立即进行保温处理,以消退热应力齿条切割完毕需要达到的主要公差要求如下齿距公差±
0.5mm;压力角误差±10*;拱形挠度±
1.8mm/10m;齿面粗糙度
12.7pm;切割面的垂直度±
0.005齿厚mm;齿形对称度±
0.5mm;假如一次切割加工后达不到切割要求,需要进行打磨和矫形处理
1、沉垫自升式平台的沉垫要沉入海底,并以此为基础用传动机构使平台提升和下降故除在平台要移动工作地点时之外,该沉垫主要考虑的不是水动力特性,而是其沉入海底后的压强大小为此,自升式平台的沉垫一般设计成整块式,通常见到的以A字形居多如图21所示其结构基本形式仍与平台(模块)相仿沉垫内主要是压载水舱,也有部分舱室作它用图
2.1A型沉淀
2、桩腿是自升式平台的立柱,它除起立柱作用外,还起平台升降时的导向及升降作用桩腿数由三柱到四柱不等,但多数状况下用三柱式,这有利于平台主体提升、下降时调整水平桩腿的结构形式又分为桁架式桩腿和圆柱式桩腿两大类,见图
2.2和图
2.30桁架式桩腿是由主弦管、主拉撑管和水平拉撑管组成,在主弦管上装有齿条板(双面齿);而圆柱式桩腿则用钢板制成封闭筒形结构,然后在圆筒的轴向外壁上按需求量焊上齿条(单面齿X为削减波浪对桩腿的冲击,大多采纳桁架结构桩腿上都有与自升装置有关的部件三角桁架式桩腿,一般设有齿条与自升装置中的齿轮相协作;圆柱式桩腿中的一种有平置长方孑与自升装置中的楔块插销相协作图
2.2衍架式桩腿图
2.3圆柱式桩腿
3、升降装置升降装置安装在平台主体与桩腿的连接处,如图
2.40升降装置能够使桩腿和平台主体实现上下相对运动,并使平台主体处于桩腿的某一特定位置常用的升降装置有电动液压式、电动齿轮齿条式电动液压式升降装置主要用于圆柱式桩腿,故在本文中不作论述适用于桁架式自升式平台的升降装置是电动齿轮齿条式的,它由电动机经过减速机构带动齿轮转动,使齿轮与桩腿上的齿条啮合,从而实现平台主体和桩腿的相对运动当电动机处于制动状态时,那么平台则可以被固定在这个位置为了缓和冲击作用在升降装置齿轮架的上下均设有缓冲垫图
2.4升降装置
4、平台(模块)平台的平面外形一般有三角形、矢魄和五角形等如图
2.5所示为三角形平台平台通常是一个具有单层底或双层底的单甲板箱型结构,其内部横舱壁与纵舱壁的布置要依据它的作业与布置的要求⑵为了削减在平台运动时舱内液体的摇荡,有时在较大液体舱内还设有止荡舱壁主体结构的底板、舱壁、甲板等也和一般船舶一样设有扶强材次模块上有桩腿通过开口,此开口区称为固桩区,其结构相应加强以保证自升机构的平安、稳定及甲板的完整性在同一平台上的几个固桩区的相对位置掌握极严,以保证日后运行中平台升降顺畅图
2.5平台模块自升式平台桩腿的类型及优缺点分析自升式平台桩腿有两种基本类型桁架型桩腿和圆柱型桩腿桁架型桩腿结构由弦管及撑管构成,撑管可反抗桩腿剪切应力,而弦管主要是反抗轴向及弯曲刚度,该结构使钢材的采用达到最佳配置,减轻了结构质量,减小了拖曳力载荷网其横截面呈三角形或方型,工作水深在100米以内,一般在桩腿底部设桩腿箱,工作水深在150米以内采纳底垫式圆柱型桩腿由中空的钢管组成,内部具有加强结构,外壳处装有齿条或开孔实现船体的升降桩腿数一般为3-4根,最多可达14-18根,圆柱直径依据设计作业水深的不同而不同圆柱式桩腿结构最大的优势在于体积较小,占用较少的甲板面积,因而建筑工艺比较简洁,但是在反抗相同的环境载荷时圆柱式桩腿结构需要更多的钢材世界上绝大多数自升式钻井平台桩腿是三桩或者四桩三桩结构的最大优点是具有极好的稳定性,受到的波浪力较小除此之外,能够节约更多的甲板空间,削减升降装置的数量,减轻了结构质量,削减了成本该结构最大缺点是要预压载水舱四桩结构几乎不需要预压载舱,可对角压载而将主船体质量作为预压载重量四桩结构会受到额外的风浪流载荷,也增加了拖航质量自升式海洋平台桩腿制造工艺桩腿是自升式平台最重要,最关键的结构之一,由于尺度大,结构简单桩腿建筑技术已经成为自升式平台建筑的核心以海洋平台281/282为例海洋石油281/282平台设有3条圆柱型桩腿,其上附有齿条,每条桩腿由下端带有小段圆筒的桩靴支撑,桩靴尺寸为
11.9mx
11.9mxi.97m每条桩腿的高度约为
78.8m重量约为
266.7t桩腿圆筒尺寸外径2515mm壁厚38mm材料为ABSEQ43屈服强度为
8.7MPa;齿条的总长度约为77m材料ASTMA514Q屈服强度为
14.5MPa桩腿为全钢质圆筒型焊接结构,圆筒内部设有环形框架和环形水密隔板,圆筒外部设有一组对称齿条除圆筒和内部加强筋(与齿条相对应)材料为ABSEQ43外,次要附件所用材料主要为AH
36、DH36级钢141材料的化学成分和力学性能均须满意ABS或CCS法律规范的有关技术条件的规定.桩腿分段桩腿分段的建筑方式为侧造依据船厂的起重和运输力量以及场地条件结合桩腿材料及齿条的订货状况,将每根桩腿划分为4个合拢分段(从桩腿底部向上,分别为411/A/B/C分段、412/A/B/C分段、413/A/B/C分段、414/A/B/C\详细分段划分见下图图
3.1桩腿结构分段示意图桩腿合拢状态的4条桩腿分段(411/412/413/414)称为大分段;组成大分段的分段称为小分段;由若干(2~3)小分段对接的过程称为小组立;由小组立再对接成大分段的过程称为中组立;由大分段合拢的过程称为大组立.桩腿分段安装方式依据上述描述,桩腿4个合拢段的长度与重量见表10其中
411、412分段在搭载场地上安装,
413、414分段在平台下水后,靠码头采用120t岸吊进行安装3桩腿建筑流程)桩腿划线桩腿来料依据工艺要求,进行预处理,依据实模试验得出的数据下料划线(坡口位置)加工横向坡口,坡口按焊接工艺卡进行加工;纵向坡口先只加工内部坡口,外部坡口待卷板完成后进行,加工坡口形式见图
3.20坡口加工采纳数控火焰切割,切割时必需留边1〜2mm然后打磨至划线要求位置)钢板卷制采用三馄非对称式卷板机进行小分段圆筒卷制)筒体焊接桩腿卷制完毕后采用埋弧自动焊机进行内部纵向焊接,焊接完毕分别将小分段旋转180°进行外部焊缝清根,再进行外部纵向焊接等到焊缝温度缓慢降至常温,72h后再进行NDT探伤并打磨外焊接余高至
0.5mm然后检测直线度及椭圆焊接工装见图
3.3图
3.2坡口示意图图
3.3桩腿焊接工装图)桩腿小组立应留意各小分段的纵向焊缝相互错开180°(自桩腿下端开头依次交叉布置至桩腿顶端)见图
3.40图
3.4分段对接示意图)桩腿中组立桩腿和齿条安装挨次按图5所示进行(以其中船艄左舷桩腿为例X图
3.5桩腿和齿条安装挨次6)桩腿中组立完成后,进行桩腿大分段整体测量测绘,并纪录7)桩腿内纵向加强筋的预制及桩腿内附件安装8)齿条与桩腿的焊接桩腿预合拢完毕,进行齿条定位划线齿条预先依据设计的长度在场地胎架上接长,然后拆开4大合拢分段,依据齿条焊接工艺进行焊接)分段涂装中组立分段完成后,依据相关的涂装工艺对4大合拢分段进行涂装)分段重量检测分段重量检测应依据重量掌握程序进行桩腿制作精度要求桩腿整体的直线度及椭圆度等精度要求均基于以下要求
①船级社和船东认可的基本设计文件;
②椭圆度公差+/-3mm;
③直线度公差+/-3mm/10m;
④桩腿周长公差+/-6mm;
⑤齿条安装垂直度公差+/-6mm;
⑥齿条对正公差180°+/-
0.05桩腿齿条板焊接工艺自升式钻井平台结构简单,工作环境恶劣,投资巨大,桩腿作为平台结构的主要承载单元,对其力学性能提出了很高的要求~般齿条材料的屈服强度要求在690MPa以上不同的自升式海洋平台,其齿条板的选材也不一样本讨论选择某自升式海洋平台,其齿条板材料为ASTMA514GRQ.来讨论其对接焊接时的工艺参数GRQ材料的分析ASTMASI4GRQ属于高屈服强度、调质合金钢,具有很高的屈服强度和抗拉强度、良好的缺口韧性及耐腐蚀性该钢在满意强度要求且不提高碳含量的前提F可通过适量增加CrMoVCu等元素改善其淬透性和抗回火软化倾向自升式海洋平台桁架式桩腿齿条板的焊接过程中所面临的两个主要问题是Q)需要防止冷裂纹及淬硬组织的消失;
(2)掌握热影响区母材组织性能的恶化,减小软化区图
4.1齿条板.齿条板对接的焊接方法及挨次齿条板的接长焊接采纳手工电弧焊立焊焊接在两端齿条处采纳合适的工装进行固定在保证根部焊道自由收缩的前提下,掌握焊接收缩变形总量不超过齿间距公差±
1.50mm焊前应先把引弧板点好,并实行打磨等措施彻底清除坡口表面四周30mm内的铁锈、油污异物焊接时两个焊工对称拖焊,先由一名焊工对一侧焊缝进行打底焊,进行背面清根,由另一名焊工进行背面填充焊,两侧基本达到相同焊接厚度后,再同时对称立焊旌焊在施焊时,每层焊缝要求从坡口两侧边缘向焊缝中心方向依次施焊最终两层进行盖面焊,要掌握焊接速度,保证焊接表面的质量.齿条板对接坡口及焊道布置考虑到工程的实际状况及材料的特别性为了削减熔敷金属的填充量,桩腿齿条板焊接时的坡口采纳非对称V型坡口,如图
4.2所示,中间留6~7mm的间隙,以便完全焊透满意焊接质量的要求焊道布置如图
4.3所示图
4.2坡口形式和尺寸图
4.3立焊缝焊道布置.焊接工艺参数焊接热输入是影响焊接热循环的主要因素,当焊接材料及焊接方法肯定时,焊接接头的组织和性能主要取决于焊接热输入的大小焊接热输入的大小和焊接工艺参数有关.焊接工艺参数主要包括焊接电流、焊接电压和焊接速度从降低冷却速度以削减裂纹的方面动身,焊接电流要大,速度要慢旦是从削减热影响区软化的角度动身,焊接电流要小,速度要快对ASTMA514GRQ钢焊接时,打底焊热输入要大一点以便焊透;填充焊热输入应掌握在20—30KJ/cm左右,t85为820s;盖面焊时热输入量要小,保证焊舞表面质量详细的工艺参数见
4.1表
4.1焊接工艺参数齿条板制造技术1齿条板材料选择目前海上钻井平台桩腿齿条板厚度在127mm~180mm之间450ft及以上的台齿条板厚度甚至达到200mm以上齿条板材料具有超细化、超干净、超均质的组织和成分特征,由于是钻井平台的主要承力构件,且基于其长期服务于海上的环境载荷要求,设计对材料要求的强度和低温冲击韧性都很高齿条板材料为调质钢ASTMA517GRQ屈服强度之690Mpa抗拉强度为790/930MPaV型缺口冲击最小平均值纵向在-37℃、T/4厚时为69J在-27℃、T/2厚时为69J火焰切割齿应无裂纹和分层,T/4厚度处的HBS为260,细晶粒最高含硫量为
0.01%最高含碳量为
0.18%o上述高强度、低温冲击韧性要求及大厚度等综合因素的影响形成了对材料制造很高的。