POD-6號自升式鉆井平臺樁腿建造技術研究

李 清,莊國全,龔永春,張 強

(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藏著豐富的石油和天然氣資源。自升式鉆井平臺憑借其建造費用較其他類型的海上鉆井裝備低，投資回報率高，在不同海洋環境載荷工況下作業平穩等優點，廣泛使用在中淺海海域下。當平臺鉆井作業時，主船體需要通過樁腿升離水面并站立在海床之上，此時樁腿除了需要承受平臺的重量外，還需要承受風、浪、流等環境載荷。由于作業海域環境惡劣,載荷情況復雜,加之平臺規模越來越大，作為其關鍵結構的樁腿一直是該類型平臺設計和建造工作的難點和重點。

潘志明等[1]對作業水深小于60 m的海洋石油921樁腿建造工藝進行了研究；楊炎華等[2]研究了不同樁腿結構型式的力學性能特點；李沁溢等[3]對桁架式樁腿的制作工藝開展了研究。本文依托我公司在建的POD-6號自升式鉆井平臺，從國際市場需求出發，以當代世界最先進的自升式鉆井平臺為目標，在我國已建造的自升式鉆井平臺的技術和經驗的基礎上，引進國外先進自升式鉆井平臺的設計圖紙，通過消化吸收，掌握新型自升式鉆井平臺樁腿結構核心的設計和建造技術，攻克其關鍵建造技術問題，提高建造效率，降低生產成本，縮短與國外的差距。

1 樁腿結構設計

1.1 概 述

樁腿的結構在自升式鉆井平臺的結構中無疑是至關重要的一部分，如何進行樁腿結構設計就是自升式鉆井平臺結構設計中的關鍵問題。POD-6號平臺主船體為三角形箱形結構，有三個桁架式樁腿，平臺艏部一個，艉部兩個，每個樁腿配有一個樁靴。該平臺主尺度如表1所示。

表1 平臺主尺度

圖1為自升式鉆井平臺典型樁腿結構，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構為自升式平臺的主流樁腿結構，其橫撐及斜撐的布置根據作業海域環境條件不同而略有不同，在設計時，需注意校核樁腿的強度，在環境條件惡劣的情況下要適當增加橫撐及斜撐，以保證樁腿的強度滿足要求。

圖1 典型自升式鉆井平臺樁腿結構Fig.1 Typical leg structures of jackup drilling rig

1.2 環境載荷

作業時樁腿結構支撐起上船體離開水面，樁腿結構需要承受平臺自重、作業載荷、慣性載荷以及風、浪、流等環境載荷。由于篇幅所限，在本文中只羅列平臺在風暴自存工況下的強度分析結果。該平臺上船體空船重量18 000 t，風暴自存工況下的可變載荷2 995 t，環境條件如表2所示。

表2 風暴自存工況下的環境條件

除此以外，平臺在外載荷的作用下，產生了水平側向位移，由于平臺自身重力的原因，重力將對樁腿產生附加彎矩的作用，稱為P-Δ效應。對于深水自升式平臺來說，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性問題，在一般的線性分析情況下是不能考慮的，通常的方法是用第一次計算所得的樁腿軸向力和第一次算得的樁腿側向位移的乘積作為附加彎矩，并和樁腿原來的彎矩進行疊加，作為樁腿的計算彎矩[4-5]。

1.3 強度校核

在風暴自存工況下，按照不同的作業水深，風、浪、流載荷以60°為間隔計算樁腿的結構強度有15個計算工況。由于篇幅所限本文只羅列其中作業水深106.7 m，風、浪、流從平臺艉部方向作用(作用方向是0°)時，平臺在風、浪、流、慣性力和P-Δ效應作用下的樁腿結構強度響應情況。應力及位移如圖2和圖3所示。

圖2 應力云圖Fig.2 Stress contour

圖3 位移云圖Fig.3 Displacement contour

通過計算，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。本文計算結構強度所采用的自升式鉆井平臺樁腿在所有設計工況下，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(UC值)是0.77[6]。

從以上計算結果可知，樁腿在風暴自存工況下具有足夠承受作用力的能力，而且樁腿強度在風暴自存工況下也是滿足規范要求的。

2 樁腿分段建造

2.1 樁腿劃分

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

在完成單片預制并檢驗合格后，三組單片需要通過專用的分段總組工裝將單片組裝成一個完整的樁腿分段，總組過程如圖5所示。分段總組的工藝順序為：劃地樣線交驗→支胎→胎架定位交驗→上水平樁腿齒條組合→上右側樁腿齒條組合件→上左側樁腿齒條組合件→上散裝支撐管→焊前尺寸及坡口檢驗→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

該自升式鉆井平臺每根樁腿劃分為7 個分段，受龍門吊吊高限制在船塢內只能吊裝樁腿的前3 段，后4 段必須待平臺出塢在臨港碼頭插樁后用浮吊吊裝。樁腿每安裝完一段，都要對樁腿的精度進行測量，測量數據填寫在專門的精度表中并留檔。樁腿安裝的精度要求如表3所示。

表3 樁腿精度要求

3 長效防腐

自升式鉆井平臺等在海水中的腐蝕現象是十分普遍的，因為金屬礦石中的金屬元素處于熱力學穩定的氧化狀態，在冶金過程中，人工提供的大量能量使氧化狀態的金屬元素被還原為金屬材料。

3.1 涂層保護

涂層保護對于海工平臺來說，是一種應用最為廣泛、歷史最悠久、最為經濟方便和有效的防護方法。正確地選擇涂料是十分重要的，通常應該考慮下列因素：(1)在既定的運行條件和環境中，涂層有良好的化學穩定性和對機械作用的耐受能力；(2)防腐蝕涂料與樁腿結構底材的適應性，涂料與底材的適應性主要表現在對底材的侵蝕、附著力等方面；(3)涂層涂裝工藝符合平臺的生產條件、所處的環境和船級社規范；(4)涂料成本和涂裝費用。

根據以上原則，為在建項目制定了長效防腐涂料方案，如表4所示。

3.2 犧牲陽極

將金屬或合金的制件作為陽極，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和性能，如表面著色、提高耐腐蝕性、增強耐磨性及硬度，從而保護金屬表面。犧牲陽極的設計應滿足規范的要求。

設計的犧牲陽極為鋅塊。具體規格如表5所示。

表4 樁腿長效防腐涂料方案

表5 鋅塊規格

4 結 語

依托上海外高橋造船海洋工程有限公司在建的POD-6號自升式鉆井平臺，在分析樁腿結構型式的基礎上，針對北海海域風暴自存工況對平臺樁腿結構強度進行了校核，驗證了在極限條件下平臺樁腿結構的可靠性。此外，根據上海外高橋造船海洋工程有限公司的軟硬件資源條件，設計了包括樁腿分段劃分、總組搭載以及長效防腐等在內的一套關鍵建造方案，并在實船中應用和驗證，提高了樁腿建造效率，降低了維護保養成本。這些研究成果對同類自升式鉆井平臺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自升式鉆井平臺樁腿建造工藝[C]. 2011全國鋼結構學術年會論文集，2011:518.

[2] 楊炎華，金書城，金夢菊，等. 自升式海洋平臺樁腿結構優化設計[J].船海工程,2011，40(6)：150.

[3] 李沁溢，宋友良.自升式平臺樁腿建造工藝淺析[C].中國造船工程學會造船工藝學術委員會殼舾涂一體化學組2008年學術會議，2008.

[4] 畢家駒. 近海力學導論[M].上海：同濟大學出版社,1989.

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

[6] 楊曙光. 自升式平臺強度評估若干問題研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.