JU2000E自升式鉆井平臺結構生產設計優化研究

劉江慶+佟銘博+韋萬慶+李俊林+李書建

摘 要：提出了結構生產設計優化對船廠系列建造JU2000E自升式鉆井平臺的重要意義，簡要介紹了該型平臺的結構特點，通過設計優化實例分析論述了平臺結構生產設計優化的思路與方法。

關鍵詞：平臺；結構；設計；優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.221

0 引言

JU2000E自升式鉆井平臺是由美國F&G公司研發并經多次改進而定型的成熟鉆井平臺，它在全球投產的自升式鉆井平臺中占有重要市場地位。近些年來，隨著自升式鉆井平臺建造重心轉移到中國，該型平臺已在多家大型船廠形成規模量產。為此，開展該型平臺的設計及工藝優化研究對承建船廠的提質增效別具意義。結構設計是平臺設計的基礎工作，結構建造是平臺生產的主體工程，平臺結構生產設計優化對降低平臺建造成本、提高平臺建造質量大有裨益，船廠理應將其作為平臺技術優化研究的重要課題。

1 平臺結構特點

JU2000E自升式鉆井平臺主尺度～70m X 76m X 9.5m，最大工作水深～122m，能夠適應全球范圍各種海域，最大鉆井深度～10668m。該型平臺結構主要包括主船體、上層建筑、直升機平臺、懸臂梁、鉆臺、樁靴、樁腿和抬升座。主船體采用雙層底結構設計，機械處所設有中間甲板，主甲板連續貫通；上層建筑設有7層甲板，左右舷分列布置；直升機平臺從上層建筑艏部外懸伸出并以管桁架支撐；懸臂梁是以左右舷工字強梁為支撐架構的半封閉大型獨立結構，可在主甲板面上縱向滑移；鉆臺是以井字形布置的大梁為支撐架構的半封閉獨立結構，可在懸臂梁鉆臺支座結構上橫向滑移；樁靴為大直徑飛碟狀板筋結構，在樁腿完全收回時可完全嵌入到主船體樁腿圍井底部凹槽中；樁腿是由齒條、弦管和撐管焊接而成的三角桁架式結構，樁腿下端與樁靴連接，配合齒輪齒條升降系統和液壓鎖緊系統，實現平臺的升降和站立；抬升座是由高強度厚板拼裝而成的獨立箱形結構，承載抬升機構和鎖緊機構，嵌入安裝于主船體樁腿圍井結構中。

2 平臺結構生產設計優化

通過三維設計軟件進行平臺設計，可大大提高設計效率和準確性，也可為設計優化提供有利條件。我司系列建造的JU2000E自升式鉆井平臺結構全部采用三維建模出圖，并從多個方面進行結構生產設計優化。

2.1 清砂孔及掃砂口預留板設計

平臺分段在涂裝前要進行沖砂作業，沖砂后的磨料屑如何快速清理？各船廠做法不一，傳統方法是在艙室底板現場開設臨時工藝孔，待分段清砂、涂裝后封補。對此，我們采用了兩種優化方案。一是預留分段底板上的泄放管開孔，待清砂、涂裝結束后再裝焊泄放管；二是在泄放管開孔位置及數量不能滿足清砂要求時，就在分段底板上設計預留板板縫，分段建造時預留開口，待清砂、涂裝完成后再封裝預留板。此項設計優化涉及主船體雙層底、樁腿圍井和樁靴共計24個分段，清砂工藝孔大量減少，分段沖砂、涂裝條件大為改善。

樁靴是由頂板、底板和裙邊圍板圍成的封閉結構，若沒設計臨時工藝孔，其內部焊接、沖砂和涂裝作業施工條件較為惡劣。如圖1，陰影區域的樁靴底板（共3塊，沿樁靴中心線對稱布置）在樁靴分段建造時預留不焊，待樁靴內部燒焊、沖砂及涂裝后封焊。如此設計，在不影響樁靴底板美觀的情況下，充分利用了樁靴底板的自然拼縫預留開口，起到了臨時工藝孔的作用，便于鋼砂清理，有效改善了樁靴內部施工條件。

2.2 樁腿圍井分段散裝板設計

平臺共有9個抬升座，每個抬升座的搭載都是以豎立狀態吊到樁腿圍井中，然后再水平推入樁腿圍井分段的接口位置（圖2中的粗線即為抬升座和樁腿圍井分段的接口）。由于抬升座在嵌進樁腿圍井結構過程中會有干涉，特在樁腿圍井分段結構中設置了主甲板和圍井圍壁板的散裝組件（圖2中的陰影區域即為主甲板散 裝組件），待抬升座吊裝到位后再安裝這些合攏散裝件，從而避免抬升座吊裝時現場臨時大面積結構挖補。

2.3 狹小空間處結構封堵設計

平臺上諸如錨機、灰罐基座反底加強、懸臂梁基座等多處采用結構封堵設計，有效解決了狹小空間內部無法施工的問題。

艏部錨機基座反底加強筋板與主甲板縱骨及橫梁形成了尖角。錨機基座反底加強都是T型材，面板分中裝焊，個別位置出現狹小空間而無法施工，只要把狹小空間封死，內部就無需焊接、打磨和涂裝。如圖3，三個T型材圍成的內部狹小區域無法打磨與油漆，則在T型材面板所在平面上增加一塊三角形封板將此狹小空間封堵即可。若三角形封板尺寸太小而不滿足規范要求，就把反底加強的 T型材面板與三角形封板合二為一設計成一整塊三角板（圖3中斜線陰影區域），這樣可在確保反底加強結構強度不弱化的同時也把狹小空間封堵起來，兩全其美。

懸臂梁基座結構中存在諸多狹小空間無法施工的問題。以懸臂梁支撐基座為例，在懸臂梁向外伸出時，支撐基座要承受懸臂梁和鉆臺巨大的向下壓力，故支撐基座加強筋板設計的開檔尺寸較小，其與主船體尾封板、縱艙壁形成了狹小空間。為此，我們把加強筋板的端部放大到足以封閉狹小空間，改進后的加強筋板在狹小空間處采用背面貼鋼襯墊、單面焊的方法完成焊接，狹小空間內部無需打磨、油漆。

2.4 克令吊天圓地方基座筒體板縫優化設計

平臺右舷艏部克令吊基座是上口圓下口方的天圓地方筒體結構，基座筒體采用高強度超厚板（板厚51mm，材質EH36）加工焊接而成。對于這種重要的受力結構，筒體曲面板如何加工？筒體板縫怎么合理布置？我們先后分析研究了多種方案。

如圖4方案一，4條板縫（CXN表示焊縫）把筒體分成4個片體。下口矩形尖點處是曲面加工收縮集中點，必須開角隅孔才能把片體曲面加工到位。優點是沒有多條焊縫相交的尖角點。缺點是曲面加工難度大，角隅孔必須采用復板封堵，復板不易加工，且角隅孔封堵后要對復板焊縫進行最嚴格的無損探傷。

如圖4方案二，8條板縫把筒體分成4個平面片體和4個曲面片體。下口矩形尖點處多條焊縫匯集，同樣要開角隅孔避免多條焊縫相交于一點。優點是曲面板加工容易。缺點是角隅孔必須采用復板封堵，復板不易加工，且角隅孔封堵后要對復板焊縫進行最嚴格的無損探傷。

從以上兩種筒體板縫設計方案看，板縫越少，單件片體越大，片體加工成型難度越大；板縫越多，單件片體越小，曲面加工越容易；但均需開設角隅孔并用復板封堵，復板焊縫要做最嚴格的無損探傷。

經過分析研究和現場試制，我們采用了圖4中的方案三。4條板縫把筒體分成4個片體。下口矩形尖點處無須開角隅孔，曲面加工容易，焊縫布置合理，相對方案二也大大減小了筒體焊接工作量。

2.5 擴大主發基座下的內底板加厚板

平臺上共有6臺主發電機，按2列3排橫向布置在主發電機艙內，每臺主發電機自帶基座上各有8個支點落在內底板上，詳細設計在內底板上為每個支點設置一塊方形加厚板加強（左舷圖示，右舷對稱）。由于方形加厚板（共計48塊）密集分布在主發電機艙的內底板上，厚薄板對接焊縫較多，且全部需要手工施焊，焊接質量不好控制，內底板容易產生焊接變形，影響內底板拼板質量。為此，我們利用內底板拼板的自然拼縫把每臺主發基座下的內底板設計成一整塊加厚板（6臺主發電機下共設計了6塊加厚板），每塊加厚板把每個主發基座下的8塊方形加厚板都包絡進去，所有厚薄板對接焊縫均可采用埋弧自動焊，焊縫布置合理美觀，改善了內底板拼板條件，減少了內底板焊接變形，有效控制了內底板平整度，為主發電機的后續安裝調平創造良好條件。

2.6 樁靴頂板和底板板片單元制作方案優化

樁靴頂板和底板所在曲面為小曲率圓臺面，其板片采用液壓機冷軋加工成型。常規做法是每個板件單獨加工曲面后再上胎架拼焊，采用CO2氣體保護焊。由于單板曲率很小，曲面加工和曲度檢測較難把控，如采用多板先拼焊后加工的方案是否可以提高曲面加工精度和拼板效率呢？基于船廠曲面加工能力，現場先后試用了兩板先拼焊后加工、三板先拼焊后加工的方案。結果證明：三板先拼焊后加工的方案能夠用足船廠現有設備的曲面加工能力，可以大大提高拼板效率；每個板片單元中的兩道拼板對接縫焊接可用埋弧自動焊代替CO2氣體保護焊，焊縫成型美觀，焊接質量很好；三板拼焊加工而成的板片單元的曲面成型和曲度檢測也更容易把控。

3 結論

平臺結構生產設計要緊密貼合生產實際、著力優化設計細節，除了吃透技術設計圖紙外，還要與現場建造工藝緊密結合，注重研究分段內部及相鄰分段之間的結構設計細節，提前考慮在分段建造過程中可能出現的各種工藝技術問題并將問題解決方案融入到分段結構設計中，這樣才能為平臺生產建造提供良好的技術條件，從而減少分段結構制造返工率、提高分段結構建造效率、降低平臺建造成本。本文所述的平臺結構生產設計優化經驗可為其它海洋平臺和船舶項目的設計建造提供有益借鑒。