“振海五號(hào)”樁靴建造工藝分析

佟銘博+李明

摘 要：作者就職于上海振華重工海工院，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)近10年，親自參與了“振海五號(hào)” 400ft自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。本文以該平臺(tái)樁靴分段為研究對(duì)象，對(duì)其建造工藝加以分析并適當(dāng)延伸，淺談工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化對(duì)建造的影響。通過(guò)具體的實(shí)例、不同方案的比較，加以總結(jié)升華，旨在對(duì)后續(xù)相似分段的設(shè)繪和建造起到參考作用。

關(guān)鍵詞：振海五號(hào)；自升式鉆井平臺(tái)；樁靴；建造工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.103

1 背景

近年來(lái)，隨著海洋開(kāi)發(fā)步伐的加快，海洋工程裝備業(yè)因其廣闊的發(fā)展前景被各大公司競(jìng)相追逐。海工領(lǐng)域最難建造的當(dāng)屬鉆井平臺(tái)。“振海五號(hào)”是振華重工自主設(shè)計(jì)、建造的第二座自升式鉆井平臺(tái)，適用于全世界范圍內(nèi)121.9米（400英尺）水深以內(nèi)各種海域環(huán)境下的鉆井作業(yè)，入ABS船級(jí)社。平臺(tái)主結(jié)構(gòu)形狀為三角形，總長(zhǎng)70.358米，型寬76米，型深9.45米，鉆井深度10668米（35000英尺），帶有3個(gè)三角形桁架樁腿，每個(gè)樁腿由下端的樁靴支撐。樁靴外形近似兩個(gè)對(duì)扣的圓錐體（飛碟型），直徑為17.985米，高度為5.945米，單個(gè)結(jié)構(gòu)凈重量為360噸，3個(gè)樁靴承載整座平臺(tái)的重量。為適應(yīng)惡劣海況作業(yè)，樁靴的建造方案、焊接工藝和精度控制都有著極高的要求。如果說(shuō)“振海一號(hào)”的成功交付開(kāi)啟了振華重工高端海工新紀(jì)元，那么接連的“振海二號(hào)”、“振海三號(hào)”、“振海五號(hào)”、“振海六號(hào)”的開(kāi)工就是振華重工這個(gè)港機(jī)巨人轉(zhuǎn)型之路最堅(jiān)實(shí)的腳步。本文以“振海五號(hào)”樁靴分段為研究對(duì)象，對(duì)其建造工藝加以分析并適當(dāng)延伸，淺談工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化對(duì)建造的影響。

2 施工組織設(shè)計(jì)

施工組織設(shè)計(jì)制定的優(yōu)劣是影響項(xiàng)目建造的質(zhì)量、進(jìn)度和成本的重要因素，我們要根據(jù)分段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況最終確定，經(jīng)團(tuán)隊(duì)商議后主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）生產(chǎn)基地是否達(dá)到要求？例如場(chǎng)地面積，承載能力大小？場(chǎng)地如何布局？起吊及運(yùn)載能力如何？

答：“振海五號(hào)”由振華重工南通基地建造，有了“振海一號(hào)”、“振海二號(hào)”的建造經(jīng)驗(yàn)，加上一流的硬件設(shè)施，在場(chǎng)地面積、承載能力、起吊和運(yùn)載能力方面完全能達(dá)到要求。

（2）材料的實(shí)際到貨情況是否滿足施工過(guò)程中各個(gè)階段的材料需求？

答：樁靴是項(xiàng)目開(kāi)工的第一個(gè)分段，材料到貨情況理想，不影響開(kāi)工。

（3）對(duì)于樁靴這樣特殊的結(jié)構(gòu)，施工安全如何得到最大保證？

答：樁靴為單分段密封結(jié)構(gòu)，適當(dāng)位置要開(kāi)工藝孔，增加大型風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，密閉空間內(nèi)光線不足，需要增加照明系統(tǒng)，保證施工安全。勞保用具必須佩戴到位，并考慮高溫降暑措施等。

（4）如何使大型吊車的使用率降到最低？

答：優(yōu)化裝配方案，降低大型吊車的使用次數(shù)，部分可用汽車吊代替。另外，在吊裝方案中精確計(jì)算各個(gè)吊點(diǎn)的受力情況選配鋼絲繩和卸扣。

（5）如何建造使得焊接的質(zhì)量易于控制，在滿足技術(shù)要求的同時(shí)誤差降到最低？

答：優(yōu)化裝配方案是高質(zhì)量焊接的基礎(chǔ)，同時(shí)在建造過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵照WPS施工，提高裝配精度。工藝角度要提前設(shè)計(jì)好焊接順序，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)對(duì)稱施焊，立焊和重要部位采用退焊或跳焊的方法，可以最大程度減小變形。

（6）如何建造使得樁靴精度易于控制？

答：樁靴連接著樁腿，建造精度直接決定了能否與樁腿的完美對(duì)接，決定著整個(gè)平臺(tái)建造的成敗。雖然樁靴的建造精度要求較高，但還是有辦法來(lái)控制的。首先，也是最重要的就是優(yōu)化裝配方案；接著，鑒于樁靴“三等分”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，三個(gè)區(qū)域要對(duì)稱同時(shí)裝焊，這樣對(duì)整體精度影響最小；然后，將整個(gè)建造階段劃分為若干個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，每完成一步就對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，三個(gè)區(qū)域相互比較提前發(fā)現(xiàn)提前修正，需要注意的是前期的精度要求不能卡在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，要為后期的焊接和吊運(yùn)帶來(lái)的變形留有余量，所以越早期的數(shù)據(jù)要求的越要高；最后，需要與樁腿連接的部件均留有余量，樁靴完工后不得切除，與樁腿對(duì)接時(shí)才能有調(diào)整的余地。

3 設(shè)計(jì)和施工階段的關(guān)鍵點(diǎn)

前文多次提到了優(yōu)化裝配方案，好的方案的確如此重要。它可以將施工周期整體提前，減少施工難度和安全方面的隱患，降低焊接難度，有效提高焊接質(zhì)量。簡(jiǎn)言之，好的裝配方案讓生產(chǎn)更高效。下面我們分析一下“振海五號(hào)”的樁靴是如何建造的。

對(duì)于樁靴這樣雙椎體曲面分段，一定是選擇正造。樁靴大體結(jié)構(gòu)有底板、頂板、中心筒體組件、內(nèi)環(huán)圍板、中環(huán)圍板、外環(huán)圍板、連接樁腿的3片大立板、內(nèi)部肋板及加強(qiáng)筋等。首先預(yù)制胎架，底板上胎作為基面，接著由內(nèi)向外，由下到上進(jìn)行裝焊，最后散裝頂板和樁腿撐桿的相關(guān)組件。

3.1 胎架的預(yù)制

有線形的分段必然要為其量身定制胎架，不同于復(fù)雜的船體雙曲外板，樁靴結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的椎體，整個(gè)胎架完全根據(jù)樁靴底板外形制作，胎架中心切面近似一個(gè)等腰梯形。考慮控制焊接變形，節(jié)省材料和樁靴底部便于施工人員施工作業(yè)，故將胎架最低高度設(shè)為1米。整個(gè)胎架由槽鋼和扁鋼制作，槽鋼和扁鋼用標(biāo)準(zhǔn)工裝件無(wú)明確規(guī)格要求，依現(xiàn)有材料庫(kù)存料來(lái)定。胎架結(jié)構(gòu)相互連接固定，整體與地筋相連，剛性很強(qiáng)。同時(shí)盡量避免胎架支撐與樁靴底板焊縫過(guò)近，整個(gè)胎架增加水平調(diào)節(jié)筋板。最后整體對(duì)胎架水平找平、測(cè)量并做記錄數(shù)據(jù)。

3.2 中心筒體組件的預(yù)制

中心筒體組件內(nèi)空間狹小，特殊焊縫數(shù)量多，由其底板、頂板、筒壁、三塊垂向壁板、三角水平隔板及相關(guān)加強(qiáng)筋組成。與整個(gè)分段正造不同的是中心筒體組件采用反造，即中心筒體頂板為本階段基面。之所以反造是因?yàn)橹行耐搀w結(jié)構(gòu)的特殊性造成的。

三角水平隔板與中心筒體頂板之間的空間很小，應(yīng)在組件早期空間相對(duì)寬敞的時(shí)候焊接，同時(shí)為了便于三塊垂向壁板的插入，最好的順序是先焊好一塊垂向壁板后，以此壁板為裝配基礎(chǔ)安裝三角水平隔板，最后裝焊另外兩塊垂向壁板。關(guān)鍵步驟解決后，接著裝焊筒壁，底板扣蓋即可。此方案由于是反造，所以分段階段需要翻至正態(tài)增加了一次吊裝翻身，但是優(yōu)點(diǎn)是合理地將狹小空間施焊階段提前，使部分結(jié)構(gòu)不再難焊，另外大幅度地減少了仰焊的工作量，使中心筒體的裝焊質(zhì)量得以保證。

3.3 曲面底板和頂板的預(yù)制

底板和頂板為標(biāo)準(zhǔn)圓錐面，曲面加工時(shí)分別以底板和頂板的線形數(shù)據(jù)各制作一個(gè)樣箱就可滿足加工要求。結(jié)合鋼板訂貨情況，同時(shí)我們將圓錐面展開(kāi)計(jì)算并套料實(shí)驗(yàn)，最終確定每10°設(shè)置一條非自然板縫，這樣放樣出來(lái)的鋼板切割利用率高而且板縫布置合理、美觀。為了高效裝配，同時(shí)考慮火工彎曲時(shí)焊縫的穩(wěn)定性和加工難易度，最終團(tuán)隊(duì)商議決定每?jī)蓧K板為一個(gè)單位拼板后再加工成型。

關(guān)于圓錐面加工最高效的方法是用三芯滾，可以通過(guò)輸入椎體數(shù)據(jù)來(lái)控制三芯滾主軸角度進(jìn)而精確加工成型，然后制作樣箱用來(lái)校驗(yàn)成型尺寸。坡口錯(cuò)變量控制在1mm以內(nèi)，徑向錯(cuò)變量控制在2mm以內(nèi)。

3.4 筒體的設(shè)計(jì)和加工

樁靴分段從內(nèi)到外共4層筒體，依次是中心筒體、內(nèi)環(huán)圍板、中環(huán)圍板和外環(huán)圍板。之所以有筒體和圍板兩種稱呼主要是設(shè)計(jì)用來(lái)區(qū)別不同的結(jié)構(gòu)形式，完整的就稱之筒體，單片的就稱之圍板，但其本質(zhì)上是一樣的，都是標(biāo)準(zhǔn)圓筒。

筒體或圍板在設(shè)計(jì)和加工時(shí)有著特殊的要求：

（1）筒體的厚度從16.0直到51.0，要依照自然板縫的寬度來(lái)訂貨才能達(dá)到板材利用率最大化，所以需要非常規(guī)的定制，但這額外的花費(fèi)在高利用率的面前就顯得微乎其微了。

（2）施工場(chǎng)地的三芯滾圓機(jī)對(duì)加工寬度有限制，不能超過(guò)3米，設(shè)計(jì)非自然板縫時(shí)還要避開(kāi)筒體上未來(lái)的開(kāi)孔。

（3）為了保證筒體順利滾壓成型，所有零件都是先單獨(dú)滾圓成型后，再進(jìn)行其他操作。其他操作是指片體之間的焊接和片體上的開(kāi)孔。其中開(kāi)孔主要包括人孔、流水孔、氣孔、過(guò)焊孔。筒體圓度與樣板間隙需≤2mm。

（4）關(guān)于筒體的人孔，都是現(xiàn)場(chǎng)工人依照經(jīng)驗(yàn)來(lái)割，但在設(shè)計(jì)階段和工藝角度還是有些輔助的辦法來(lái)提高精確度的。如設(shè)計(jì)時(shí)用曲面建模開(kāi)虛擬孔使零件能噴到劃線，如擔(dān)心軟件放樣不夠精確也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算將滾壓前的軌跡提前畫到零件上或制作硬紙板貼到筒體內(nèi)壁，另外也可以根據(jù)情況制作類似馬鞍的木頭樣箱塊輔助切割等。

3.5 精度要求

連接樁腿結(jié)構(gòu)的三片大立板，其精控要求最高，內(nèi)環(huán)圍板和中環(huán)圍板要去除定位焊接碼板，使其端部自由收縮。完工后，整體水平度≤3mm，大立板與地樣線偏差±2mm，大立板垂直度偏差≤3mm。

4 小結(jié)

“振海五號(hào)”的3個(gè)樁靴現(xiàn)在已經(jīng)報(bào)驗(yàn)結(jié)束，建造過(guò)程中很順利也存在需要改進(jìn)的空間。作者作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主管，把設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和建造過(guò)程中收到基地的反饋加以總結(jié)，對(duì)樁靴建造過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了適當(dāng)闡釋和展開(kāi)，著重討論了工藝設(shè)計(jì)對(duì)建造的影響。通過(guò)前面的分析，我們不難看出：工藝設(shè)計(jì)在整個(gè)項(xiàng)目中起到了關(guān)鍵的作用。如果狹義地把項(xiàng)目流程分成圖紙?jiān)O(shè)繪、工藝準(zhǔn)備、生產(chǎn)建造，那么工藝起著中間樞紐的作用，消化圖紙的同時(shí)為建造提供便捷的處置措施。但廣義來(lái)看，工藝設(shè)計(jì)是無(wú)處不在的，它是優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)-貫穿于圖紙?jiān)O(shè)繪的始終，更是高效生產(chǎn)的保障-體現(xiàn)在生產(chǎn)建造的每一處細(xì)節(jié)。

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