某海上自升式移動平臺樁腿的修復

劉靖遠

摘? ? 要：海上自升式移動平臺長期在高鹽高濕和惡劣海況下服役，平臺樁腿樁靴等部位長期承受預壓載、拔樁、波浪、潮汐、風等交變載荷，容易出現結構隱患。本文通過對國內某自升式鉆井平臺0BAY以下樁腿更換過程的分析，闡述了樁腿修復建模校核、施工中相對位置公差控制、關鍵數據測繪、過程中定位及焊接質量控制等技術和質控要點，為同類型項目提供技術經驗和實踐參考。

關鍵詞：自升式移動平臺;樁腿;樁靴

中圖分類號：U663.31 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Repair of Offshore Jack-up Mobile Unit Legs

LIU Jingyuan

（ China Oilfield Services Limited，? Langfang 065201 ）

Abstract： Offshore jack-up mobile unit has been in service under high salt and humidity and harsh sea conditions for a long time， legs， shoes and other parts of the platform are prone to structural risks because they bear the alternating loads such as pre-ballast， leg extracting， wave， tide and wind for a long time. This paper analyzes the replacement process of legs below 0BAY of the jack-up drilling platform in first service in China， expounds the technical and quality control points， such as repair modeling check， relative position tolerance control in construction， key data mapping， positioning in the process and welding quality control， providing technical experience and practical reference for similar projects.

Key words： Jack-up mobile unit; Leg; Shoe

1? ? ?前言

隨著人類探索海洋的步伐加快，形式多樣的海工裝備服役于海洋油氣資源的勘探與開發，其中以海上自升式移動平臺應用最為廣泛。本文的某自升式移動平臺是由美國ETA/Robinloh公司設計、日本日立船廠建造的羅布雷-300型非自航自升式鉆井平臺。該平臺采用桁架式三樁腿結構，樁腿全長417.4 ft，船體以下有效長度350 ft。

樁腿是平臺最重要的承載結構，承載著自升式平臺的自重和作業載荷。根據作業經驗，樁腿損傷多發生在插拔樁作業過程中，尤以樁腿樁靴連接處最為突出。該平臺在塢內檢驗中，發現樁腿第一根水平撐管以下的0BAY區域和樁靴內部與齒板連接的輻射狀強力結構區域存在母材裂紋和焊接缺陷。經專家分析，其成因是受建造當時樁腿材質本身和焊接工藝的局限，加之作業過程中樁腿反力使原有缺陷加劇，長期的循環應力也可能使缺陷范圍擴展。該區域經過多次局部修復，在焊接修復位置的強度下降，已成為影響平臺安全生產的最大隱患。經過專家深入分析，最有效的應對方案是對樁腿0BAY以下的齒板和相關區域結構進行更換。但三條樁腿0BAY以下整體更換在國內尚屬首次，尤其對施工過程中樁腿、樁靴相對位置的公差控制，更是決定本次施工成敗的關鍵因素。

2? ? ?樁腿受損情況

自2005年起，該平臺在歷次進塢檢驗中均發現各樁腿、樁靴出現多處缺陷。據統計，3個樁腿的缺陷共計128處，總長度約48 m;受損位置集中出現在0BAY以下，包括樁腿0BAY無齒板、樁靴頂板與樁腿連接處、樁靴內部齒條板、樁靴底板與輻射板等區域;缺陷的形式包括齒條板母材裂紋、原焊接熱效應區細碎裂紋、焊縫裂紋等。

3? ? ?修復方案及建模校核

近年來，不少學者對海上自升式平臺作業狀態的力學性能進行了相關建模研究。李洪濤[1]等通過有限元計算，分析出決定平臺作業能力的關鍵因素及其校核方法;甘進[2]等采用ANSYS軟件建立自升式平臺結構分析模型，對平臺結構的力學性能進行分析;丁勇[3]用數值化方法模擬自升式平臺的載荷受力情況，為樁腿和樁靴強度分析計算提供了數值依據，并使用ANSYS軟件完成了各種工況下樁腿和樁靴的強度和穩定性校核;曲健冰[4]等繪制了在100 m水深下空氣含量與樁靴內壓支撐之間的關系曲線，給出水密樁靴設計中計算載荷的建議。以上研究主要聚焦于校核平臺樁腿樁靴自身結構強度，但對于優化設計的相關研究則較少。

非自航自升式平臺的拖航可變載荷，是決定使用性能的核心指標之一。降低樁腿重量是增大拖航可變載荷的最有效手段，反之將限制平臺的作業能力;樁腿輕量化設計的途徑，通常包括改變樁腿節距、形狀和采用高強鋼等。如：郭心月[5]等分析了樁腿體積和尺寸參數隨節距和高強鋼屈服強度的變化關系，提出樁腿結構輕量化設計的建議。

該平臺原始設計中樁腿齒板在各高度位置的結構均不相同，在樁靴內部采用通齒板，樁靴以上采用兩齒條夾中心板的復合式齒板設計，且隨樁腿位置升高內部中心板厚度逐漸減小。這種設計兼顧了樁腿結構強度和降低樁腿重量，但增大了樁腿組裝施工難度，且未考慮齒條與中心板、各厚度中心板間的應力過渡，這是造成后續使用中樁腿樁靴受損的主要原因。

本文通過ANSYS軟件建立樁靴結構模型進行有限元分析（見圖1）.完成了六種典型工況下的樁靴受力分析計算，核實改造部分結構的應力分布及應力強度;同時對樁腿與樁靴連接處附件的結構完成了屈曲強度校核;最終決定在此次修復中將平臺樁腿0BAY以下齒條板的原始設計型式優化為采用圓弧過渡的新齒條板結構改造方案（見圖2），達到最大化降低相關結構應力值的目的;更換的結構包括：三個樁腿從0BYA K節點下端焊縫向下延伸300 mm位置起，一直到樁靴內部齒條末端結束，該范圍內的所有齒條板、半圓板及相關樁靴結構。

4? ? ?修復工藝

本次樁腿0BAY以下結構修理、更換項目的總體流程，如圖3所示。主要包括材料準備和現場施工兩大部分。在材料準備方面，主要參照中國船級社《材料與焊接規范》，并由船東、驗船師和船廠質檢人員組成質量控制小組共同控制。

樁腿施工是自升式平臺建（改）造的施工難點，不少學者對類似項目開展過研究。陳小川[6]等從樁腿的分段劃分、建造及焊接作業工藝、合攏及吊裝作業步驟等多個方面對比了國內外樁腿常規建造工藝;吳宇新[7]通過熱彈塑性有限元計算，分析了預熱溫度、保溫緩冷措施、焊接速度和約束條件對樁腿加工精度的影響，并基于對焊接變形與應力的綜合控制，提出了工藝優化建議;張曉安[8]以SUPER-116E自升式平臺為例，分析了樁腿特別是樁腿齒條的焊接和質量控制要點。

以上研究更適用于樁腿建造階段。樁腿修理的最大難題，在于割除舊結構應力釋放后的位移控制、焊接變形控制和新舊結構的相對位置公差控制。王磊[9]等在研究中涉及了建造后平臺的桁架式樁腿的修理更換技術，但其更換方式是樁腿整根拆除，與建造的方式類似，同樣采用吊裝合攏法和頂升合攏法，施工量大且對船廠配套吊機資源要求高。

本次施工采用了三樁腿的0BAY以下區域同時割換的方法，極大程度降低了船廠配套資源的限制，在施工中創新了樁腿樁靴固定和測繪的有效手段，并識別出更換過程中的各種控制要素，并在施工過程進行了有效控制，最終取得了本次更換項目的成功。

4.1? ?樁腿樁靴固定

本次修理工作全程在船廠船塢內進行。為了更穩妥的實現精度控制、限制0BAY以下樁腿割除后樁腿樁靴出現相對位移，采用了將樁腿與主船體固定、樁靴與塢底和船體同時固定的定位方案。其中，樁腿與主船體的固定包括兩部分：其一，在固樁區頂部每齒條加一對齒模板，將其與固樁區強結構連接固定，從而限制樁腿垂向移動。由于樁腿現場位置不同，為滿足承載樁腿的強度要求，齒模板要現場取樣并要求咬合4個齒。在齒條卡板與齒模板以及與固樁區結構焊接后，釋放升降齒輪裝置的力矩;其二，在每個齒條上下均加裝限位碼板，上端限位碼板設置在固樁區頂端，下端限位碼板設置在船底，以限制樁腿和船體間的相對橫向晃動（見圖4）。

為了更穩妥的將樁靴固定，避免弦管割除后樁靴受自重的影響下墜，在塢底樁靴位置鋪設鋼墊板和樁靴支撐管，將鋼墊板、支撐管、樁靴底板用焊接方法進行固定;同時，為了限制樁靴和船體的相對位移，用鋼管斜撐將樁靴與主船體焊接連接（見圖4）。

相關固定方案還要通過受力計算校核。計算過程中應取足夠的安全系數，計算范圍應包含所固定承載所涉及的齒模板、齒條卡板、限位碼板、焊縫、及樁靴下部支撐鋼管，計算內容應包含樁腿樁靴自身重力和風力對強度的影響校核。

4.2? ?樁腿樁靴數據測繪

在完成樁腿樁靴固定后，應盡快開展原始數據測繪工作，為修復后的效果驗證提供數據基礎。測量的范圍包括：齒條半圓板橢圓度、樁腿三角尺寸、樁靴整體平面、樁腿和樁靴內部的齒條直線度和撓度等。

（1）齒條半圓板的測量：需要制作一個半圓板樣板，自 0BAY 位置至樁靴表面，自上而下每隔 500 mm 在同一節距高度水平位置上取 5 個點進行測量記錄（見圖5）;

（2）樁腿三角尺寸測量：用盤尺拉齒頂的方法對樁腿0BAY位置的三角尺寸進行測量（見圖6），用以校驗修復后樁腿三角變形量;

（3）樁靴整體平面測量：在樁腿樁靴連接處附近靴面邊緣位置設置測量點，每根弦管位置分別設置兩個點（見圖7）并做好固定標記;測量三個面，并做好測量記錄;待弦管修理全部結束后，按照此方法再次對樁靴復測，并與修理前測量數值進行對比，比較樁靴平面有無變化;

（4）齒條直線度和撓度測量：在齒條厚度中心線位置和齒條面邊緣位置，沿新舊齒條對接口上端 2000 mm位置至齒條最下端用鋼絲繩拉緊（見圖8）;在首尾兩端的中心位置，各放置一個基準試塊，將鋼絲繩拉緊后每隔 500 mm測量鋼絲繩至齒條中心投影位置的距離，即可校驗修復前后齒條直線度和擾度的變化情況。

4.3? ? 樁腿弦管更換

（1）在舊弦管切割過程中，為控制相對位置和焊接變形，先保留了主弦管外側半圓板，待齒條焊接結束，再對外側半圓板進行拆除;

（2）在新弦管裝配過程中，采用了先內后外、先下后上的裝配順序，即先完成樁靴內部無齒齒條和結構的更換和恢復，再安裝樁靴面板;然后進行樁靴上部齒條裝配，最終安裝0BAY以下半圓板;

（3）在裝配過程中，運用了多種工裝和定位措施，以保證齒條、半圓板等結構組對精度要求。如：在樁靴內部的原齒條拆除前，在距齒條兩側的樁靴結構上做水平方向的前后左右4 個定位點，回裝時測量定位點與齒條之間尺寸，可高效確定齒條末端與原齒條位置偏差;再用多套三角板把齒條末端橫向位置固定，保持豎直方向伸縮，方便齒條上部定位和調整焊接間隙;在樁靴以上的弦管半圓板裝配過程中，運用內圓馬板工裝，通過在馬板內圓處與弦管半圓板之間用楔子固定，實現在不焊接工件的情況下固定齒條及半圓板，并能夠調整齒條與半圓板組對間隙，以及焊中限制過分的變形。

焊接應力和變形直接影響焊接結構的制造精度和使用性能，目前廣泛采用的措施，包括焊前預熱和夾具拘束等手段。周宏[10]等利用Jmatpro和ANSYS軟件，量化了預熱可有效降低樁腿齒條厚板焊接應力及應變速率，進而有效地避免裂紋的產生;劉川[11]等通過數值模擬和試驗方法，證明了夾具對焊接件的拘束力在焊接過程中是動態變化的， 其變化趨勢和焊接件的z向位移變化趨勢相同?？紤]到齒條、半圓板為高強鋼重要結構焊接，母材厚度大、焊縫長，焊接過程會由于不均勻熱過程及其約束使得焊縫及其附近金屬產生非均勻的膨脹和收縮而引起焊接殘余應力和變形。因此通過采用多位置對稱施焊，降低焊接變形影響，同時在焊接過程中持續監測齒條的直線度和擾度，根據變化情況，隨時調整工裝和施焊節奏，實現了對焊接變形的有效控制。在焊接過程中，由船東、船廠和船級社驗船師組成質量控制小組，通過對防風雨、引/熄弧板、焊前預熱、焊后加溫緩冷、焊接電流、焊接層間溫度等措施的有效控制，實現了焊后72小時100%無損檢測一次性合格。

5? ? ?結論

在海上自升式移動平臺樁腿修復工程實踐中，作者所帶領的團隊創新了樁腿樁靴固定和測繪的有效手段，識別出修復過程中的各種控制要素，并在施工過程進行了有效控制，解決了割除舊結構應力釋放后的位移控制、焊接變形控制和新舊結構的相對位置公差控制三大制約建后平臺樁腿修理的重大難題，開創了國內對自升式移動平臺進行局部樁腿更換的先河，希望本文能為今后同類型移動平臺的修理提供借鑒。

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