自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)制造誤差控制要點(diǎn)

楊 豐，胡素芹

（渤海裝備 遼河重工有限公司，遼寧 盤錦124010）①

自升式鉆井平臺(tái)屬于淺海作業(yè)裝備，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間受到海浪、大風(fēng)、海水腐蝕等惡劣工況的影響，其整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性比一般船舶的要求高［1］，在建造過(guò)程中的質(zhì)量要求、建造精度更加嚴(yán)格。一般船舶企業(yè)雖然對(duì)船舶的精度控制［2］技術(shù)比較成熟，但對(duì)大型海洋工程建設(shè)的精度控制仍然難以把握。本文根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際情況，就自升式鉆井平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)部分在建造過(guò)程中，應(yīng)注重哪些部位的精度控制，以及如何保證建造精度進(jìn)行了分析和討論。

1 自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

自升式鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)通常為三角形船體，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。主船體上有3個(gè)圍阱區(qū)，每個(gè)圍阱區(qū)安裝3套升降鎖緊系統(tǒng)，用于平臺(tái)的升降。主船體中心線艉部設(shè)有懸臂梁，懸臂梁上安裝有井架（如圖1）。從平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)上看，主船體的圍阱區(qū)、樁靴、樁腿、升降鎖緊系統(tǒng)和懸臂梁部分是整個(gè)平臺(tái)的主要受力結(jié)構(gòu)，所以這幾部分結(jié)構(gòu)的制造誤差要作為精度控制的重中之重。本文針對(duì)這幾部分在分段建造和分段上船臺(tái)合攏階段，在制造誤差控制方面，應(yīng)注意的事項(xiàng)和采取的措施進(jìn)行分析。

圖1 自升式鉆井平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)

2 分段建造過(guò)程中的誤差控制

2.1 圍阱分段的誤差控制

自升式鉆井平臺(tái)主船體和生活樓的分段建造，與一般船舶分段的建造形式基本一致，而且由于平臺(tái)主船體相對(duì)于船舶線型簡(jiǎn)單，平臺(tái)主船體和生活樓分段的建造相對(duì)比較簡(jiǎn)單。這里除圍阱分段外，其他主船體分段暫不做介紹。

圍阱分段在上工裝建造前，需在工裝區(qū)域的地面上畫(huà)出地樣線，地樣線包括：分段輪廓線、圍阱十字中心線、圍阱圓筒壁輪廓線。因圍阱分段較大，圓筒直徑一般在13～20m，圓筒內(nèi)部沒(méi)有結(jié)構(gòu)，所以整個(gè)分段在建造過(guò)程中容易產(chǎn)生變形［3］（如圖2）。圍阱分段在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中可劃分為2個(gè)或3個(gè)小分段［4］，以便于建造和控制分段變形。若沒(méi)有劃分為多個(gè)分段而進(jìn)行整體建造，外底板上胎拼板時(shí)，工裝應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加反變形量，安裝外底板骨架時(shí)縱向和橫向加放適當(dāng)?shù)暮附邮湛s量，避免受焊接熱量和應(yīng)力的影響導(dǎo)致底板上翹，或者分段整體結(jié)構(gòu)尺寸變小。

圍阱壁的制造要在專門的工裝上進(jìn)行，用以保證圍阱壁的半徑尺寸。圍阱壁上分段組裝時(shí)，要制造專門的模板胎，以控制圍阱壁與地樣線更好的對(duì)位，圍阱壁焊接時(shí)，要實(shí)時(shí)監(jiān)控圍阱壁與地樣線的誤差，產(chǎn)生誤差及時(shí)調(diào)整。

圍阱分段在總組完成后，焊前和焊后都要對(duì)分段的主尺度、舷側(cè)外板垂直度、尤其是圍阱壁的精度進(jìn)行測(cè)量［5］。測(cè)量圍阱壁時(shí)，應(yīng)在上下口對(duì)應(yīng)處多取幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量的數(shù)據(jù)包括：圍阱壁上下口各測(cè)量點(diǎn)到圍阱地樣中心點(diǎn)的半徑、圍阱壁上下口的垂直度。

圖2 圍阱結(jié)構(gòu)

2.2 樁靴分段的誤差控制

樁靴應(yīng)在專門設(shè)計(jì)的工裝上建造，為保證樁靴的建造精度，控制好樁靴工裝是第一步。工裝整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要牢固，并與地面連接固定。胎面的型值高度及工裝立柱的垂直度誤差一般控制在0.5～1.0mm，并且需交驗(yàn)合格后方可使用。樁靴上胎前，在工裝底部需畫(huà)出地樣線（如圖3），包括：樁靴輪廓線、樁靴中心點(diǎn)、120°主立板理論線，此三樣地樣線一定要保證精確，并且交驗(yàn)合格。樁靴外圍壁需在同一高度畫(huà)出一圈腰線，做為樁靴水平度的測(cè)量點(diǎn)。

圖3 樁靴工裝底部的地樣線

樁靴在整個(gè)建造過(guò)程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)控上下中心圓板中心點(diǎn)與地樣中心點(diǎn)的誤差、120°主立板與地樣線的誤差、120°主立板垂直度、樁靴腰線水平度誤差，誤差過(guò)大應(yīng)及時(shí)調(diào)整。只要能夠控制住以上幾個(gè)要素在公差范圍之內(nèi)，就能保證在后續(xù)的船體合攏階段滿足樁靴與樁腿合攏的各項(xiàng)參數(shù)要求。

2.3 樁腿分段的誤差控制

目前樁腿分段的制造通常都是分為：?jiǎn)胃X條板接長(zhǎng)、樁腿單片分段的制造、樁腿分段總組3個(gè)工藝步驟進(jìn)行。

2.3.1 單根齒條板接長(zhǎng)

齒條接長(zhǎng)時(shí)需在專門設(shè)計(jì)的工裝上進(jìn)行。在接長(zhǎng)的焊接過(guò)程中要嚴(yán)格按照相應(yīng)的 WPS進(jìn)行，并實(shí)時(shí)監(jiān)控齒條板的拱高、旁彎、合攏口相鄰兩齒的間距（如圖4），尤其是合攏口相鄰兩齒的各項(xiàng)誤差數(shù)據(jù)要及時(shí)觀察，發(fā)生誤差及時(shí)采用平三套拉、千斤頂頂?shù)确椒皶r(shí)調(diào)整。

圖4 齒條對(duì)接的誤差測(cè)量點(diǎn)

2.3.2 單片制造

每個(gè)樁腿分段通常分3個(gè)單片單獨(dú)制造，單片需在專門設(shè)計(jì)的工裝上制造，工裝底部需畫(huà)出地樣線（如圖5），包括：齒條板中心線、水平管中心線。在組裝和焊接過(guò)程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)控齒條板的拱高、旁彎、角度、水平管的水平度、水平管間距、水平管長(zhǎng)度、水平管與地樣線誤差、齒條板中心線與地樣線誤差，發(fā)現(xiàn)誤差及時(shí)調(diào)整。

圖5 樁腿分段單片的地樣線

2.3.3 樁腿分段總組裝

樁腿分段的總組裝是在專門設(shè)計(jì)的工裝上，將3個(gè)單片組裝成一個(gè)樁腿分段（如圖6）。工裝底部需畫(huà)出地樣線，包括：3根齒條板的中心線、齒條板合攏口第1齒中心線。在焊接前，考慮到總組裝時(shí)焊接收縮量較大，要根據(jù)各施工隊(duì)伍的施工經(jīng)驗(yàn)，3個(gè)單片分段之間要留焊接間隙，避免焊后分段整體尺寸變小。在焊接過(guò)程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)控齒條板的拱高、旁彎、3根齒條板之間的距離、齒條板中心線與地樣線的誤差、齒條板合攏口第1齒中心線與地樣誤差、齒條板合攏口第1齒中心線同面度，發(fā)現(xiàn)誤差及時(shí)調(diào)整。

圖6 組裝后的樁腿分段

2.4 升降鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的誤差控制

升降鎖緊系統(tǒng)上安裝有用于與樁腿齒條板嚙合的升降齒輪，升降鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建造精度直接影響平臺(tái)是否能夠順利的升降。升降鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制造分為：升降結(jié)構(gòu)制造、鎖緊結(jié)構(gòu)制造和升降鎖緊結(jié)構(gòu)預(yù)合攏3個(gè)步驟。

2.4.1 升降結(jié)構(gòu)

升降結(jié)構(gòu)的制造需在專門設(shè)計(jì)的工裝上進(jìn)行。因升降結(jié)構(gòu)板材厚度大，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力較大，所以工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工裝與地面的連接要牢固，防止焊接應(yīng)力過(guò)大將工裝拉伸變形，影響升降結(jié)構(gòu)的制造精度。工裝上表面水平度公差應(yīng)在0.5～1.0mm，交驗(yàn)合格后方可使用。升降結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中，外板要與工裝焊死，防止焊接應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上翹變形。在安裝內(nèi)部格板時(shí)，應(yīng)在縱向和橫向加放焊接收縮量，防止焊接收縮導(dǎo)致整體尺寸變小。升降結(jié)構(gòu)側(cè)面外圍要畫(huà)一圈腰線（如圖7），便于測(cè)量分段水平度和便于鎖緊基礎(chǔ)對(duì)接。

圖7 升降結(jié)構(gòu)

2.4.2 鎖緊結(jié)構(gòu)

鎖緊結(jié)構(gòu)的制造也需在專門設(shè)計(jì)的工裝上進(jìn)行，工裝的強(qiáng)度要求與升降結(jié)構(gòu)要求相同，必須穩(wěn)固牢靠，并且工裝高度與升降結(jié)構(gòu)工裝相同。這樣便于升降和鎖緊結(jié)構(gòu)預(yù)合攏，更加容易保證預(yù)合攏的精度。鎖緊結(jié)構(gòu)側(cè)面外圍也需畫(huà)出腰線，腰線高度與升降結(jié)構(gòu)腰線需在同一高度（如圖8）。鎖緊結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中，外板與工裝也要焊牢，并且在安裝內(nèi)部格板時(shí)，縱向和橫向加放焊接收縮量。

圖8 鎖緊結(jié)構(gòu)

2.4.3 升降鎖緊結(jié)構(gòu)預(yù)合攏

升降鎖緊結(jié)構(gòu)預(yù)合攏時(shí)可重復(fù)利用原有的2個(gè)分段制造工裝，只需將兩個(gè)工裝組合在一起便可。預(yù)合攏前要重新復(fù)查組合工裝的水平度，滿足公差要求后方可使用。預(yù)合攏焊接合攏口時(shí)，要實(shí)時(shí)監(jiān)控升降鎖緊結(jié)構(gòu)的中心線直線度、腰線直線度、合攏口相鄰結(jié)構(gòu)間距，發(fā)現(xiàn)誤差，及時(shí)調(diào)整。只要嚴(yán)格控制住這3項(xiàng)誤差，就能夠完好的保證預(yù)合攏的精度。

2.5 懸臂梁的誤差控制

懸臂梁是整個(gè)鉆井模塊的承重結(jié)構(gòu)，懸臂梁上的鉆臺(tái)基座與上方的鉆臺(tái)底座相連，懸臂梁的兩個(gè)主立板可在主甲板上的軌道內(nèi)滑移（如圖9）。懸臂梁的兩個(gè)主立板、鉆臺(tái)基座、管支架堆場(chǎng)等結(jié)構(gòu)基本都是由大型的工字梁總成。所以，在懸臂梁的小組過(guò)程中，要嚴(yán)格控制大型工字梁的制造精度。工字梁制造時(shí)，要實(shí)時(shí)監(jiān)控工字梁上下面板水平度、旁彎、腹板垂直度。懸臂梁總組時(shí)，要嚴(yán)格控制兩個(gè)主立板之間的間距、主立板下面板的水平度和直線度。懸臂梁制造完成后，因主立板之間跨距大（通常在15～20m），在兩個(gè)主立板之間需用大型工字鋼等型材作為背梁加以連接固定，防止分段制造完成后長(zhǎng)時(shí)間擺放，造成兩主立板因重力向外側(cè)偏離變形。嚴(yán)格控制住主立板的精度，就能保證懸臂梁在以后向主甲板滑移，或者吊裝上主甲板時(shí)，與滑移軌道完好的結(jié)合。

圖9 懸臂梁

3 分段合攏的誤差控制

一般船舶建造的合攏順序通常為由下向上，由船中向首艉兩側(cè)呈塔式進(jìn)行合攏［6］。自升式鉆井平臺(tái)的分段合攏順序與普通的船舶不同，平臺(tái)是以3個(gè)樁靴所處的位置為基準(zhǔn)，進(jìn)行分段合攏。因?yàn)闃堆ザㄎ粶?zhǔn)確與否直接影響平臺(tái)在作業(yè)時(shí)的穩(wěn)性。自升式鉆井平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)的分段合攏順序?yàn)椋簶堆ァ獓宸侄巍渌鞔w分段—樁腿—升降鎖緊結(jié)構(gòu)—生活樓分段—懸臂梁。

其中一般的主船體分段、生活樓分段的合攏定位方式與一般船舶分段的定位方式類似，大多數(shù)的施工單位都能熟練掌握。懸臂梁的合攏一般是通過(guò)整體吊裝上主甲板，與主甲板上的軌道咬合；或者是在平臺(tái)下水后，在陸地上搭設(shè)與主甲板軌道平行滑移工裝，將懸臂梁整體滑移到主甲板軌道上，因有軌道作為懸臂梁的定位依托，所以懸臂梁的合攏定位相對(duì)容易。

根據(jù)自升式鉆井平臺(tái)的特點(diǎn)和從實(shí)際工作中來(lái)看，平臺(tái)分段合攏過(guò)程中最復(fù)雜和最關(guān)鍵的是進(jìn)行樁靴、樁腿和升降鎖緊結(jié)構(gòu)這3大結(jié)構(gòu)的定位，只有保證這三者的定位精度，才是確保整個(gè)平臺(tái)穩(wěn)定與升降作業(yè)順暢的關(guān)鍵所在。這3大結(jié)構(gòu)在合攏定位過(guò)程中，要相互參照、相互做為定位依據(jù)。下面就針對(duì)這3大結(jié)構(gòu)的合攏定位時(shí)的精度控制進(jìn)行分析。

3.1 樁靴定位精度控制

分段上船臺(tái)合攏前，船臺(tái)表面應(yīng)畫(huà)出船臺(tái)合攏地樣線，并交驗(yàn)合格。樁靴以地樣線為基準(zhǔn)，將樁靴中心點(diǎn)、120°立板與地樣線對(duì)位，并調(diào)整樁靴水平（樁靴船臺(tái)定位地樣線如圖10）。為防止定位好的樁靴位置發(fā)生變化而影響定位精度，在樁靴上船臺(tái)合攏前，可在樁靴底部鋪設(shè)大面積厚度較大的鋼板，鋼板與船臺(tái)地筋焊接牢固，在樁靴和鋼板之間用工字鋼等型材連接焊牢，對(duì)樁靴進(jìn)行封固。

圖10 樁靴組裝的地樣線

3.2 樁腿定位精度控制

樁腿與樁靴連接，一般在平臺(tái)下水前只安裝2～3節(jié)，可在安裝升降鎖緊結(jié)構(gòu)前安裝，也可在安裝升降鎖緊結(jié)構(gòu)后安裝，具體工序可根據(jù)各施工單位工藝要求而定。樁腿合攏定位時(shí)，將樁腿3個(gè)主弦管中心點(diǎn)與地樣對(duì)位、3根主弦管齒條板中心線與樁靴120°立板中心線對(duì)位，對(duì)正后調(diào)整樁腿垂直度。測(cè)量樁腿垂直度時(shí)，要在樁腿上合攏口和下合攏口的每個(gè)齒條板上，至少各取5齒作為垂直度測(cè)量點(diǎn)。樁腿的定位精度調(diào)整好后，需將樁腿和主船體用工裝封固，并且樁靴也需用工裝與主船體封固，防止焊接樁腿與樁靴的合攏口時(shí)，因焊接應(yīng)力導(dǎo)致樁腿和樁靴定位尺寸發(fā)生變化，影響合攏精度。

3.3 升降鎖緊結(jié)構(gòu)定位精度控制

升降鎖緊結(jié)構(gòu)的合攏定位，最主要的是在主船體各層甲板上畫(huà)出升降鎖緊結(jié)構(gòu)的定位中心線，中心線要與樁腿主弦管中心線精確對(duì)位，否則直接影響升降系統(tǒng)齒輪與樁腿齒條板的嚙合程度（如圖11）。目前主要有2種畫(huà)線方法。

圖11 升降鎖緊結(jié)構(gòu)的定位中心線

1） 方法一 以樁靴頂部圓板中心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，利用經(jīng)緯儀將3條120°地樣線分別反到主甲板上，做為升降鎖緊結(jié)構(gòu)中心線。然后用經(jīng)緯儀將中心線轉(zhuǎn)向90°，畫(huà)出升降鎖緊結(jié)構(gòu)的腰線。

2） 方法二 以樁腿3個(gè)齒條板端頭中心點(diǎn)的地樣線為基準(zhǔn)點(diǎn)，利用經(jīng)緯儀在相臨兩點(diǎn)拉直線，然后旋轉(zhuǎn)120°將120°地樣線反到甲板上作為基礎(chǔ)定位的中心線。然后用經(jīng)緯儀將中心線轉(zhuǎn)向90°，畫(huà)出升降鎖緊結(jié)構(gòu)的腰線。最后再以樁靴蓋板上的中心點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，利用經(jīng)緯儀校驗(yàn)甲板上的3條120°中心線，做為參考。

方法一操作步驟相對(duì)較少，但是容易因樁靴分段的建造精度誤差（即樁靴中心點(diǎn)存在誤差），形成累積誤差，使升降鎖緊結(jié)構(gòu)中心線產(chǎn)生誤差現(xiàn)象。方法二雖然步驟更加繁瑣，但能保證精度。

畫(huà)出升降鎖緊結(jié)構(gòu)的定位中心線和腰線后，進(jìn)行升降鎖緊結(jié)構(gòu)合攏定位，然后再測(cè)量升降鎖緊結(jié)構(gòu)上的中心線和腰線的直線度和垂直度。測(cè)量數(shù)據(jù)滿足精度要求后，將升降鎖緊基礎(chǔ)用工裝與主船體封固，防止在焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形或移位。

4 結(jié)論

1） 自升式鉆井平臺(tái)工況惡劣，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求高，其制造精度比一般船舶要高。

2） 采用本文的方法，可以更好地控制自升式鉆井平臺(tái)的制造誤差，提高平臺(tái)的建造精度。

3） 一艘平臺(tái)的整體精度還與焊接質(zhì)量、測(cè)量工具、施工人員水平等有直接的關(guān)系。在實(shí)際的工作中需加強(qiáng)各個(gè)施工環(huán)節(jié)的管理、完善施工工藝、減少建造過(guò)程中的累積誤差，才能建造出合格的平臺(tái)。

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