自升式钻井平台升降基础建造工艺介绍和分析

2015-04-10周莹李云鹏景方刚杜渊赵春明罗佩豪

机械工程师 2015年8期

关键词：胎架自升式划线

周莹，李云鹏，景方刚，杜渊，赵春明，罗佩豪

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002）

自升式钻井平台升降基础建造工艺介绍和分析

周莹，李云鹏，景方刚，杜渊，赵春明，罗佩豪

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002）

升降基础分段是自升式钻井平台的关键结构，是升降装置和锁紧装置的载体，其为桩腿升降提供导向，起到连接桩腿和主船体的作用,是把平台各种载荷传递给桩腿的唯一必经路径。由于它的特殊用途，其板材多为高强度厚板，结构形式紧密，且分段精度要求较高，多处需要机加工。升降基础分段的建造是整个平台建造的难点和关键。文中对DSJ300自升式钻井平台升降基础的建造工艺流程进行分析和总结，为相关制造企业在海洋工程大型结构建造过程中提供借鉴。

升降基础；工艺；结构；步骤；精度

1 概述

DSJ300自升式钻井平台是宝石机械为中技开建造的出口300ft海洋钻井平台项目，由大船海工和辽河重工分别承建。平台设计水深300ft，呈三角形结构，共有3个桩腿，9个升降基础，全部为焊透结构，每个升降基础结构形式基本相同，分为上基础和下基础两部分，上基础用于安装升降装置系统，满足平台沿桩腿上下升降的功能，下基础基础用于安装锁紧装置系统，将平台与桩腿锁紧固定在一起，以抵抗更恶劣的海洋环境。升降齿轮箱和锁紧基础结构的制作与安装是该平台建造的难点和关键。

图1

上基础的外形尺寸为 5109 mm×2790 mm×677 mm（L×B×H）,结构重量约16 t；下基础的外形尺寸为8915 mm×4732 mm×1270 mm（L×B×H），结构重量约38t。

2 升降基础建造工艺要求

2.1 来料加工

1）对升降基础结构，所有钢板具有经过船级社认可的材质证件。并且预先按照CSQS标准及厂标相关规定检查板材平整度，检查钢板表面是否有麻点等缺陷。平整度要求为±1 mm/1 m。

2）所有升降基础上用的钢板均需要进行表面抛丸或喷砂除锈处理，表面粗糙度达到Sa2.5级标准；表面除锈后要喷涂车间底漆保护。

3）所有板材零件应采用数控下料。根据板厚选择等离子切割或火焰切割，切割板厚应在切割机质量切割厚度的范围之内。切割前，应对数控切割机进行精度调校，对切割割嘴和行走轨道进行检查，根据板厚选择正确的切割参数，保证零件切割精度，避免短尺等超差现象发生。考虑工厂普通采用的数控切割机技术参数，厚度不大于30 mm的钢板采用数控等离子切割机切割；厚度大于30 mm厚钢板应采用数控氧乙炔火焰切割机切割，保证切割精度±1 mm。

4）下料后，应将板材的炉批号和材质等级号码用钢印移植到每一枚零件上，打在远离板边且易于检查的位置。

5）按照套料图要求切割出坡口，角度公差为±2°。

2.2 接板平面组立

1）所有拼板均需在专用接板铁平台上进行，厚板焊接时要两面对称焊接，避免焊后对接口变形严重。

2）拼板要求：两枚或两枚以上板件拼接时，依照图纸进行尺寸检查，包含长、宽、对角线、边缘直线度等，满足要求方可定位焊接。对角线尺寸偏差不大于1.5 mm。

3）拼板焊接采用双面埋弧自动焊或专船焊接工艺执行。4）角焊缝采用CO2焊或按照专船焊接工艺执行。5）焊后对所有板材平整度进行校正，并背烧。

2.3 焊接要求

1）所有焊工要有焊接资质，应持有船级社认可的证书。

2）根据母材材质，厚度，焊接位置和方向，选择适合的焊接工艺规程。

3）焊接前对焊口必须进行除锈、除污、除湿、打磨等边缘准备并按要求报验。

4）定位焊的焊材应与母材匹配，焊接参数及要求参考焊接工艺规程。

5）定位焊的焊接长度不小于50 mm。

6）埋弧自动焊的要求：采用埋弧自动焊的对接坡口两侧需装焊引弧板和息弧板，其厚度和材质与母材相同或相近。引弧板和息弧板的坡口和母材坡口一致，引弧和息弧的长度需不小于50 mm。单侧焊完后翻身，反面需碳弧气刨背扣后焊接。多道焊之间如间隔时间较长，下一次焊接前需重新除锈和预热。

2.4 划线要求

1）基准线及外围板、内围板、前壁板、后壁板、侧壁板等关键结构划线公差为±0.5 mm，其他次要结构划线公差为±1 mm。划线应采用划针，划线应清晰，并打洋铳标记。施工中应予以保护。

2）在建造升降基础的胎位上支胎前，应划出升降基础的地样线，地样线包括：升降基础的中心线、上下口位置线（上口位置线要加上3 mm的补偿值）、左右侧围壁位置线、齿条围壁板各层高处半宽位置线。各地样线应有足够的延长长度，保证升降基础胎上总组后用地样线进行复核尺寸。

3）地样线应由专门的找线人员进行划线，做出易于查找和不易丢失的标记，并由质量部门验收。

2.5 胎架

1）胎架的设计不设反变形，分段建造以前围壁板为胎卧造。2）胎架使用模板胎，由工艺部门专门设计胎架结构图。3）胎架制作精度要求：胎架中心线偏差为±0.5 mm，胎架上端平面度偏差为±1.5 mm。

应该特别注意的是胎架本体以及胎架地基应有足够的刚度和强度,不允许在升降基础制作焊接周期里发生变形和塌陷。

3 制造工艺流程和步骤

3.1 上基础制造工艺流程及关键点、难点

第一步：制造场地的选择，每个升降基础的面积为3 m×5.5 m，重量约为16t，场地应选择分段制作车间预埋件强度较好的的位置，将场地清理干净。

第二步：胎架的制造与安装，胎架制作后安装到选好的胎位，胎架底座与预埋件焊接牢固，进行胎架水平度的测量、调整。

图2

第三步：前围板上胎定位，利用激光经纬仪测量围板水平度，合格后封胎。

第四步：前围板划线，划出前围板上所有结构线（升降基础中心线、结构中心线、结构板厚线、结构检查线、轴套中心线）并打上标记。并将基础中心线、轴套中心线返到围板下表面打上标记，结构划线时焊接收缩量加放，见图2。

第五步：安装内部结构、外围板进行定位焊，测量结构安装尺寸、结构水平度、围板水平度、结构切角尺寸等。

第六步：根据生产工艺部门制定的焊接工艺进行内部结构焊接，焊接工艺（WPS）需提前得到船级社的审批。

第七步：焊后的测量，测量结构尺寸、结构水平度、围板水平度、焊肉大小，并进行焊缝探伤。划出基础腰线打出标记。

第八步：安装后盖板，（安装前在拼焊后的盖板上划出圆心，交错开出3个直径600 mm圆孔），进行水平度测量、中心线定位、高度方向的测量定位调整，合格后定位焊。

第九步：焊接后盖板，由于内部结构焊不到，先进行盖板四周的焊接，并在后盖板上开出3个临时孔进行内部定位焊。

第十步：焊接精度交验后利用吊车或者其它起重设备进行起胎、翻身，吊装前要制定专门的升降基础上基础吊运方案。

第十一步：翻身后，利用后盖板平面重新上胎，以腰线为基准进行水平的定位找正。

第十二步：以轴套中心为基点，在前盖板上开出6个直径500 mm临时孔，以便焊工进行内部结构的焊接，切掉的圆板保留。

第十三步：先焊接后盖板开出圆孔位置的结构，再将后盖板另外3个直径600 mm圆孔开出，内部结构全部焊接结束后，将圆板恢复到原来位置进行圆心二次找线，开出加工之前的圆孔（半径加放10 mm加工余量），前盖板开出轴套圆孔后开出坡口、打磨。

第十四步：安装6个轴套，定位时按先画好的中心线，拉出钢丝，测量轴套水平面、高度定位尺寸，定位过程中考虑加工余量。

第十五步：轴套焊前需要进行加温，按船级社审批的预热加温工艺进行。

第十六步：焊接轴套，为控制焊接变形，进行3个轴套交替焊接。先3个焊后再焊另外3个，焊后进行缓冷和探伤。

第十七步：安装耐磨板底座结构与轴套的加强筋并进行焊接。并装焊顶部箱型结构。

第十八步：根据前期制定的吊运方案对上基础再次翻身装焊3个小套。

第十九步：整体焊后精度测量。第二十步：进行振动时效处理。第二十一步：按照加工图进行耐磨板位置、轴套与后盖板圆孔的机加工。

上基础是升降齿轮箱的载体，结构精度要求高，内部空间小，关键点和难点较多：

1）钢板材料厚度大，焊缝坡口大，焊透结构多而且密集，焊接变形大，所以焊接质量应与严格控制。焊接变形要连续及时监控。

2）侧板与后盖板焊接时，侧板的直线度不易保证，在焊接前，要用刚度较大的背板进行约束，减少焊接变形。

3）轴套材料为A514,屈服限高达690MPa，是升降基础的关键部件，材料的质量应高度重视，应检查其CCS证书，材料性能证书以及探伤报告。其与前壁板的焊接应严防有裂纹产生。组装时预留足够的焊接收缩量，保证有足够的加工裕量。焊接收缩量的确定可以先试验一个基础，根据实际值的大小，调整后续基础。

4）与下基础合拢的合拢口尺寸应与严格控制，一般焊接收缩量应加8 mm。焊后尺寸误差控制在±1.5 mm。

5）后壁板的平面度及平行度要保证，变形太大不能保证基础与升降减速箱连接的法兰端面的加工裕量，加工后钢板的厚度要满足图纸的要求。

6）安装上导向板的内侧围壁板距中心的间距结构精度要求为±2 mm，装配前需校核划线尺寸，焊接过程中要求随时监控。焊前、焊后需测量尺寸并记录。前壁板、中壁板、后壁板的平面度及平行度要保证，以便齿轮箱轴套的安装。

7）齿轮箱挡块下料上下两端应各加4 mm余量，高度安装精度应不大于2 mm。

3.2 下基础制造工艺流程及关键点、难点

第一步：制造场地的选择，每个升降基础的面积为5 m×9 m，重量约为39 t，场地应选择在分段车间预埋件强度较好的的位置，将场地清理干净。

第二步、第三步与3.1节中的上基础流程和要求相同。

第四步：前围板划线，划出前围板上所有结构线（锁紧基础中心线、分段基准线、结构中心线、结构板厚线、结构检查线）并打上标记。并将基础中心线及平行于基础中心线的横向结构的板中心线（以DSJ300为例共7条）返到围板下表面打上标记，结构划线时焊接收缩量加放如图3所示。

第五步至第十一步与3.1节中的上基础流程和要求相同。

第十二步：装焊前盖板结构及其锁紧支撑座，先开出4个支撑座方孔，支撑座要提前小组预制。

第十三步：安装耐磨板底座结构，按照加工图进行耐磨板的机加工。

下基础结构的关键点和难点主要是：

1）小方盒结构预制：小方盒是安装锁紧系统上下顶紧螺杆的座子，是整个平台受力最大的结构，桩腿和平台锁紧时，它的受力要求抗击平台的所有重力载荷和51.4 m/s风暴下海洋环境的载荷。采用的材料为EH550，原材料质量应该严格控制，下料精度为±0.5 mm，尺寸精度为±1.5 mm。焊接严格执行工艺要求。

图3

2）小方盒组装在下基础上要求开孔划线要精确，安装锁紧螺杆的端面垂直于前面板，垂直度误差为±1 mm。小方盒与基础的焊接严格执行工艺要求，焊接变形要随时监控。

3）锁紧块导向座安装座板精度应严格控制，座板到小方盒中心的尺寸精度为±0.25 mm，保证锁紧块活动时不卡阻，受力方向不偏。

4）连接锁紧块油缸支座的精度应严格控制，保证油缸伸缩灵活。

5）用于安装齿条导向耐磨板的两侧内围板与中心线的间距的控制，精度要求为±2 mm，为保证此精度，要求这些件装配前其装配顺序之前的零件全部焊接结束，并重新校核装配线，焊接过程中对其尺寸进行监控，合理选择焊接顺序，避免过大的焊接变形。

6）考虑焊接收缩，焊前定位时内围板应适当向内侧偏移1～2 mm，预留焊接收缩量，焊前、焊后应对此尺寸进行测量并记录。焊接过程中应随时监控。

7）锁紧装置的支撑座在小组后、大组前需进行机加工，同时使用设备厂商提供的模板配钻锁紧设备安装的螺栓孔。支撑座小组注意控制焊接变形，保证加工面的水平。

3.3 整体焊后精度测量

1）精度检测必须在结构全部焊接结束，分段脱胎处于自由状态。用于检验的仪器和设备经过校准。

2）升降基础主要结构的尺寸公差要求见表2、表3。

4 结语

以上对同时对升降基础建造的前期要求进行了阐述，并简要介绍了升降基础建造的先后步骤，其目的在于：1）了解专业海工产品生产单位自升式钻井平台升降基础分段建造方式和流程。2）通过这些要求可以为生产设计下料及焊接方式选择提供依据。3）根据这些步骤能够指导施工人员合理正确施工，避免返工。4）在建造过程中控制升降基础分段建造精度，确保建造质量。5）对于自升式钻井平台高强度结构件的制作流程有指导性作用。6）焊接的要求提出，对于自升式钻井平台的升降基础建造有重要的参考价值。7）能够为制作加工此类产品的生产单位提供重要的参考依据。