JU2000E自升式钻井平台结构生产设计优化研究

刘江庆+佟铭博+韦万庆+李俊林+李书建

摘 要：提出了结构生产设计优化對船厂系列建造JU2000E自升式钻井平台的重要意义，简要介绍了该型平台的结构特点，通过设计优化实例分析论述了平台结构生产设计优化的思路与方法。

关键词：平台；结构；设计；优化

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

0 引言

JU2000E自升式钻井平台是由美国F&G公司研发并经多次改进而定型的成熟钻井平台，它在全球投产的自升式钻井平台中占有重要市场地位。近些年来，随着自升式钻井平台建造重心转移到中国，该型平台已在多家大型船厂形成规模量产。为此，开展该型平台的设计及工艺优化研究对承建船厂的提质增效别具意义。结构设计是平台设计的基础工作，结构建造是平台生产的主体工程，平台结构生产设计优化对降低平台建造成本、提高平台建造质量大有裨益，船厂理应将其作为平台技术优化研究的重要课题。

1 平台结构特点

JU2000E自升式钻井平台主尺度～70m X 76m X 9.5m，最大工作水深～122m，能够适应全球范围各种海域，最大钻井深度～10668m。该型平台结构主要包括主船体、上层建筑、直升机平台、悬臂梁、钻台、桩靴、桩腿和抬升座。主船体采用双层底结构设计，机械处所设有中间甲板，主甲板连续贯通；上层建筑设有7层甲板，左右舷分列布置；直升机平台从上层建筑艏部外悬伸出并以管桁架支撑；悬臂梁是以左右舷工字强梁为支撑架构的半封闭大型独立结构，可在主甲板面上纵向滑移；钻台是以井字形布置的大梁为支撑架构的半封闭独立结构，可在悬臂梁钻台支座结构上横向滑移；桩靴为大直径飞碟状板筋结构，在桩腿完全收回时可完全嵌入到主船体桩腿围井底部凹槽中；桩腿是由齿条、弦管和撑管焊接而成的三角桁架式结构，桩腿下端与桩靴连接，配合齿轮齿条升降系统和液压锁紧系统，实现平台的升降和站立；抬升座是由高强度厚板拼装而成的独立箱形结构，承载抬升机构和锁紧机构，嵌入安装于主船体桩腿围井结构中。

2 平台结构生产设计优化

通过三维设计软件进行平台设计，可大大提高设计效率和准确性，也可为设计优化提供有利条件。我司系列建造的JU2000E自升式钻井平台结构全部采用三维建模出图，并从多个方面进行结构生产设计优化。

2.1 清砂孔及扫砂口预留板设计

平台分段在涂装前要进行冲砂作业，冲砂后的磨料屑如何快速清理？各船厂做法不一，传统方法是在舱室底板现场开设临时工艺孔，待分段清砂、涂装后封补。对此，我们采用了两种优化方案。一是预留分段底板上的泄放管开孔，待清砂、涂装结束后再装焊泄放管；二是在泄放管开孔位置及数量不能满足清砂要求时，就在分段底板上设计预留板板缝，分段建造时预留开口，待清砂、涂装完成后再封装预留板。此项设计优化涉及主船体双层底、桩腿围井和桩靴共计24个分段，清砂工艺孔大量减少，分段冲砂、涂装条件大为改善。

桩靴是由顶板、底板和裙边围板围成的封闭结构，若没设计临时工艺孔，其内部焊接、冲砂和涂装作业施工条件较为恶劣。如图1，阴影区域的桩靴底板（共3块，沿桩靴中心线对称布置）在桩靴分段建造时预留不焊，待桩靴内部烧焊、冲砂及涂装后封焊。如此设计，在不影响桩靴底板美观的情况下，充分利用了桩靴底板的自然拼缝预留开口，起到了临时工艺孔的作用，便于钢砂清理，有效改善了桩靴内部施工条件。

2.2 桩腿围井分段散装板设计

平台共有9个抬升座，每个抬升座的搭载都是以竖立状态吊到桩腿围井中，然后再水平推入桩腿围井分段的接口位置（图2中的粗线即为抬升座和桩腿围井分段的接口）。由于抬升座在嵌进桩腿围井结构过程中会有干涉，特在桩腿围井分段结构中设置了主甲板和围井围壁板的散装组件（图2中的阴影区域即为主甲板散 装组件），待抬升座吊装到位后再安装这些合拢散装件，从而避免抬升座吊装时现场临时大面积结构挖补。

2.3 狭小空间处结构封堵设计

平台上诸如锚机、灰罐基座反底加强、悬臂梁基座等多处采用结构封堵设计，有效解决了狭小空间内部无法施工的问题。

艏部锚机基座反底加强筋板与主甲板纵骨及横梁形成了尖角。锚机基座反底加强都是T型材，面板分中装焊，个别位置出现狭小空间而无法施工，只要把狭小空间封死，内部就无需焊接、打磨和涂装。如图3，三个T型材围成的内部狭小区域无法打磨与油漆，则在T型材面板所在平面上增加一块三角形封板将此狭小空间封堵即可。若三角形封板尺寸太小而不满足规范要求，就把反底加强的 T型材面板与三角形封板合二为一设计成一整块三角板（图3中斜线阴影区域），这样可在确保反底加强结构强度不弱化的同时也把狭小空间封堵起来，两全其美。

悬臂梁基座结构中存在诸多狭小空间无法施工的问题。以悬臂梁支撑基座为例，在悬臂梁向外伸出时，支撑基座要承受悬臂梁和钻台巨大的向下压力，故支撑基座加强筋板设计的开档尺寸较小，其与主船体尾封板、纵舱壁形成了狭小空间。为此，我们把加强筋板的端部放大到足以封闭狭小空间，改进后的加强筋板在狭小空间处采用背面贴钢衬垫、单面焊的方法完成焊接，狭小空间内部无需打磨、油漆。

2.4 克令吊天圆地方基座筒体板缝优化设计

平台右舷艏部克令吊基座是上口圆下口方的天圆地方筒体结构，基座筒体采用高强度超厚板（板厚51mm，材质EH36）加工焊接而成。对于这种重要的受力结构，筒体曲面板如何加工？筒体板缝怎么合理布置？我们先后分析研究了多种方案。

如图4方案一，4条板缝（CXN表示焊缝）把筒体分成4个片体。下口矩形尖点处是曲面加工收缩集中点，必须开角隅孔才能把片体曲面加工到位。优点是没有多条焊缝相交的尖角点。缺点是曲面加工难度大，角隅孔必须采用复板封堵，复板不易加工，且角隅孔封堵后要对复板焊缝进行最严格的无损探伤。

如图4方案二，8条板缝把筒体分成4个平面片体和4个曲面片体。下口矩形尖点处多条焊缝汇集，同样要开角隅孔避免多条焊缝相交于一点。优点是曲面板加工容易。缺点是角隅孔必须采用复板封堵，复板不易加工，且角隅孔封堵后要对复板焊缝进行最严格的无损探伤。

从以上两种筒体板缝设计方案看，板缝越少，单件片体越大，片体加工成型难度越大；板缝越多，单件片体越小，曲面加工越容易；但均需开设角隅孔并用复板封堵，复板焊缝要做最严格的无损探伤。

经过分析研究和现场试制，我们采用了图4中的方案三。4条板缝把筒体分成4个片体。下口矩形尖点处无须开角隅孔，曲面加工容易，焊缝布置合理，相对方案二也大大减小了筒体焊接工作量。

2.5 扩大主发基座下的内底板加厚板

平台上共有6台主发电机，按2列3排横向布置在主发电机舱内，每台主发电机自带基座上各有8个支点落在内底板上，详细设计在内底板上为每个支点设置一块方形加厚板加强（左舷图示，右舷对称）。由于方形加厚板（共计48块）密集分布在主发电机舱的内底板上，厚薄板对接焊缝较多，且全部需要手工施焊，焊接质量不好控制，内底板容易产生焊接变形，影响内底板拼板质量。为此，我们利用内底板拼板的自然拼缝把每台主发基座下的内底板设计成一整块加厚板（6台主发电机下共设计了6块加厚板），每块加厚板把每个主发基座下的8块方形加厚板都包络进去，所有厚薄板对接焊缝均可采用埋弧自动焊，焊缝布置合理美观，改善了内底板拼板条件，减少了内底板焊接变形，有效控制了内底板平整度，为主发电机的后续安装调平创造良好条件。

2.6 桩靴顶板和底板板片单元制作方案优化

桩靴顶板和底板所在曲面为小曲率圆台面，其板片采用液压机冷轧加工成型。常规做法是每个板件单独加工曲面后再上胎架拼焊，采用CO2气体保护焊。由于单板曲率很小，曲面加工和曲度检测较难把控，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？基于船厂曲面加工能力，现场先后试用了两板先拼焊后加工、三板先拼焊后加工的方案。结果证明：三板先拼焊后加工的方案能够用足船厂现有设备的曲面加工能力，可以大大提高拼板效率；每个板片单元中的两道拼板对接缝焊接可用埋弧自动焊代替CO2气体保护焊，焊缝成型美观，焊接质量很好；三板拼焊加工而成的板片单元的曲面成型和曲度检测也更容易把控。

3 结论

平台结构生产设计要紧密贴合生产实际、着力优化设计细節，除了吃透技术设计图纸外，还要与现场建造工艺紧密结合，注重研究分段内部及相邻分段之间的结构设计细节，提前考虑在分段建造过程中可能出现的各种工艺技术问题并将问题解决方案融入到分段结构设计中，这样才能为平台生产建造提供良好的技术条件，从而减少分段结构制造返工率、提高分段结构建造效率、降低平台建造成本。本文所述的平台结构生产设计优化经验可为其它海洋平台和船舶项目的设计建造提供有益借鉴。