“振海五号”桩靴建造工艺分析

佟铭博+李明

摘 要：作者就职于上海振华重工海工院，从事船舶与海洋结构设计、工艺设计近10年，亲自参与了“振海五号” 400ft自升式钻井平台结构生产设计和工艺设计。本文以该平台桩靴分段为研究对象，对其建造工艺加以分析并适当延伸，浅谈工艺设计的优化对建造的影响。通过具体的实例、不同方案的比较，加以总结升华，旨在对后续相似分段的设绘和建造起到参考作用。

关键词：振海五号；自升式钻井平台；桩靴；建造工艺

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

1 背景

近年来，随着海洋开发步伐的加快，海洋工程装备业因其广阔的发展前景被各大公司竞相追逐。海工领域最难建造的当属钻井平台。“振海五号”是振华重工自主设计、建造的第二座自升式钻井平台，适用于全世界范围内121.9米（400英尺）水深以内各种海域环境下的钻井作业，入ABS船级社。平台主结构形状为三角形，总长70.358米，型宽76米，型深9.45米，钻井深度10668米（35000英尺），带有3个三角形桁架桩腿，每个桩腿由下端的桩靴支撑。桩靴外形近似两个对扣的圆锥体（飞碟型），直径为17.985米，高度为5.945米，单个结构净重量为360吨，3个桩靴承载整座平台的重量。为适应恶劣海况作业，桩靴的建造方案、焊接工艺和精度控制都有着极高的要求。如果说“振海一号”的成功交付开启了振华重工高端海工新纪元，那么接连的“振海二号”、“振海三号”、“振海五号”、“振海六号”的开工就是振华重工这个港机巨人转型之路最坚实的脚步。本文以“振海五号”桩靴分段为研究对象，对其建造工艺加以分析并适当延伸，浅谈工艺设计的优化对建造的影响。

2 施工组织设计

施工组织设计制定的优劣是影响项目建造的质量、进度和成本的重要因素，我们要根据分段的结构特点并结合现场情况最终确定，经团队商议后主要考虑以下几个方面：

（1）生产基地是否达到要求？例如场地面积，承载能力大小？场地如何布局？起吊及运载能力如何？

答：“振海五号”由振华重工南通基地建造，有了“振海一号”、“振海二号”的建造经验，加上一流的硬件设施，在场地面积、承载能力、起吊和运载能力方面完全能达到要求。

（2）材料的实际到货情况是否满足施工过程中各个阶段的材料需求？

答：桩靴是项目开工的第一个分段，材料到货情况理想，不影响开工。

（3）对于桩靴这样特殊的结构，施工安全如何得到最大保证？

答：桩靴为单分段密封结构，适当位置要开工艺孔，增加大型风机进行通风，密闭空间内光线不足，需要增加照明系统，保证施工安全。劳保用具必须佩戴到位，并考虑高温降暑措施等。

（4）如何使大型吊车的使用率降到最低？

答：优化装配方案，降低大型吊车的使用次数，部分可用汽车吊代替。另外，在吊装方案中精确计算各个吊点的受力情况选配钢丝绳和卸扣。

（5）如何建造使得焊接的质量易于控制，在满足技术要求的同时误差降到最低？

答：优化装配方案是高质量焊接的基础，同时在建造过程中应严格遵照WPS施工，提高装配精度。工艺角度要提前设计好焊接顺序，如内部结构焊接应对称施焊，立焊和重要部位采用退焊或跳焊的方法，可以最大程度减小变形。

（6）如何建造使得桩靴精度易于控制？

答：桩靴连接着桩腿，建造精度直接决定了能否与桩腿的完美对接，决定着整个平台建造的成败。虽然桩靴的建造精度要求较高，但还是有办法来控制的。首先，也是最重要的就是优化装配方案；接着，鉴于桩靴“三等分”的结构特点，三个区域要对称同时装焊，这样对整体精度影响最小；然后，将整个建造阶段划分为若干个时间节点，每完成一步就对其进行数据测量，三个区域相互比较提前发现提前修正，需要注意的是前期的精度要求不能卡在标准数据，要为后期的焊接和吊运带来的变形留有余量，所以越早期的数据要求的越要高；最后，需要与桩腿连接的部件均留有余量，桩靴完工后不得切除，与桩腿对接时才能有调整的余地。

3 设计和施工阶段的关键点

前文多次提到了优化装配方案，好的方案的确如此重要。它可以将施工周期整体提前，减少施工难度和安全方面的隐患，降低焊接难度，有效提高焊接质量。简言之，好的装配方案让生产更高效。下面我们分析一下“振海五号”的桩靴是如何建造的。

对于桩靴这样双椎体曲面分段，一定是选择正造。桩靴大体结构有底板、顶板、中心筒体组件、内环围板、中环围板、外环围板、连接桩腿的3片大立板、内部肋板及加强筋等。首先预制胎架，底板上胎作为基面，接着由内向外，由下到上进行装焊，最后散装顶板和桩腿撑杆的相关组件。

3.1 胎架的预制

有线形的分段必然要为其量身定制胎架，不同于复杂的船体双曲外板，桩靴结构为标准的椎体，整个胎架完全根据桩靴底板外形制作，胎架中心切面近似一个等腰梯形。考虑控制焊接变形，节省材料和桩靴底部便于施工人员施工作业，故将胎架最低高度设为1米。整个胎架由槽钢和扁钢制作，槽钢和扁钢用标准工装件无明确规格要求，依现有材料库存料来定。胎架结构相互连接固定，整体与地筋相连，刚性很强。同时尽量避免胎架支撑与桩靴底板焊缝过近，整个胎架增加水平调节筋板。最后整体对胎架水平找平、测量并做记录数据。

3.2 中心筒体组件的预制

中心筒体组件内空间狭小，特殊焊缝数量多，由其底板、顶板、筒壁、三块垂向壁板、三角水平隔板及相关加强筋组成。与整个分段正造不同的是中心筒体组件采用反造，即中心筒体顶板为本阶段基面。之所以反造是因为中心筒体结構的特殊性造成的。

三角水平隔板与中心筒体顶板之间的空间很小，应在组件早期空间相对宽敞的时候焊接，同时为了便于三块垂向壁板的插入，最好的顺序是先焊好一块垂向壁板后，以此壁板为装配基础安装三角水平隔板，最后装焊另外两块垂向壁板。关键步骤解决后，接着装焊筒壁，底板扣盖即可。此方案由于是反造，所以分段阶段需要翻至正态增加了一次吊装翻身，但是优点是合理地将狭小空间施焊阶段提前，使部分结构不再难焊，另外大幅度地减少了仰焊的工作量，使中心筒体的装焊质量得以保证。

3.3 曲面底板和顶板的预制

底板和顶板为标准圆锥面，曲面加工时分别以底板和顶板的线形数据各制作一个样箱就可满足加工要求。结合钢板订货情况，同时我们将圆锥面展开计算并套料实验，最终确定每10°设置一条非自然板缝，这样放样出来的钢板切割利用率高而且板缝布置合理、美观。为了高效装配，同时考虑火工弯曲时焊缝的稳定性和加工难易度，最终团队商议决定每两块板为一个单位拼板后再加工成型。

关于圆锥面加工最高效的方法是用三芯滚，可以通过输入椎体数据来控制三芯滚主轴角度进而精确加工成型，然后制作样箱用来校验成型尺寸。坡口错变量控制在1mm以内，径向错变量控制在2mm以内。

3.4 筒体的设计和加工

桩靴分段从内到外共4层筒体，依次是中心筒体、内环围板、中环围板和外环围板。之所以有筒体和围板两种称呼主要是设计用来区别不同的结构形式，完整的就稱之筒体，单片的就称之围板，但其本质上是一样的，都是标准圆筒。

筒体或围板在设计和加工时有着特殊的要求：

（1）筒体的厚度从16.0直到51.0，要依照自然板缝的宽度来订货才能达到板材利用率最大化，所以需要非常规的定制，但这额外的花费在高利用率的面前就显得微乎其微了。

（2）施工场地的三芯滚圆机对加工宽度有限制，不能超过3米，设计非自然板缝时还要避开筒体上未来的开孔。

（3）为了保证筒体顺利滚压成型，所有零件都是先单独滚圆成型后，再进行其他操作。其他操作是指片体之间的焊接和片体上的开孔。其中开孔主要包括人孔、流水孔、气孔、过焊孔。筒体圆度与样板间隙需≤2mm。

（4）关于筒体的人孔，都是现场工人依照经验来割，但在设计阶段和工艺角度还是有些辅助的办法来提高精确度的。如设计时用曲面建模开虚拟孔使零件能喷到划线，如担心软件放样不够精确也可以通过简单的计算将滚压前的轨迹提前画到零件上或制作硬纸板贴到筒体内壁，另外也可以根据情况制作类似马鞍的木头样箱块辅助切割等。

3.5 精度要求

连接桩腿结构的三片大立板，其精控要求最高，内环围板和中环围板要去除定位焊接码板，使其端部自由收缩。完工后，整体水平度≤3mm，大立板与地样线偏差±2mm，大立板垂直度偏差≤3mm。

4 小结

“振海五号”的3个桩靴现在已经报验结束，建造过程中很顺利也存在需要改进的空间。作者作为结构设计主管，把设计经验和建造过程中收到基地的反馈加以总结，对桩靴建造过程中几个关键点进行了适当阐释和展开，着重讨论了工艺设计对建造的影响。通过前面的分析，我们不难看出：工艺设计在整个项目中起到了关键的作用。如果狭义地把项目流程分成图纸设绘、工艺准备、生产建造，那么工艺起着中间枢纽的作用，消化图纸的同时为建造提供便捷的处置措施。但广义来看，工艺设计是无处不在的，它是优质设计的基础-贯穿于图纸设绘的始终，更是高效生产的保障-体现在生产建造的每一处细节。

参考文献：

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