張 蔚

(江蘇分社 鎮(zhèn)江辦事處，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

自升式移動(dòng)平臺(tái)是國(guó)內(nèi)外最為廣泛應(yīng)用的鉆井平臺(tái)，主要由來臺(tái)、樁腿和升降機(jī)構(gòu)三部分組成。自升式移動(dòng)平臺(tái)海上作業(yè)時(shí)，將樁腿插入或坐入海底，平臺(tái)則繼續(xù)沿著樁腿上升，離開海面直至作業(yè)所需高度，工作時(shí)不受海浪的影響[1-2]。拖航時(shí)，平臺(tái)可再?gòu)臉锻冉迪?，浮在海面上，同時(shí)將樁腿從海底拔出，收回至船體內(nèi)，即可無障礙地拖航到新的作業(yè)區(qū)域上[3]。

樁腿是自升式移動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它不僅承擔(dān)著平臺(tái)所有的載荷，而且其自身尺寸及安裝精度直接決定平臺(tái)能否順利升降。因此，樁腿制造檢驗(yàn)的過程顯得尤為重要[4-5]。

本文以某多功能海上自升平臺(tái)建造檢驗(yàn)過程為例，闡述該平臺(tái)樁腿制造檢驗(yàn)控制要點(diǎn)[6]。

1 研究?jī)?nèi)容及方法

1.1 平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)參數(shù)和精度要求

該平臺(tái)采用單步進(jìn)插銷式液壓升降系統(tǒng)，平臺(tái)最大作業(yè)水深40 m。艏部設(shè)有1臺(tái)最大起重能力1 200 kN、最大吊高110 m(距主甲板)的全回轉(zhuǎn)起重機(jī)用于起吊作業(yè)。該平臺(tái)入級(jí)符號(hào)如下：

★ CSA Self-elevating Offshore Wind Turbine Service Unit/Crane Unit/Installation Maintenance Repair Unit; DP-1; Thruster; IWS; Lifting Appliance; PSPC(B)

(1)樁腿主要設(shè)計(jì)參數(shù)

樁腿數(shù)

4

升降系統(tǒng)型式

液壓插銷式

長(zhǎng)度(包括樁靴)

73.00 m

外徑

3.80 m

材料

EH690

結(jié)構(gòu)型式

圓筒形(鋼板卷制焊接)

筒壁厚度

68 mm

作業(yè)溫度

-10 ℃～+45 ℃

(2)樁腿制造精度要求

整樁長(zhǎng)度公差

≤50 mm

外徑公差

圓度

≤3 mm

直線度

5 mm/10 m；60 mm/整樁

樁腿結(jié)構(gòu)示意見圖1。

(3)主要檢驗(yàn)依據(jù)及參考標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)規(guī)格書；

《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2016)；

《材料與焊接規(guī)范》(2018)；

CB/T 4000—2005中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM及其他相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 樁腿制造流程

本項(xiàng)目樁腿制造大體流程見圖2。

圖2 樁腿制造簡(jiǎn)要流程圖

2 建造和檢驗(yàn)要點(diǎn)

根據(jù)樁腿材料特性和設(shè)計(jì)要求，整個(gè)制造檢驗(yàn)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)是焊接和精度控制，因而有必要對(duì)各個(gè)制造環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)控制要點(diǎn)進(jìn)行研究。

2.1 焊接工藝的選定

本次檢驗(yàn)的樁腿原材料厚度大，需要多道焊成型，焊接工作量大，焊接過程控制要求極高。為考察E690材料的焊接性能，首先應(yīng)核算其碳當(dāng)量。依據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2018)中的碳當(dāng)量計(jì)算公式，最終得出本次選用的E690鋼板碳當(dāng)量約為0.56%，遠(yuǎn)高于一般高強(qiáng)度鋼碳當(dāng)量(0.42%)。由此可見，其焊接性能遠(yuǎn)不如一般高強(qiáng)度鋼。為保證焊接接頭的性能，避免產(chǎn)生冷裂紋，焊接之前應(yīng)采取預(yù)熱措施，焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度，焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，并保溫緩冷。

關(guān)于焊接材料的選用，《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2016)有明確要求，E690材料僅有“4Y69”、“5Y69”兩種等級(jí)的焊材可供選擇?，F(xiàn)選取三種認(rèn)可后的焊接工藝進(jìn)行對(duì)比分析，見表1。

表1 三種認(rèn)可后的焊接工藝對(duì)比分析

樁腿船臺(tái)合攏焊接位置為橫焊，有兩種工藝可供選擇。船廠最希望采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，原因主要是效率高、成型效果好。據(jù)測(cè)算，在船臺(tái)施工條件下，若采用手工電弧焊，一道樁腿合攏縫總的焊接時(shí)間為5～6 d(不包括焊前預(yù)熱及焊后保溫時(shí)間)；采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊時(shí)，總的焊接時(shí)間可縮短為2～3 d。但是，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊對(duì)環(huán)境要求極高。本項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境條件很難長(zhǎng)時(shí)間滿足要求，同時(shí)保護(hù)氣體的純度是否穩(wěn)定也會(huì)影響焊接質(zhì)量。最終，經(jīng)過綜合考量，樁腿船臺(tái)合攏采用傳統(tǒng)的手工電弧焊。

2.2 樁腿筒體分段制造

2.2.1鋼板下料和卷制

不同于普通結(jié)構(gòu)用鋼，E690鋼材一般延伸率較低，屈強(qiáng)比較大，其機(jī)械加工性能遠(yuǎn)低于普通結(jié)構(gòu)用鋼，若加工過程操作不當(dāng)，極易產(chǎn)生裂紋。

由于樁腿筒體由鋼板卷制成型，因此鋼板加工工藝中應(yīng)考慮到延伸率的限制，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行冷彎工藝評(píng)估。加工時(shí)應(yīng)按工藝要求設(shè)定卷板機(jī)的加工參數(shù)，加工輥輪表面應(yīng)時(shí)刻保持清潔。筒體卷制、焊接、輥圓完成后，應(yīng)仔細(xì)檢查，確認(rèn)無表面缺陷。

2.2.2焊前準(zhǔn)備工作

為控制焊接變形，工廠應(yīng)根據(jù)前期工藝試驗(yàn)的數(shù)據(jù)預(yù)留變形收縮量。筒體完成后應(yīng)在端部做好對(duì)接標(biāo)記點(diǎn)，對(duì)接裝配時(shí)應(yīng)注意按設(shè)計(jì)要求將縱縫接頭錯(cuò)開規(guī)定距離。

焊接工作開展前，應(yīng)檢查車間環(huán)境狀況。車間應(yīng)盡量封閉，焊接工位應(yīng)避開風(fēng)口，確保無雨水滴淋。環(huán)境濕度大時(shí)，應(yīng)采取除濕措施或者停止焊接。

2.2.3筒體分段焊接

根據(jù)《材料與焊接規(guī)范》(2018)的要求，本項(xiàng)目焊工需通過母材級(jí)別為“W03”的考試。焊工需接受焊前培訓(xùn)，熟悉筒體焊接程序和WPS相關(guān)要求。

焊接過程應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行WPS要求。考慮到溫度突變對(duì)材料的影響，應(yīng)使用電加熱裝置進(jìn)行焊前預(yù)熱，禁止使用火焰割刀進(jìn)行加熱。由于埋弧焊速度相對(duì)較快，焊縫層間溫度經(jīng)常來不及降至WPS要求的范圍，因此，每道焊焊前應(yīng)測(cè)量記錄層間溫度。若層間溫度超標(biāo)，需要等焊縫自然冷卻至WPS要求的溫度范圍方可繼續(xù)施焊。焊接過程必須全程監(jiān)控并留有詳細(xì)記錄,所有焊縫需實(shí)名記錄。

焊后應(yīng)隨即進(jìn)行熱處理，加熱至WPS要求的溫度范圍并按時(shí)間要求保溫。冷卻過程應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響，必要時(shí)采取緩冷措施。

2.2.4插銷孔加工

在插銷式升降系統(tǒng)中，插銷孔是樁腿結(jié)構(gòu)直接受力點(diǎn)，直接承受整個(gè)平臺(tái)的載荷。為準(zhǔn)確測(cè)量插銷孔的加工尺寸，應(yīng)使用定制的專用樣板。插銷孔邊緣打磨完成后，應(yīng)進(jìn)行表面探傷，確保無裂紋。插銷孔內(nèi)部水密封板焊接完成后應(yīng)進(jìn)行密性試驗(yàn)。

2.2.5樁腿分段制造精度測(cè)量

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，樁腿直徑允許0～-5 mm的偏差，筒體外部焊縫需做磨平處理。根據(jù)本項(xiàng)目插銷式升降裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，樁腿直徑最好控制在0～-2 mm范圍內(nèi)。為達(dá)到控制目標(biāo)，精度測(cè)量應(yīng)貫穿整個(gè)筒體分段制造過程。

單個(gè)樁腿筒體焊接、輥圓后應(yīng)測(cè)量各項(xiàng)參數(shù)。圓度測(cè)量需要制作專門的樣板。

筒體每個(gè)合攏環(huán)節(jié)完成后均應(yīng)進(jìn)行精度測(cè)量。所選的測(cè)量環(huán)面應(yīng)包括所有容易產(chǎn)生變形部位，如環(huán)縫兩側(cè)、筒體自由端、內(nèi)部環(huán)狀結(jié)構(gòu)安裝位置等。為確保測(cè)量精度和效率，盡量選擇使用高精度全站儀進(jìn)行測(cè)量。

2.3 筒體分段與樁靴內(nèi)部結(jié)構(gòu)焊接

第一節(jié)筒體(樁腿最底部區(qū)段)完工后，需要與樁靴進(jìn)行裝配焊接。根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2016)的定義，與樁靴相連接部分的樁腿垂直結(jié)構(gòu)屬“特殊構(gòu)件”，即“關(guān)鍵載荷傳遞點(diǎn)”和“應(yīng)力集中處”，見圖3。同時(shí)，查閱樁靴結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果可見，樁腿與樁靴頂板、底板連接位置也是受力集中區(qū)域。樁靴頂板受力云圖見圖4。因此，這些位置的裝配精度、焊接質(zhì)量也應(yīng)特別關(guān)注。

圖3 樁靴關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

圖4 樁靴頂板受力云圖

2.4 樁腿分段船臺(tái)定位合攏

2.4.1樁腿分段吊裝定位

受起吊高度影響，升降系統(tǒng)裝配流程如下：樁靴隨平臺(tái)主體預(yù)定位后，進(jìn)行樁腿分段吊裝預(yù)定位，然后進(jìn)行固樁室(包括動(dòng)定環(huán)梁)定位及精控測(cè)量(包括上下耐磨板中心對(duì)位)，最后進(jìn)行樁腿及樁靴定位。樁腿分段定位環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行各種參數(shù)的精度測(cè)量，如與耐磨板間隙、周向?qū)ξ痪?、直線度、合攏口上下插銷孔孔心距(包含預(yù)留的焊接收縮量)、筒體板對(duì)接位置錯(cuò)邊量等。

2.4.2樁腿船臺(tái)合攏焊接

(1)現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)措施：所有焊接位置應(yīng)有牢固的防風(fēng)、防雨雪圍擋。根據(jù)其他船廠同類項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，應(yīng)特別注意防止雨水沿筒體外壁向下流至焊縫區(qū)域。

(2)焊材管理：焊條使用前應(yīng)嚴(yán)格按使用說明要求進(jìn)行烘烤、保溫。

(3)焊接程序和過程控制：為控制變形量，樁腿合攏縫應(yīng)安排雙數(shù)焊工進(jìn)行對(duì)稱焊接。焊接過程必須嚴(yán)格按WPS要求進(jìn)行控制，焊前預(yù)熱、層間溫度控制、焊后熱處理等過程必須全程監(jiān)控記錄。

(4)其他注意事項(xiàng)：焊接工作應(yīng)連續(xù)進(jìn)行不得中斷；焊接過程中打磨時(shí)不得使用氣動(dòng)打磨機(jī)，必須使用電動(dòng)打磨機(jī)；焊縫缺陷返修不得超過2次，超過2次需經(jīng)過特別認(rèn)可。

2.5 無損探傷

樁腿結(jié)構(gòu)無損探傷(NDT)需滿足《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2016)的相關(guān)要求。根據(jù)規(guī)范，本項(xiàng)目樁腿相關(guān)結(jié)構(gòu)焊縫探傷要求見表2。

表2 規(guī)范要求的樁腿結(jié)構(gòu)焊縫探傷比例

根據(jù)規(guī)范要求，所有探傷應(yīng)在焊縫熱處理結(jié)束72 h之后進(jìn)行。本項(xiàng)目樁腿鋼板厚度為68 mm，常規(guī)射線探傷效果不佳，作為替代，選用相控陣超聲(PAUT)和衍射時(shí)差法(TOFD)聯(lián)合掃描方法對(duì)樁腿對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)相關(guān)要求，檢驗(yàn)前應(yīng)針對(duì)項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)以上檢測(cè)工藝進(jìn)行認(rèn)可。樁腿結(jié)構(gòu)探傷比例見表3。

表3 樁腿結(jié)構(gòu)焊縫實(shí)際探傷比例

3 問題及建議

3.1 樁腿內(nèi)部檢驗(yàn)通道問題

本次檢驗(yàn)的平臺(tái)樁腿總長(zhǎng)73 m，從最底端到頂部出口僅有一條通道(見圖5)，樁腿內(nèi)部實(shí)際上形成了一個(gè)單出口(800 mm×600 mm)的垂直狹長(zhǎng)空間。這種設(shè)計(jì)給平臺(tái)后期營(yíng)運(yùn)過程中的維護(hù)保養(yǎng)工作造成了極大的不便，同時(shí)還埋下了安全隱患。經(jīng)查閱《MODU CODE》(2009)及其他相關(guān)資料，未明確要求樁腿內(nèi)部需設(shè)置兩條檢驗(yàn)通道， UI MODU 1(Rev.1)明確了樁靴和升降基礎(chǔ)的開孔可以不必滿足PMA檢驗(yàn)通道的要求。

圖5 樁腿內(nèi)部通道

針對(duì)該問題，作者建議：后續(xù)同類項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求的情況下，設(shè)計(jì)一條聯(lián)通樁腿與樁靴，然后從樁靴上部人孔蓋通向外部的檢驗(yàn)通道。在平臺(tái)塢檢時(shí)，這種設(shè)計(jì)能確保樁腿同時(shí)有兩條通道可以進(jìn)出(見圖6)，為人員在樁腿內(nèi)部施工增加安全保障。

3.2 樁腿插銷孔密性試驗(yàn)問題

《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》(2016)對(duì)圓柱形樁腿插銷孔位置的密性試驗(yàn)無明確要求。

根據(jù)本項(xiàng)目規(guī)格，平臺(tái)最大作業(yè)水深為40 m,在某些作業(yè)工況下，樁腿最大入泥深度為13 m。根據(jù)上述設(shè)計(jì)指標(biāo)，在制定插銷孔密性試驗(yàn)參數(shù)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮水深和插銷孔入泥深度的影響。

圖6 兩條通道示意圖

作者建議：針對(duì)圓柱形樁腿插銷孔以及類似結(jié)構(gòu)的密性試驗(yàn)要求，規(guī)范給出適當(dāng)?shù)恼f明，以便現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)有據(jù)可依。

4 結(jié)論

隨著海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海上移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)趨于大型化、復(fù)雜化。平臺(tái)結(jié)構(gòu)的材料等級(jí)越來越高，制造精度要求也大幅提升。本文闡述了平臺(tái)樁腿制造檢驗(yàn)控制要點(diǎn)，為保證檢驗(yàn)質(zhì)量、降低風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)樁腿制造檢驗(yàn)過程中的控制要點(diǎn)進(jìn)行了概括。這些都給建造廠家的工藝技術(shù)、管理水準(zhǔn)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工程應(yīng)用價(jià)值。

(1)本項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境條件很難長(zhǎng)時(shí)間滿足要求，樁腿船臺(tái)合攏采用傳統(tǒng)的手工電弧焊。

(2)為達(dá)到控制目標(biāo)，精度測(cè)量應(yīng)貫穿樁腿制造的整個(gè)過程。

(3)無損檢測(cè)時(shí)，選用相控陣超聲和衍射時(shí)差法聯(lián)合掃描方法對(duì)樁腿對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)。