90 m自升式海上平臺(tái)圍阱的精度研究及改進(jìn)

林 偉，楊九九，余 彪，王 華，戴康利，黃佛生

（金海重工（舟山）設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江岱山 316200）

90 m自升式海上平臺(tái)圍阱的精度研究及改進(jìn)

林 偉，楊九九，余 彪，王 華，戴康利，黃佛生

（金海重工（舟山）設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江岱山 316200）

文章主要闡述了90 m自升助航式海上平臺(tái)圍阱施工精度控制方法，以及為了降低施工的難度，縮短生產(chǎn)周期，對(duì)圍阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期的效果。

圍阱；圍筒；精度控制；平臺(tái)

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)石油能源需求量越來(lái)越大，而陸地開采受到地理分布和開采難度等條件的限制，國(guó)內(nèi)石油產(chǎn)量一直不能滿足日益增長(zhǎng)的能源需求。目前，國(guó)家進(jìn)口大量石油以緩解這一矛盾，而且進(jìn)口量逐年上升。但國(guó)際社會(huì)仍動(dòng)蕩不安，能源安全問(wèn)題受到嚴(yán)重威脅。面對(duì)重重矛盾，國(guó)家非常重視海洋資源的勘探及開采。海工平臺(tái)成為開發(fā)海洋的重要工具，國(guó)家大力倡導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新、自主研發(fā)[1]。

在這樣的背景下，金海重工股份有限公司（下稱“公司”）建造的90 m自升助航式海上平臺(tái)（下稱“90 m S.E.U”）是公司的第一艘海工平臺(tái)，是公司戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重要項(xiàng)目，同時(shí)也是自主生產(chǎn)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，對(duì)公司發(fā)展海工產(chǎn)品具有里程碑意義。

1 船舶概況

船舶主尺度：總長(zhǎng)85.1 m，型長(zhǎng)63.6 m，型寬40.0 m，型深5.8 m，設(shè)計(jì)吃水3.0 m，載員300人，最大作業(yè)水深60 m。

主要特點(diǎn)：四條90 m圓柱式帶方形樁靴的樁腿和升降系統(tǒng)，自航式，具備居住單元、DP1定位系統(tǒng)、190 t吊機(jī)。如圖1所示。

90 m S.E.U結(jié)構(gòu)由主船體、樁腿、樁靴、圍阱、生活樓及直升機(jī)甲板主要部分組成。圍阱是90 m S.E.U的重要組成部分，也是升降系統(tǒng)的核心部分之一，其建造精度要求非常高，圍阱的精度水平直接影響90 m S.E.U的升降功能及使用壽命。圍阱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖2所示，主要由圍筒、π型板及周圍結(jié)構(gòu)組成。圍阱的精度公差小，對(duì)船廠的生產(chǎn)建造及管理水平都是一項(xiàng)巨大考驗(yàn)。本文主要介紹圍阱的精度控制方法和圍阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，旨在降低施工難度，提高生產(chǎn)效率。

2 圍阱精度控制公差范圍[2]

圍阱精度控制公差范圍見表1。

表1 圍阱精度控制公差范圍

3 影響圍阱精度因素

圍阱作為整個(gè)平臺(tái)動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，其制作精度要求非常高，影響其精度因素主要有幾個(gè)方面：圍阱筒體加工精度、圍阱裝配和π型板安裝精度、齒輪箱安裝精度、運(yùn)輸方式、搭載方式。

3.1 圍筒加工精度

圍筒板材切割精度控制，應(yīng)選用正確規(guī)格的板材，檢查出廠爐批號(hào)，對(duì)鋼板的板厚、表面粗糙度、鹽分、板厚等進(jìn)行嚴(yán)格檢查和登記。仔細(xì)核對(duì)切割指令準(zhǔn)確無(wú)誤，選用切割變形較小的火焰數(shù)控切割機(jī)切割零件。檢查割好的零件的長(zhǎng)度和寬度，偏差不能超過(guò)0.3 mm，相鄰兩邊需要保證垂直度，角度偏差不能超過(guò)0.1°。采用自動(dòng)坡口機(jī)切割坡口，坡口角度偏差嚴(yán)格控制在1°以內(nèi)[3]。

采用三蕊輥卷板機(jī)把零件卷成圈形。首先需要采用油壓機(jī)對(duì)板兩端進(jìn)行預(yù)彎，預(yù)彎的長(zhǎng)度為三蕊輥卷板機(jī)兩個(gè)下輥中心尺寸的 1/2。預(yù)彎時(shí)需要在特制的模具上進(jìn)行，用樣板進(jìn)行檢驗(yàn)，預(yù)彎的加工偏差量不能超過(guò)1 mm。預(yù)壓完成后，將其放在卷板機(jī)上，進(jìn)行滾圓加工。此過(guò)程非常關(guān)鍵，難度也較大。在卷板機(jī)上加工時(shí)，需要保證預(yù)彎的邊與輥軸平行。加工成型以后，采用內(nèi)圓弧形樣板輔助檢驗(yàn)，零件加工內(nèi)徑公差0 mm～3 mm，圓度±3 mm，軸心直線度3 mm/10 m[4]。加工完成后零件豎立放置48小時(shí)釋加工應(yīng)力，筒體加強(qiáng)（見圖3），減少運(yùn)輸、裝配、焊接變形。

3.2 圍阱裝配及π型板安裝精度

圍阱裝配，精度嚴(yán)格，公差允許小。筒體內(nèi)徑公差0 mm～3 mm，圓度±3 mm，軸心直線度3 mm/10 m[1]。錯(cuò)邊量（開口邊緣≤1 mm，環(huán)縫小于等于1.5 mm），端面不平度≤1‰Di且≤2 mm，圓度≤1‰Di且≤3 mm[2,5]。定位結(jié)束后測(cè)量整套精度數(shù)據(jù)后進(jìn)行圍阱焊接，留反變形余量，開設(shè)小坡口，低電流低電壓，預(yù)熱，采用CO2氣體保護(hù)焊打底，埋弧自動(dòng)焊多次多道的焊接（見圖4）以及保溫等方法控制焊接變形，同時(shí)做好過(guò)程監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)超差及時(shí)處理。

π型板安裝，π型板作為傳動(dòng)設(shè)備安裝平臺(tái)，π型板裝配要求保證x、y和z方向的安裝精度：1）x方向安裝精度：安裝架基準(zhǔn)基于樁腿導(dǎo)筒基準(zhǔn)高度差±1mm；2）y方向安裝精度：以樁腿導(dǎo)筒垂直中心線為基準(zhǔn)量取半寬值2 160 (0, +1.5) mm；3）z方向安裝精度：通過(guò)頂甲板定位封閉頂部，如圖5所示。

若采用傳統(tǒng)的固定胎架進(jìn)行焊接，需要進(jìn)行翻身作業(yè)或者采用仰焊的形式，而這些措施都會(huì)影響整個(gè)精度。因此為保證建造精度胎架采用套筒式旋轉(zhuǎn)胎架，每隔2 m～3 m設(shè)置一個(gè)胎架，設(shè)置位置與圍筒內(nèi)部加強(qiáng)相對(duì)應(yīng)，且π型板螺栓頂撐將其緊固于圍阱上（圖6）。

3.3 圍阱運(yùn)輸

圍阱制作完工后，需要將其放置在特殊門架上，禁止將圍筒與門架進(jìn)行焊接，以減少放置時(shí)由于重力或受力不均衡等因素而引起的變形（圖7）。

同時(shí)在圍筒內(nèi)部的臨時(shí)加強(qiáng)（圖8）可以增加圍筒的剛性，減少放置及運(yùn)輸過(guò)程中帶來(lái)的變形，臨時(shí)加強(qiáng)在圍阱船塢搭載結(jié)束后再拆除。

3.4 圍阱的搭載

為方便齒輪箱的安裝，圍阱采用齒輪箱安裝結(jié)束后船塢單獨(dú)吊裝。先將圍阱分段船塢搭載，焊接、變形火功校正完成后，再把圍筒插入圍阱分段定位。找出圍筒上、下中心，確保在同一垂直線上，偏差控制在1 mm以內(nèi)。

圍阱分段焊接的過(guò)程中，精度部門、設(shè)計(jì)部門、施工部應(yīng)密切配合。施工部門嚴(yán)格按照焊接工藝，制定合理的焊接順序；精度部門時(shí)刻監(jiān)測(cè)圍筒的直線度、圓度等精度數(shù)據(jù)，分析是否超差，并將數(shù)據(jù)匯報(bào)給施工和設(shè)計(jì)部門。如果發(fā)現(xiàn)超差情況，施工部門停止施焊，匯同設(shè)計(jì)部門分析原因，找出解決方案，再進(jìn)行下一步。焊接結(jié)束進(jìn)行精度測(cè)量和完整性檢查，焊接后48小時(shí)后再拆除內(nèi)部加強(qiáng)。

4 圍阱與樁腿

如圖2所示，樁腿的設(shè)計(jì)外徑是3 300 mm，而圍筒的設(shè)計(jì)內(nèi)徑是3 312 mm，兩者相差12 mm，即樁腿與圍筒的設(shè)計(jì)間隙是6 mm。根據(jù)表1可知，圍筒的圓度公差是±3 mm，如果圍筒控制在公差范圍內(nèi)以及樁腿公差為0時(shí)，也可能出現(xiàn)圍筒與樁腿的間隙為3 mm的情況。然而現(xiàn)實(shí)中樁腿精度肯定存在偏差，根據(jù)樁腿的公差要求，圓度控制在±3 mm。如果圍筒與樁腿可以控制在公差范圍內(nèi)，有可能出現(xiàn)間隙為0的情況。這對(duì)平臺(tái)升降帶來(lái)巨大的潛在危險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)裝配過(guò)程中精度控制過(guò)程是嚴(yán)酷的考驗(yàn)。在樁腿吊裝過(guò)程，如果發(fā)生無(wú)法插入，或者平臺(tái)在升降過(guò)程中，發(fā)生卡住或擠壓，都會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

5 圍阱改進(jìn)方案

設(shè)計(jì)公司及船東要求圍阱圍筒與樁腿的間隙盡可能小，原因是減少樁腿在圍阱內(nèi)的搖晃。但間隙偏小，對(duì)船廠施工要求較高。為了降低施工的難度，規(guī)避精度給平臺(tái)帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，如果對(duì)圍阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，既可以將圍阱圍筒與樁腿之間的間隙增大，降低施工難度及風(fēng)險(xiǎn)，又能滿足船東的要求，讓客戶滿意。按照這一思路，將圍阱圍筒的內(nèi)徑由原來(lái)的3 312 mm，改成3 328 mm，即圍筒與樁腿的設(shè)計(jì)間隙由原來(lái)的6 mm改成14 mm，同時(shí)在距圍筒上、下端口80 mm安裝寬度500 mm的墊板。如圖9所示，理論上墊板的厚度是7 mm，以保證有墊板處的理論間隙是6 mm。實(shí)際上，墊板的厚度需要根據(jù)圍阱與樁腿之間的真實(shí)間隙進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

通過(guò)此設(shè)計(jì)改進(jìn)，圍筒與樁腿的間隙由原來(lái)的6 mm，增加到14 mm，極大地降低了精度要求，解決了現(xiàn)場(chǎng)的施工難度大的問(wèn)題。同時(shí)在上、下口安裝的墊板可以達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，即減少樁腿在圍筒內(nèi)的搖晃，滿足了船東的要求。

6 結(jié)論

圍阱屬于90 m S.E.U的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，其精度控制非常重要，考驗(yàn)船廠的管理及生產(chǎn)建造水平。通過(guò)船廠各部門通力合作，加強(qiáng)管理，在精度控制方面下了很大力氣，使得精度水平上升了一個(gè)臺(tái)階。對(duì)于如此高精度的要求，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，加快生產(chǎn)進(jìn)度，增加效益，對(duì)圍阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，既降低了施工難度，也滿足了船東要求，受到了船廠施工部門及船東的一致贊揚(yáng)。

[1] 余彪, 楊九九, 王華, 等. 90 m S.E.U海工作業(yè)平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的精度控制[J]. 船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師, 2015, 48(5): 40-43.

[2] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn): CB/T 4000-2005[S]. 2005.

[3] CCS. 海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S]. 2012.

[4] 美國(guó)石油學(xué)會(huì). API_SPEC_5L[S]. 2007.

[5] ABS. ABS MODU RULE[S]. 2008.

Accuracy Research and Improvement of Jackhouse Construction on 90 m Self-elevating Unit

Lin Wei, Yang Jiujiu, Yu Biao, Wang Hua, Dai Kangli, Huang Fosheng

(Jinhai Heavy Industry (ZhouShan) Design & Research Institute Co. Ltd., Zhejiang Daishan 316200, China)

The article mainly demonstrates the accuracy control method of the construction of 90 m S.E.U jachhouse. In order to reduce the difficulty of the construction and to shorten the period of production, the structure of jackhouse is improved. The structure after improving reaches the expecting result.

jackhouse; jackhouse-cylinder; accuracy control; unit

TU578

A

10.14141/j.31-1981.2017.02.012

林偉（1981—），男，助理工程師，研究方向：船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)和建造。