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1、自升式海洋平台建造,主讲人：王威江苏科技大学2011.11,一、引言,海洋平台是为开发与利用海洋资源，提供海上作业与生活的场所。随着海洋开发事业的迅速发展，海洋平台得到广泛的应用。就浅海石油开发而言，浅海自升式海洋平台不仅是个主导产品，而且其技术水准和建造的工艺技术水平可称之为高技术的代表。本章主要对自升式海洋平台做简介，包括其结构特点、载荷及受力特征、用钢的特点和建造。,二、自升式海洋平台结构特点,自升式海洋平台由沉垫、柱腿（立柱）、自升装置、模块组成。（1）沉垫：自升式平台的沉垫要沉入海底，并以此为基础用传动机构使平台上升和下降。故除在平台要移动工作地点时之外，该沉垫主要考虑的不是水动力特
2、性，而是其沉入海底后的压强大小。为此，自升式平台的沉垫一般设计成整块式，通常见到的以A字形居多。其结构基本形式仍与船体相仿。沉垫内主要是压载水舱，也有部分舱室作它用。,（2）柱腿：是自升式平台的立柱，因它除起立柱作用外，还起平台升降时的导向及升降作用，故常取名为柱腿。其柱腿数由3柱到14柱不等，但多数情况下用三柱式，这有利于模块（平台）上升、下降时调整水平。柱腿有三角桁架型、箱形和圆柱形等形式。柱腿上都有与自升装置有关的部件，如三角桁架式和箱式柱腿，一般设有齿条与自升装置中的齿轮相配合；圆柱式柱腿中的一种有平置长方孔与自升装置中的楔块插销相配合。,（3）自升装置：安装在柱腿通过模块处的模块内。
3、有机械式（用齿轮、齿条传动）、液压式（用液压升降）、气压式（用压缩空气升降）三种升降装置，且用插销（楔形块）使平台停于一定高度及置于同一水平面上，并使自升装置不用一直处于工作状态。当前世界上自升式平台的自升装置大部分采用机械式和液压式。,（4）模块（平台）：它与其他形式平台模块基本一样，所不同的是，次模块上有柱腿通过开口，此开口区称为固桩区，其结构相应加强以保证自升机构的安全、稳定及甲板的完整性。在同一平台上的几个固桩区的相对位置控制极严，是保证日后运行中平台能否升降顺畅的关键之一。,（5）悬臂梁：自升式平台的钻井架一般安置在平台边上，用一能伸缩的悬臂梁移动钻井架。该悬臂梁自重达数百吨，加上钻
4、井架的重量且要伸缩移动和钻井，故其重量重心的计算精度要求高，在制造和安装时，其公差要严格控制。该区有关位置也均应作相应的加强。,自升式钻井平台结构具有三个以上能上下移动的桩腿，通过升降机将平台主体结构升到海面以上一定高度进行作业，一般适用于水深在100m以内的近海。目前，自升式海洋平台大多为三桩腿式的三角形平台形式，桩腿起支撑平台的作用，是关键性构件，为减少波浪对桩腿的冲击，大多采用桁架结构。,二、自升式海洋平台载荷及受力特征,自升式海洋平台由于其作业要求，不可避免地受到各种海洋环境的考验。通常所考虑的作用在平台上的外载荷为风载荷、波浪载荷、海流载荷和冰载荷等。,1.风载荷风作用在海洋工程结构
5、物上所产生的载荷叫风载荷，它是指垂直于气流方向的平面所受的风的压力。风载荷计算式如下：Pw=C K h q A，式中 C代表风力系数，用以考虑受风结构物体体型、尺寸等因素对风压的 影响；K h代表风力高度变化系数；q代表计算风压；A代表起重机或起吊物品垂直与风向的迎风面积。,2.波浪载荷波浪作用在海洋工程结构物上所产生的载荷叫波浪载荷。各种海洋平台，无论是钢质桩基固定平台，还是各种型式的移动式平台，其基础(沉垫)和支撑结构(立柱)都浸入海浪中，承受着相当大的波浪作用力。所以，波浪载荷是作用在海洋工程结构物上的一项主要外力。海上结构物所承受的波浪荷载，常常是设计该结构物的控制荷载，它对工程的造价
6、，安全度及工作寿命起着举足轻重的作用。波浪对结构物的作用力的特性不仅取决于所处海域的波浪参数(波高、周期)及水深,3.海流载荷海流作用在海洋工程结构物上所产生的载荷叫海流载荷。当只考虑海流作用时，浸没水下圆形构件单位长度上的海流载荷可按下式计算：f D=0.5CDAUc2。式中：CD是阻力系数；是海水密度；A是单位长度构件垂直于海流方向的投影面积；Uc是设计海流速度。,4.冰载荷冰作用在海洋工程结构物上所产生的载荷叫冰载荷。自升式平台基桩浅，工作水深变动范围大，而且结构的柔度比较大，在冰载荷的作用下，平台将产生比较激烈的振动，影响平台的正常工作，并会导致平台的疲劳破坏。,三、自升式海洋平台用钢
7、的特点,1.海洋平台用钢特点 海洋平台的建造，除采用船体结构钢外，各国都另外发展一些平台结构专用钢。分析海洋平台用钢的现状，可以看出有如下一些特点：,（1）平台结构庞大，耗费钢材的数量多。水深100m的导管架式固定采油平台，需要钢材15 000t；水深140-150m时，需要钢材40 000t；水深310m时，需要钢材60 000t。芬兰马劳-雷勃拉公司曼特卢托船厂建造一座平台，高120m、长130m、宽90m，使用钢材达200103t。所以，在选材时要注意其经济性。,（2）平台建造不但用钢数量多，构件尺寸和厚度也大。构件的一般厚度为15-75mm，某些局部构件的厚度可达100mm。自升式平台
8、齿条用钢厚度达125-150mm。（3）平台用钢，大部分品种是板材和管材。由于管材在相同的条件下在海水中的形状阻力最小，从而所承受的海浪冲击力也最小，所以海洋平台的立柱、桩腿、支撑等结构都用管材（大直径管一般用钢板卷制焊接而成）。,（4）平台用钢，使用的钢种多。为了保证大型钢结构的强度和稳定性，大量采用普通强度钢，增大构件尺寸，以保证足够的刚度。但对承受高载荷的高应力区，为减轻自重而采用高强度钢。（5）平台结构复杂，一些部位刚性很大。在一些节点连接处，在厚度方向存在较高应力。这些应力在焊接过程中可能会高于材料的屈服强度。如果材料在厚度方向塑性不好，便有可能在厚度方向产生冷裂缝，即产生层状撕裂，
9、因此，平台建造需要采用抗层状撕裂钢（Z向钢）。,（6）庞大的平台结构焊接工作量很大.如果钢的可焊性不好，不仅需要较高的预热温度，而且质量也不易保证。因此，改善钢的可焊性是平台用钢至关重要的问题。为了提高焊接质量，在改进焊接工艺的同时，各国都在研究大厚度不预热、无裂纹的可焊性良好的新钢种。,（7）平台在海洋环境中长期遭受海水腐蚀，构件厚度逐渐损耗，再加上海浪、风暴、流砂等的反复冲击，还可能发生腐蚀疲劳。海水腐蚀降低了平台的使用寿命。因此，除对海洋平台采取各种防护措施外，也希望所使用的钢材具有较高的耐海水腐蚀性能。为此，它需要比普通钢更具有耐腐蚀的新钢种-耐海水腐蚀钢。,2.自升式海洋平台节点用钢
10、 海洋钻井平台和采油平台结构种类很多，除了工作平台上层建筑以外，都有坚固的支撑结构。这些管型结构通过一些管型节点形成整体。这些管节点都承受着较高的载荷，具有较大的应力集中。,以往管节点均采用焊接结构。但焊接管节点有许多不利条件，使得节点经常发生断裂事故。这些不利条件包括：-节点除承受较高工作应力外，焊接还产生附加的残余应力；-焊接接头部分材质不均匀，性能恶化；-焊缝成形难于保证节点光顺过渡，加剧了应力集中等。因此，焊接节点容易发生破坏，特别是在海洋环境下的疲劳，成为影响节点寿命的关键。研究Z向钢对解决施工和使用过程中的层状撕裂是有效的，但不能完全解决疲劳问题。国外已研究了铸钢节点。,铸钢节点的
11、优点是：-能按理想的形状成形；-壁厚不能受限制，可按受力大小随意增减壁厚；-连接处可得到平滑光顺的过渡，减轻了应力集中，提高了疲劳寿命。,3.自升式海洋平台齿条用钢 自升式钻井平台的甲板与船体结构一样，能将可升降的支腿提起，将平台拖航到钻探海域，钻探时将桩腿下降伸到海底，甲板部分借助齿轮齿条机构上升到水面以上位置进行作业。一般自升式钻井平台，为了增加稳定性，减轻自重，大量使用480-784N/mm2的高强度钢。特别是为了升降甲板而安装在桩腿上的齿条，是使用厚板为127-150mm的784N/mm2级特厚高强度钢。对于这种齿条材料的性能要求与平台结构、工作载荷、工作海区、焊接施工方法等有关，因而
12、对其提出了特别高的要求。,（1）高强度：为了既能减轻桩腿的重量，又能增加拖航中的稳定性，齿面上应能承受大的应力，并且在结构上要起到腿的加强作用，因此要求采用784 N/mm2的高强度钢。,（2）高韧性：为了避免在使用过程中发生脆性断裂并确保安全，采用了比工作海区的最低日平均温度低20-30的温度作为设计的基准温度，实际上在温暖海区取为-30，在极寒冷海区为-50，确保夏比冲击值达到所要求的高韧性。,（3）可焊性好：因结构的角焊缝很多，且施焊大多在室外进行，所以在焊接热影响区容易产生低温裂纹和层状撕裂，因此要求钢材有小的裂纹敏感性。重要的是焊接线能量较高时，焊接接头的韧性要好，要求韧性值大致与基
13、体金属的韧性值相当。,（4）组织均匀致密：齿条的齿面多数是气割后进行退火处理后使用，对气割后的齿面不再进行加工。因此，钢板必须具有优良的气割性能，在气割面上不出现氢致缺陷和夹杂物缺陷。在气割面之下要求具有足够的硬度，在各方面有均匀的硬度分布。（5）除上述质量要求外，还要有较好的经济性。,四、自升式海洋平台的建造,海洋平台从设计到制造，直至交付使用，包含着许多相互关连的因素，需综合考虑和处理。就建造工艺工作者而言，在海洋平台设计之初，就要了解其使用标准、环境标准等基本情况，从而对设计者提出工艺要求，对结构工艺性提出建设性意见，以便日后建造时便于施工，并简便可靠。,1.建造方案,所谓建造方案选择，
14、是指选定一种将其最后组装成平台的建造方法。海洋平台的总装方法有分段法、总段法；总段法又可分为陆上总段法与海上总装法。对自升式海洋平台而言，-所谓分段建造法，是指其桩腿由部件组装成分段后，直接在自升式平台沉垫上组装成桩腿整体；-所谓总段建造法，是指将其桩腿分段组装成封闭型的桩腿总段，再在自升式平台沉垫上总装成整体桩腿。,鉴于海洋平台其长、宽、高尺度比，较为特殊，总体重量又大，所以除在陆地上建造外，还常用在海上总装法。由于海洋平台的特点，要完全满足其建造要求的设备，在一般造船厂中是困难的。而专为其添置设备不但要投资、投资额大，且往往在时间上是不允许的。所以利用工艺方法来决定建造方案，可不用添置新设
15、备。,为解决场地及下水困难，可以采用水上合拢法，它的起重设备，通常是用大起重能力的浮吊。为解决起重能力不足，租用浮吊在经济上又不划算时，可以采用机械顶升法。当场地、下水设施、起重设施不能满足要求时，可采用水上合拢法、浮力升顶法、自升安装法、岸边起重机与浮吊联合吊装法等。,2.分段划分特点,自升式海洋平台主要由平台壳体、沉垫和桩腿三大部分组成，每个部分都有其本身的特点，在分段划分时应该考虑这些特点，以便划分得比较合理。,（1）平台壳体的分段划分特点,根据自升式平台的特点，自升式平台的平台壳体多采用平面分段上船台进行大合拢，也就是说，平台壳体的划分，应以平面分段为其主要形式，其原因如下：1）由于自
16、升式钻井平台的平台是一长宽相近的结构物，其平面图形又往往是三角形或梯形，不便象船舶那样将其分为若干环形总段或立体分段，不便于得到整齐的立体分段切口；,2）平台的舱内设备（如发电机组、泥浆泵、大型硅整流装置等）都应经单元组装后才进舱装在下甲板上，上面再盖一层主甲板就完成了封闭工作，但设备安装处上甲板一般均不开口，因此只能先使设备单元进舱后再封甲板。因此，只有采用平面分段式的甲板结构最为方便；,3）若以环形立体段上船台，必须经过二次组装，且在吊装上甲板以前必须安装相应的设备单元，而这些设备在尺度、重量方面一般都较大，与壳体环形段组合成一个两面开口或三面开口的立体段后不论从重量方面或结构刚性方面考虑
17、均不合适；,4）由于平台长、宽方向的尺寸大致相近，采用平面分段上船台有利于向多个方向同时进行装配焊接施工，从而可扩大施工面，缩短平台建造周期；5）由于平台壳体基本没有曲度，因此各分段大都可在平面分段流水线或平面工位建造。将平台壳体划分为较多的平面分段，不仅能提高平面分段流水线的利用率，更为重要的是可以提高生产效率，缩短分段制造周期。,当然，平台壳体在以平面分段为主进行划分的同时，也不排除少量采用立体分段，这要根据平台的结构特点来决定。例如，若平台壳体本身具有局部双底结构，则双底部分一般仍划分为立体分段为好。,另外，桩腿支承套管因要与桩腿配合，其精度要求很高，而且桩腿支承套管舱内要安装复杂的提升
18、机构，因此不宜在该部位进行分段划分，一般将整个桩腿支承套管舱划分为一个完整的立体分段，预制好以后在上船台，以保证该部分的精度。,（2）沉垫划分时应考虑的若干因素,由于自升式钻井平台沉垫的宽度尺寸一般都较大，不易在常规纵向倾斜船台上合拢下水，因此通常的做法是将沉垫分为几个大型总段来预制，下水后在水上总装成整个沉垫。,（3）自升式钻井平台桩腿的划分特点,在进行自升式钻井平台桩腿的分段划分时，除考虑起重量、制造方便、材料规格等因素外，还必须考虑以下特殊问题：1）无论是桁架式桩腿还是圆筒形桩腿，只要是由齿条传动进行平台升降的，桩腿环形接缝一般应布置在齿根部位。因为焊缝布置在齿根部位，焊接工作量最小，焊
19、接引起的热变形也最小。另外，焊缝布置在齿根区，修整精度稍差一点也不至于对平台的升降有很大的影响。,但是，如果平台的升降是靠圆柱形桩腿上的销孔和升降机构上的插销来实现的，则对桩腿进行分段划分时，分段接缝不应布置在插销孔部位，而应布置在两排插销孔之间，以保证插销孔的制造精度和各排插销孔的间距准确，以利于平台的顺利升降；,2）对于桁架式桩腿而言，无论其横剖面形状是正方形或是正三角形，其分段形式一般均采用对正三角形和对正方形，其分段接缝位置一般均设在水平桁撑的圆盘板和水平斜撑的方头这两种自然接头处。这样划分，主要是为了利用齿条组合体的面板作为分段装配的基面，便于减少齿条在装焊过程中产生的变形，保证齿条
20、的桩腿的制造精度。至于分段接缝设在圆盘板和方头之处，主要是为了减少装焊工作量，同时分段接缝设在这两处也有利于桩腿环形段的合拢；,3）布置桁架式桩腿环形接缝时，除应考虑1）中指出的问题，还应考虑便于V形分段的装配和桩腿环形总段的对接。从这个角度出发，环形大接缝最好设在某一K形管架的水平管和上一K形管架的斜管之间，而不要设在同一K形管架的水平管和斜管之间。因为若将环形大接缝设在同一K形管架的水平管和斜管之间，则各V行分段端部的人字管架只有水平管和齿柱组合体相连，因而增加了V形分段安装、定位的难度，对伸出齿柱组合体外地斜管还要进行临时支撑；,同时，进行桩腿环形总段的对接时，不仅要进行齿柱组合体的对接
21、，而且要进行上一段端部K形管架的斜管与下一段齿柱组合体间的装配焊接，显然增加了环形总段的对接工作量和难度，同时也不利于控制最终的焊接变形。,3.焊接的特点,海洋平台是焊接结构，由于结构复杂，应力集中程度高，工作环境条件苛刻，在外载荷作用下特别易于产生脆性断裂和疲劳破坏。为了防止这些破坏的发生，确保平台安全，除了在设计、选材上注意防止外，焊接过程的控制也是极为重要的。在焊接过程中影响结构性能的，主要是焊接材料、焊接方法和焊接工艺、焊接检验等。,金属焊接，是利用局部加热的方法，将两块金属工件接缝处局部加热到熔化状态，通过冷却重结晶而连接在一起的一种方法。这种方法也称为熔接法。熔接过程是金属再冶金过
22、程。参与这一过程的有被焊金属、填充金属。母材和填充金属熔化后冷却结晶形成焊缝，邻接焊缝的母材金属受焊接热循环的影响而发生了组织和性能变化。组织和性能变化的部分称为热影响区。焊缝、热影响区和部分母材组成焊接接头。,上述冶金过程形成的焊缝金属，不仅改变了母材的化学成分和晶体组织，而且也改变了母材的性能。其性能变化取决于母材的性质、焊接材料和焊接工艺。热影响区在焊接热循环作用下发生了组织变化，从而改变了母材的性能。热影响区的性能变化取决于母材的性质和焊接工艺。热影响区内因受热程度不同，其性能变化也有差异。熔合线附近为过热区，因受热温度高作用时间长晶粒长大粗化而变脆化；相邻为淬硬区，得到硬而脆的近马氏
23、体组织，同样发生脆化，故热影响区的性能恶化了。,提高和改善母材及焊缝金属的韧性，可以阻止或延缓裂纹的发生和向外扩展。平台结构焊接研究的重要任务就是从焊接材料、焊接方法和工艺等方面来改善焊接接头的性能。自升式海洋平台结构是管件纵横交错，管节点众多，且多为厚壁管件的结构，焊接要比一般结构困难而又要求高，加之使用中难于维修，因此焊接施工规定极为严格，其特点是：,（1）为了防止冷裂纹和提高热影响区的韧性，多采用低氢型和超低氢型碱性焊条。（2）焊接热输入量通常限制在40-50KJ/cm的范围内，以确保焊接接头的韧性和抗脆断的性能。（3）厚板焊接，一般焊前需预热，以防裂纹发生。,（4）管节点和关键部件焊后还需进行热处理，以消除焊接残余应力。（5）管件桁架结构大多采用全位置、全熔透、多层多道手工焊接。（6）承受交变应力的管节点和关键构件的角焊缝还需磨修或熔修，以修整焊缝和消除表面缺陷，减少应力集中，提高疲劳寿命。,谢谢,
