自升式平台桁架式桩腿的制作工艺设计
摘 要摘 要21世纪是海洋的世纪，包括石油天然气在内的海洋资源的开发已经成为了世界各国的主要能源开发方向。海洋石油天然气的开采离不开海洋钻井平台的应用，而自升式钻井平台是目前应用最为广泛的钻井平台类型之一。桩腿作为自升式平台的一个关键结构，承载着整个平台的重量，因此对桩腿制作的强度和精度要求相对较高。我国建造自升式平台桩腿的经验丰富，在自升式钻井平台的制造工艺方面有很大的突破，但是在桁架式桩腿这一关键领域却缺少足够的建造经验。本文选取的是一座典型的拥有三个桁架式桩腿的自升式钻井平台，将详细研究桁架式桩腿的制作工艺设计。本课题针对桩腿制作高强度和高精度的要求，从工艺制作上围绕精度控制探讨桩腿胎架形式的确定与制作、桩腿分段合拢的工艺设计及尺寸控制、桩腿分段间对接合拢时的工装设计等工艺流程总结出一套高效合理的自升式平台桁架式桩腿的制作工艺。研究成果如下所示：（1）桩腿形式分为圆柱壳体式和桁架式，目前主流高效的是桁架式桩腿形式，因此本文针对桁架式桩腿进行深入研究。（2）本文分析研究了精度控制桩腿分段胎架的设计与制作步骤，可以有效节省桩腿分段制造的时间，并提高桩腿分段建造的质量。（3）本文分析研究了桩腿平台大合拢的步骤，通过协调吊机与浮吊的协同操作，可以有效节省码头桩腿大合拢的时间，并满足对接合拢的精度要求。 关键词： 自升式平台；桁架式桩腿；胎架；制作工艺；尺寸控制目录
第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 国内外研究的现状及存在的问题 1
1.3 本文的主要工作内容 3
第二章 桩腿制作工艺流程 4
2.1桩腿结构概述 4
2.1.1 桩腿形式 4
2.1.2 分段划分 7
2.1.3 桩腿材料情况 7
2.1.4 劳力需求及资源配置 8
2．2建造方案 10
2.2.1胎架设计与制作 10
2.2.2建造流程 14
2.2.3 QUARTER 分段制作 15
2.2.4 QUARTER分段中组 19
2.3 单节桩腿组装底座 22
2.3.1 桩腿组装底座技术要求 22
2.3.2 单节桩腿组装底座的尺寸要
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源配置 8
2．2建造方案 10
2.2.1胎架设计与制作 10
2.2.2建造流程 14
2.2.3 QUARTER 分段制作 15
2.2.4 QUARTER分段中组 19
2.3 单节桩腿组装底座 22
2.3.1 桩腿组装底座技术要求 22
2.3.2 单节桩腿组装底座的尺寸要求 23
2.4分段合拢 25
2.5 本章小结 25
第三章 分段中组 26
3.1 分段中组概述 26
3.2 地面承载力核算 26
3.3 桩腿齿条与弦管的焊接 27
3.3.1 齿条与弦管的焊接 27
3.3.2 齿条与齿条对接焊缝 27
3.3.3 焊接工艺参数 28
3.4 分段中组精度控制 29
3.4.1 焊接材料与胎架 29
3.4.2焊接间隙的装配 30
3.4.3 桩腿齿条焊前预热与层间温控 30
3.4.4 焊后热处理与合理的安装焊接顺序 30
3.5 本章小结 31
第四章 桩腿大合拢 32
4.1 桩腿大合拢概述 32
4.2 定位导向块与防风马板的设计 33
4.3 桩腿分段浮吊吊装 37
4.3.1 吊装能力与高度参数 37
4.3.2 浮吊吊装 40
4.4 本章小结 42
结 论 43
致 谢 44
参 考 文 献 45
第一章 绪论
1.1 概述
由于陆地资源的日渐枯竭，人们已经深刻的认识到只有广阔无垠的海洋里蕴藏着种类繁多的人类赖以生存的资源，世界各国也因此更加的注重于开发海洋资源，海洋也必将会成为人类今后生存与发展的广阔空间。这其中海洋油气资源的开发已经成为能源战略发展的重要方向[1]，因而钻井平台的需求量也随之急剧增加，在这其中自升式平台的需求量尤为巨大[2]。众所周知，自升式平台重要特点之一就是具有三个或三个以上可自由升降的桩腿[3]，桩腿在海上作业的时候插入海底[4]，由电动升降系统通过桩腿的支撑将整个平台升离海平面到足够的安全工作高度[5]。桩腿是自升式平台在作业过程中的唯一支撑[6]，是保证平台安全的关键。要建造性能优越的自升式平台，最困难的就是桩腿的建造[7]。
由于平台的发展日新月异，近海的石油资源已经大多被开采殆尽，石油公司已经把目光更多的放到深海石油的开采上，在地球上的海洋石油天然气资源绝大部分是深埋于深海底部的，因此这也决定了平台作业海域的水深不断提高而作业海域海况也相应的变得更加恶劣复杂多变，这也给造船厂带来了更多的机遇与挑战，只有那些能够紧跟技术发展方向的船厂才能够在未来的竞争中占得先机，而那些固步自封的企业则必将败落。在这些环境因素的推动下，自升式钻井平台的形状逐渐发展进化为现在的三角形箱体，桩腿的形式也从圆柱形逐渐发展进化成现在更加成熟可靠的“K”型桁架式结构[8]，这更加的符合平台的经济性以及安全可靠性的结构要求[9]。因此，我们研究自升式平台桁架式桩腿的制造工艺设计是很有必要的[10]。
1.2 国内外研究的现状及存在的问题
海洋工程是当今世界工业发展的重点趋势与方向，自升式钻井平台作为海工家族里的主流产品之一，自然的也就成为了各船厂竞相争夺的产品对象。而对于自升式钻井平台而言，最重要的难点就是桩腿的设计与建造。
1953年美国建造了第一座自升式平台，时至今日[11]，自升式平台的设计经过了六十多年的发展。上个世纪早期的自升式平台大多是圆柱壳体式桩腿，数量多达十几根；目前自升式平台的绝大多数都是桁架式三桩腿形式[12]，自升式平台的桩腿按照结构形式可分为壳体桩腿式和桁架桩腿式。通过现代材料科学超高强度钢和特种材料的发展使得平台桩腿的质量不断得到提高，这也是是钻井平台工作水深和平台作业在恶劣海况下工作的能力增加的最主要原因之一。
当今世界上正在建造中的深水桁架腿自升式平台主要由Friede &Goldman（以下简称：F&G）[13]、Le Tourneau 和MSC 等公司和船厂设计生产[14]。这些企业在这一领域拥有丰富的经验，并且已经实践生产出包括了多种型号的系列产品，这些平台同时也经过了时间的检验被证明是优秀合格的产品，一致获得了各国石油钻井公司的高度认可。在这其中，世界上1/3 的自升式钻井平台设计出自该行业先驱 Le Tourneau 公司之手[15]；荷兰MSC公司结合挪威北部海域的恶劣海况设计出了一系列可以在恶劣海况海域工作的自升式钻井平台，这是其区别于其他企业产品的一大特点；20世纪80年代初，美国F&G公司研发出齿条锁定系统（Rack Chock Fixation System），并且为此申请了专利，通过齿条锁定系统这一新技术可以使自升式钻井平台前往更深海域工作，实现了自升式平台的跨越式发展[16]。
由于我国经济持续三十年改革开放的高速增长，对石油天然气等能源的需求也是日益攀升，供求矛盾日益严重[17]。目前我国有能力建造自升式平台的企业已经有许多家，诸如外高桥造船有限公司、烟台来福士、南通中远船务[18]和招商局重工等，但在核心部件平台桩腿这一块，我国依然要进口欧美国家的先进技术成品[19]。桁架式桩腿是由齿条、弦管、斜拉撑、水平拉撑等部件组成[20]，由于桩腿材料大多为超高强度钢和高厚板，因此对船企的切割加工能力要求更高 [21]。
随着21世纪海洋
第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 国内外研究的现状及存在的问题 1
1.3 本文的主要工作内容 3
第二章 桩腿制作工艺流程 4
2.1桩腿结构概述 4
2.1.1 桩腿形式 4
2.1.2 分段划分 7
2.1.3 桩腿材料情况 7
2.1.4 劳力需求及资源配置 8
2．2建造方案 10
2.2.1胎架设计与制作 10
2.2.2建造流程 14
2.2.3 QUARTER 分段制作 15
2.2.4 QUARTER分段中组 19
2.3 单节桩腿组装底座 22
2.3.1 桩腿组装底座技术要求 22
2.3.2 单节桩腿组装底座的尺寸要
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源配置 8
2．2建造方案 10
2.2.1胎架设计与制作 10
2.2.2建造流程 14
2.2.3 QUARTER 分段制作 15
2.2.4 QUARTER分段中组 19
2.3 单节桩腿组装底座 22
2.3.1 桩腿组装底座技术要求 22
2.3.2 单节桩腿组装底座的尺寸要求 23
2.4分段合拢 25
2.5 本章小结 25
第三章 分段中组 26
3.1 分段中组概述 26
3.2 地面承载力核算 26
3.3 桩腿齿条与弦管的焊接 27
3.3.1 齿条与弦管的焊接 27
3.3.2 齿条与齿条对接焊缝 27
3.3.3 焊接工艺参数 28
3.4 分段中组精度控制 29
3.4.1 焊接材料与胎架 29
3.4.2焊接间隙的装配 30
3.4.3 桩腿齿条焊前预热与层间温控 30
3.4.4 焊后热处理与合理的安装焊接顺序 30
3.5 本章小结 31
第四章 桩腿大合拢 32
4.1 桩腿大合拢概述 32
4.2 定位导向块与防风马板的设计 33
4.3 桩腿分段浮吊吊装 37
4.3.1 吊装能力与高度参数 37
4.3.2 浮吊吊装 40
4.4 本章小结 42
结 论 43
致 谢 44
参 考 文 献 45
第一章 绪论
1.1 概述
由于陆地资源的日渐枯竭，人们已经深刻的认识到只有广阔无垠的海洋里蕴藏着种类繁多的人类赖以生存的资源，世界各国也因此更加的注重于开发海洋资源，海洋也必将会成为人类今后生存与发展的广阔空间。这其中海洋油气资源的开发已经成为能源战略发展的重要方向[1]，因而钻井平台的需求量也随之急剧增加，在这其中自升式平台的需求量尤为巨大[2]。众所周知，自升式平台重要特点之一就是具有三个或三个以上可自由升降的桩腿[3]，桩腿在海上作业的时候插入海底[4]，由电动升降系统通过桩腿的支撑将整个平台升离海平面到足够的安全工作高度[5]。桩腿是自升式平台在作业过程中的唯一支撑[6]，是保证平台安全的关键。要建造性能优越的自升式平台，最困难的就是桩腿的建造[7]。
由于平台的发展日新月异，近海的石油资源已经大多被开采殆尽，石油公司已经把目光更多的放到深海石油的开采上，在地球上的海洋石油天然气资源绝大部分是深埋于深海底部的，因此这也决定了平台作业海域的水深不断提高而作业海域海况也相应的变得更加恶劣复杂多变，这也给造船厂带来了更多的机遇与挑战，只有那些能够紧跟技术发展方向的船厂才能够在未来的竞争中占得先机，而那些固步自封的企业则必将败落。在这些环境因素的推动下，自升式钻井平台的形状逐渐发展进化为现在的三角形箱体，桩腿的形式也从圆柱形逐渐发展进化成现在更加成熟可靠的“K”型桁架式结构[8]，这更加的符合平台的经济性以及安全可靠性的结构要求[9]。因此，我们研究自升式平台桁架式桩腿的制造工艺设计是很有必要的[10]。
1.2 国内外研究的现状及存在的问题
海洋工程是当今世界工业发展的重点趋势与方向，自升式钻井平台作为海工家族里的主流产品之一，自然的也就成为了各船厂竞相争夺的产品对象。而对于自升式钻井平台而言，最重要的难点就是桩腿的设计与建造。
1953年美国建造了第一座自升式平台，时至今日[11]，自升式平台的设计经过了六十多年的发展。上个世纪早期的自升式平台大多是圆柱壳体式桩腿，数量多达十几根；目前自升式平台的绝大多数都是桁架式三桩腿形式[12]，自升式平台的桩腿按照结构形式可分为壳体桩腿式和桁架桩腿式。通过现代材料科学超高强度钢和特种材料的发展使得平台桩腿的质量不断得到提高，这也是是钻井平台工作水深和平台作业在恶劣海况下工作的能力增加的最主要原因之一。
当今世界上正在建造中的深水桁架腿自升式平台主要由Friede &Goldman（以下简称：F&G）[13]、Le Tourneau 和MSC 等公司和船厂设计生产[14]。这些企业在这一领域拥有丰富的经验，并且已经实践生产出包括了多种型号的系列产品，这些平台同时也经过了时间的检验被证明是优秀合格的产品，一致获得了各国石油钻井公司的高度认可。在这其中，世界上1/3 的自升式钻井平台设计出自该行业先驱 Le Tourneau 公司之手[15]；荷兰MSC公司结合挪威北部海域的恶劣海况设计出了一系列可以在恶劣海况海域工作的自升式钻井平台，这是其区别于其他企业产品的一大特点；20世纪80年代初，美国F&G公司研发出齿条锁定系统（Rack Chock Fixation System），并且为此申请了专利，通过齿条锁定系统这一新技术可以使自升式钻井平台前往更深海域工作，实现了自升式平台的跨越式发展[16]。
由于我国经济持续三十年改革开放的高速增长，对石油天然气等能源的需求也是日益攀升，供求矛盾日益严重[17]。目前我国有能力建造自升式平台的企业已经有许多家，诸如外高桥造船有限公司、烟台来福士、南通中远船务[18]和招商局重工等，但在核心部件平台桩腿这一块，我国依然要进口欧美国家的先进技术成品[19]。桁架式桩腿是由齿条、弦管、斜拉撑、水平拉撑等部件组成[20]，由于桩腿材料大多为超高强度钢和高厚板，因此对船企的切割加工能力要求更高 [21]。
随着21世纪海洋
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