2自升式海洋平台建造

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。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=CKhqA，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；Kh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，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：fD=0.5CDρAUc2。式中：CD是阻力系数；ρ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15000t；水深140-150m时，需要钢材40000t；水深310m时，需要钢材60000t。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200×103t。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，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784N/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，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