POD-6号自升式钻井平台桩腿建造技术研究

李 清,庄国全,龚永春,张 强

(上海外高桥造船海洋工程有限公司，上海 200306)

0 引 言

世界近海海域海底蕴藏着丰富的石油和天然气资源。自升式钻井平台凭借其建造费用较其他类型的海上钻井装备低，投资回报率高，在不同海洋环境载荷工况下作业平稳等优点，广泛使用在中浅海海域下。当平台钻井作业时，主船体需要通过桩腿升离水面并站立在海床之上，此时桩腿除了需要承受平台的重量外，还需要承受风、浪、流等环境载荷。由于作业海域环境恶劣,载荷情况复杂,加之平台规模越来越大，作为其关键结构的桩腿一直是该类型平台设计和建造工作的难点和重点。

潘志明等[1]对作业水深小于60 m的海洋石油921桩腿建造工艺进行了研究；杨炎华等[2]研究了不同桩腿结构型式的力学性能特点；李沁溢等[3]对桁架式桩腿的制作工艺开展了研究。本文依托我公司在建的POD-6号自升式钻井平台，从国际市场需求出发，以当代世界最先进的自升式钻井平台为目标，在我国已建造的自升式钻井平台的技术和经验的基础上，引进国外先进自升式钻井平台的设计图纸，通过消化吸收，掌握新型自升式钻井平台桩腿结构核心的设计和建造技术，攻克其关键建造技术问题，提高建造效率，降低生产成本，缩短与国外的差距。

1 桩腿结构设计

1.1 概 述

桩腿的结构在自升式钻井平台的结构中无疑是至关重要的一部分，如何进行桩腿结构设计就是自升式钻井平台结构设计中的关键问题。POD-6号平台主船体为三角形箱形结构，有三个桁架式桩腿，平台艏部一个，艉部两个，每个桩腿配有一个桩靴。该平台主尺度如表1所示。

表1 平台主尺度

图1为自升式钻井平台典型桩腿结构，截面分别为三角形及四边形。三角形的桁架桩腿由三根弦杆及把弦杆连接起来的水平杆和斜杆、水平撑等组成；四方形的则由四根弦杆以及水平杆、斜杆和撑杆等组成。目前三角形截面的桩腿结构为自升式平台的主流桩腿结构，其横撑及斜撑的布置根据作业海域环境条件不同而略有不同，在设计时，需注意校核桩腿的强度，在环境条件恶劣的情况下要适当增加横撑及斜撑，以保证桩腿的强度满足要求。

图1 典型自升式钻井平台桩腿结构Fig.1 Typical leg structures of jackup drilling rig

1.2 环境载荷

作业时桩腿结构支撑起上船体离开水面，桩腿结构需要承受平台自重、作业载荷、惯性载荷以及风、浪、流等环境载荷。由于篇幅所限，在本文中只罗列平台在风暴自存工况下的强度分析结果。该平台上船体空船重量18 000 t，风暴自存工况下的可变载荷2 995 t，环境条件如表2所示。

表2 风暴自存工况下的环境条件

除此以外，平台在外载荷的作用下，产生了水平侧向位移，由于平台自身重力的原因，重力将对桩腿产生附加弯矩的作用，称为P-Δ效应。对于深水自升式平台来说，这种附加弯矩是不可忽视的。重力的二次力矩在有限元中属于几何非线性问题，在一般的线性分析情况下是不能考虑的，通常的方法是用第一次计算所得的桩腿轴向力和第一次算得的桩腿侧向位移的乘积作为附加弯矩，并和桩腿原来的弯矩进行叠加，作为桩腿的计算弯矩[4-5]。

1.3 强度校核

在风暴自存工况下，按照不同的作业水深，风、浪、流载荷以60°为间隔计算桩腿的结构强度有15个计算工况。由于篇幅所限本文只罗列其中作业水深106.7 m，风、浪、流从平台艉部方向作用(作用方向是0°)时，平台在风、浪、流、惯性力和P-Δ效应作用下的桩腿结构强度响应情况。应力及位移如图2和图3所示。

图2 应力云图Fig.2 Stress contour

图3 位移云图Fig.3 Displacement contour

通过计算，在该工况下，艏部、左舷及右舷桩腿上作用力的最大值分别为54 776 kN，34 832 kN和35 536 kN。本文计算结构强度所采用的自升式钻井平台桩腿在所有设计工况下，每根弦杆的许用齿条板作用力为71 197 kN，桩腿上的最大作用力是54 776 kN，得到安全系数(UC值)是0.77[6]。

从以上计算结果可知，桩腿在风暴自存工况下具有足够承受作用力的能力，而且桩腿强度在风暴自存工况下也是满足规范要求的。

2 桩腿分段建造

2.1 桩腿划分

单根桩腿长度166.982 2 m(含桩靴)，总重量约为4 930.29 t。在划分桩腿区域的分段时，需要充分考虑分段制造精度和吊装的便利性，并结合供货方提供的齿条材料尺寸限制(能够采购到的齿条板的单根长度为8 534.4 mm，所以桩腿分段的长度必须为8 534.4 mm的整倍数)，考虑到单个分段重量，因此多数桩腿分段的长度定为 25 603.2 mm(8 534.4×3)，重量约200.657 t。

2.2 分段建造

桩腿从部件到完整成品的组装可以分成三个步骤：首先是齿条板和半圆板的焊接，将桩腿组件形成“半成品主弦管”；其次是将主弦管与撑杆在胎架上组装形成单片，再将单片组立形成桩腿分段；最后将桩腿分段按顺序搭载，完成桩腿总组。桩腿的建造工艺流程如图4所示[3]。

在完成单片预制并检验合格后，三组单片需要通过专用的分段总组工装将单片组装成一个完整的桩腿分段，总组过程如图5所示。分段总组的工艺顺序为：划地样线交验→支胎→胎架定位交验→上水平桩腿齿条组合→上右侧桩腿齿条组合件→上左侧桩腿齿条组合件→上散装支撑管→焊前尺寸及坡口检验→焊接，最终形成桩腿分段。

图4 桩腿建造工艺流程图Fig.4 Construction process of legs

图5 单片总组流程示意图Fig.5 Assemblage process of individual sections of legs

2.3 总装搭载

该自升式钻井平台每根桩腿划分为7 个分段，受龙门吊吊高限制在船坞内只能吊装桩腿的前3 段，后4 段必须待平台出坞在临港码头插桩后用浮吊吊装。桩腿每安装完一段，都要对桩腿的精度进行测量，测量数据填写在专门的精度表中并留档。桩腿安装的精度要求如表3所示。

表3 桩腿精度要求

3 长效防腐

自升式钻井平台等在海水中的腐蚀现象是十分普遍的，因为金属矿石中的金属元素处于热力学稳定的氧化状态，在冶金过程中，人工提供的大量能量使氧化状态的金属元素被还原为金属材料。

3.1 涂层保护

涂层保护对于海工平台来说，是一种应用最为广泛、历史最悠久、最为经济方便和有效的防护方法。正确地选择涂料是十分重要的，通常应该考虑下列因素：(1)在既定的运行条件和环境中，涂层有良好的化学稳定性和对机械作用的耐受能力；(2)防腐蚀涂料与桩腿结构底材的适应性，涂料与底材的适应性主要表现在对底材的侵蚀、附着力等方面；(3)涂层涂装工艺符合平台的生产条件、所处的环境和船级社规范；(4)涂料成本和涂装费用。

根据以上原则，为在建项目制定了长效防腐涂料方案，如表4所示。

3.2 牺牲阳极

将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色、提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，从而保护金属表面。牺牲阳极的设计应满足规范的要求。

设计的牺牲阳极为锌块。具体规格如表5所示。

表4 桩腿长效防腐涂料方案

表5 锌块规格

4 结 语

依托上海外高桥造船海洋工程有限公司在建的POD-6号自升式钻井平台，在分析桩腿结构型式的基础上，针对北海海域风暴自存工况对平台桩腿结构强度进行了校核，验证了在极限条件下平台桩腿结构的可靠性。此外，根据上海外高桥造船海洋工程有限公司的软硬件资源条件，设计了包括桩腿分段划分、总组搭载以及长效防腐等在内的一套关键建造方案，并在实船中应用和验证，提高了桩腿建造效率，降低了维护保养成本。这些研究成果对同类自升式钻井平台建造具有一定的参考意义。

[1] 潘志明，张文昊，羊字军，等. 海洋石油921自升式钻井平台桩腿建造工艺[C]. 2011全国钢结构学术年会论文集，2011:518.

[2] 杨炎华，金书城，金梦菊，等. 自升式海洋平台桩腿结构优化设计[J].船海工程,2011，40(6)：150.

[3] 李沁溢，宋友良.自升式平台桩腿建造工艺浅析[C].中国造船工程学会造船工艺学术委员会壳舾涂一体化学组2008年学术会议，2008.

[4] 毕家驹. 近海力学导论[M].上海：同济大学出版社,1989.

[5] 刘英杰. 自升式平台桩腿的受力分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004.

[6] 杨曙光. 自升式平台强度评估若干问题研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.