某自升式钻井平台桩腿弦管修复工艺

王杨志

摘    要：自升式钻井平台在插桩作业时，如果没有做好前期的地质勘探或者操作不当，容易发生桩腿穿刺事故，导致桩腿屈曲破坏和平台结构受损，甚至造成人员伤亡以及环境污染。本文介绍了我司在承修某自升式钻井平台因桩腿穿刺事故而受损的桁架型桩腿时，通过技术分析，制定严谨的修理工艺方案，为高质量地修复受损的桁架型桩腿提供了强有力的技术支持，也为以后承接此类修理工程积累了宝贵的经验。

关键词：自升式钻井平台;穿刺;弦管修复;工艺设计

中图分类号：TE5                                  文献标识码：A

Abstract： During the pile insertion of a jack-up drilling rig， if the previous geological exploration or piling operation is not done well， punch-through accidents are likely to occur， resulting in pile leg buckling damage and damage to the rig structure， even casualties and environmental pollution. This paper introduces that when repairing a truss-type pile leg damaged by a punch-through accident on a jack-up drilling rig， through technical analysis， a rigorous repair process design is made for high-quality repair in the later stage， it provides a strong technical support to repair the damaged truss-type legs of the rig and also accumulates valuable experience for undertaking such repair works in the future.

Key words： Jack-up drilling rig; Punch-through; Chord repair; Process design

1     前言

自升式鉆井平台具有定位能力强、一次定位钻井范围大、建造及维护成本低等优点，广泛用于我国南海及国际范围主要浅海海域，是近海海域油气勘探、开采作业的主力装备，为海洋油气勘探开发做出了巨大贡献。

大型自升式钻井平台平面形状普遍采用近似三角形，布置3条三角形桁架型桩腿（首部1条、尾部2条），桩腿的材料大多使用超高强度钢管，通过升降机构使主船体沿3个桩腿同步升降。但是，自升式钻井平台在插桩作业时，如果没有做好前期的地质勘探或者人为操作不当，容易发生桩腿穿刺事故，通俗的说就是桩靴刺穿了承载地基，导致桩腿屈曲破坏和平台结构受损，甚至造成人员伤亡以及环境污染。穿刺事故对平台最直接的损伤就是桩腿，因此自升式钻井平台的桩腿修理具有广阔的市场。桩腿修理技术，特别是桁架型桩腿修理技术，一直被新加坡等少数国家的船厂所掌握，国内船厂修理桁架型桩腿时都是花费巨资依赖技术进口的方式来完成，造成我国船厂在桁架型桩腿修理技术方面一直无法突破。

2    1#和3#桩腿的受损情况

国内某大型自升式钻井平台在海上插桩作业时发生了桩靴穿刺事故，导致该平台桩腿的主弦管局部受损，部分斜撑管断裂、弯曲变形，平台的升降受到严重影响。本文以其中受损最严重的1#和3#桩腿为例，其主要受损情况如下：

（1）1#桩腿（见图1）

105-110.5 m A-B面，一条斜撑管变形，需要换新修理;

105-110.5 m A-C面，X节点连续管挤压变形，需要换新修理;

107 m 水平内三角支撑管，部分切割释放应力，需要局部换新。

（2）3#桩腿（见图2）

105-110.5 m A-B面和A-C面，桩腿斜撑管X节点受损断裂，需要换管修理（各3条）;

110.5-116 m A-B面，一根斜撑管变形弯曲，需要换管修理;

110.5-116 m A-C面，X节点连续管挤压变形，需要换管修理（3条）;

107 m 水平内三角支撑管，部分切割释放应力，需要局部换新;

113.5 m 水平内三角支撑管，部分切割释放应力，需要局部换新。

3    1#和3#桩腿的修理施工步骤及注意事项

对于1#桩腿和3#桩腿受损区域的修理，总体上分为两个批次进行。其中，1#桩腿和3#桩腿为两个独立单元，可同时进行施工操作，也可根据现场生产条件（人力、物力、设备等）进行先后施工操作。

（1）首先，1#桩腿受损区域为107 m处，A-B面和A-C面不同程度受损，通过建立三维模型模拟计算得出的结论，需将受损变形区域同时进行应力释放，在确定结构未发生塑性变形的情况下，使桩腿变形区域自然回弹回归原位，达到修理校正的效果;

（2）3#桩腿受损区域为107 m处和114 m处A-B面和A-C面不同程度受损，通过建立三维模型模拟计算得出的结论，在考虑到施工安全及过量反弹的情况下，需将受损变形区域进行分批次应力释放，使局部变形区域回归原位，达到修理校正的效果。其中，单独以A-B面的两个X交叉点为第一批施工，以A-C面的两个X交叉点为第二批施工。

3.1   1#桩腿的修理步骤

首先，对修理区域受损的斜撑管进行割除，其中：（1）A-B面割除一根斜撑管，长度为5 m;（2）A-C面割除一个X交叉点，长度分别为2 m、1 m各一根;（3）然后，测量核对建造公差值。如回弹后桩腿型值满足建造公差，则可继续进行施工;如测量结果不满足建造公差时，需进行数据分析并重新制定相应的校正方案;（4）最后，回装新管、焊接及完工处理。

3.2  3#桩腿的修理施工步骤

首先，对修理区域受损的斜撑管进行分批割除，其中：（1）第一批，A-B面割除两个X交叉点，共四根斜撑管，长度分别为6.134 m、7.634 m和1 m两根;并且需割除107 m水平内支撑管两根，长度分别为0.5m、5.689 m;（2）第二批，A-C面同时割除两个X交叉点，共六根斜撑管，长度分别为2 m两根和1 m四根;并且需割除107 m水平内支撑管一根，长度为0.5 m;114 m水平内支撑管两根，长度分别均为0.5 m;（3）然后，测量核对建造公差值，如回弹后桩腿型值满足建造公差，则可继续进行施工;如测量结果不满足建造公差，则需进行数据分析并重新制定相应的校正方案;（4）最后，回装新管、焊接及完工处理。

3.3  1#和3#桩腿修理施工注意事项

首先，切割前现场必须做好挡风遮雨措施，防止切割过程中急速降温，避免母材发生冷脆裂纹;其次，切割、打磨、修整坡口、点焊马板工装、定位焊接、焊接等操作，必须进行预热处理，预热温度控制在110 ℃～ 200 ℃之间;再次，按切割批次切割完成之后，应按照测量方案进行测量检验，或按船东、船检现場提出的测量要求进行测量检验，所有的测量数据必须真实有效并记录在册，以供备查;最后，在切割变形弯曲的斜撑管时，必须做好相应的防护措施，防止较大的集中应力反弹伤人。建议在需要切割的管材两端画好切割线后，先将一端破坏性切割至2/3位置，再切割另一端，这样可减小反弹力;或是使用扎带、绳索、吊索等工具，在切割前将切割的管材进行捆绑固定，之后再进行切割作业;施工作业人员，必须挂好安全带并服从安全管理人员的监管。

4    1#和3#桩腿修理工艺及检验要求

4.1  切割工艺及检验要求

所有管材切割前，必须画好切割线和检验线。建议切割前在保留的管材上打好装配检验样冲点（因管材装配时，不便于检验管材中心线的长度，只能依靠管壁的外观标记进行核对和检验）;管材切割区域做好挡风遮雨措施，原则上在下雨天不宜进行切割操作，若工程需要则必须做到施工区域保持干燥;管材切割前必须进行预热处理，预热范围不低于切割线两侧各75 mm;切割作业必须有专人监控。

4.2  装配工艺及检验要求

装配定位时，一般使用装配马板进行定位固定，也可使用定位焊进行定位。但必须注意，定位焊的焊点在接缝根部且符合打底焊的基本要求;定位焊焊缝不宜过长，尽量控制在30 mm左右，且定位焊不宜设置在背面、夹角面等不利于焊接操作的位置，防止因定位焊夹渣或存在缺陷而导致后期整体焊接的缺陷;装配时还需注意装配坡口要符合要求，为满足夹角焊缝（锐角）的根部坡口要求，必要时应进行预装。

4.3  焊接工艺及检验要求

焊接作业必须保证作业区域挡风遮雨。焊接前必须进行焊前预热，焊前预热温度控制在110 ℃～200℃之间，预热完成后进行焊接作业;焊接过程中控制道间温度在110 ℃～200 ℃之间，原则上连续施焊至焊缝成形，不建议中途停顿至完全冷却再焊接;如焊接中止后重新施焊，必须进行焊前消氢处理，加热至200℃保温2.5小时，然后重新预热至110 ℃～200 ℃之间，之后再继续施焊;焊接时，还需控制最大焊缝摆幅不超过8 mm;焊接时必须有专人测温监控。

4.4  预热、后热工艺要求及控制方法

预热可采用电加热片加热或烘枪加热，一般不建议使用烘枪加热。为保证加热区域精确的温度控制，以及加热的均匀性，建议使用电加热片进行加热。加热时的温度检测，可使用测温色笔、红外线测温仪或接触式测温仪进行检测;温度检测点应位于焊接点周围所有方向上，不得小于焊件的最大厚度值处，最低不小于75 mm。其中，层间温度检测，应在焊缝本体金属上或其根部邻近母材处进行检测，层间温度不小于预热温度;按WPS要求的预热温度、层间温度及后热温度，进行加热和保温，严格控制现场。

4.5  完工检验及要求

完成焊缝焊接后，应立即进行后热处理，将焊接接头处包裹加热至200 ℃并保温2.5小时，之后进行缓冷，降温温差不宜超过50 ℃/h;待焊缝将至接近常温后，使用钢丝刷进行焊缝清洁。如飞溅等杂质不易清除，可使用打磨设备进行表面修整，待焊缝清洁完成之后，按ABS及CCS船级社检验要求，至焊后72小时方可进行NDT检测，以防止延迟裂纹出现。

5    结束语

通过技术分析，按照制定的修复工艺方案，最终高效、高质量地完成了桩腿受损区域的修理任务;随后的平台升降试验检验了修复效果，也验证了修理工艺方案的合理性和可行性。此次平台桩腿穿刺的成功修理，是我司第一次也是国内首次由船厂独立自主完成整个修复过程，成功打破了自升式平台桁架型桩腿结构修理技术长年被国外垄断和技术封锁的局面，开创了国内船厂自主修复桁架型桩腿的先河，也对国内同行业具有学习和借鉴的意义。

参考文献

[1]景方刚，杜渊，邱良峰. 浅谈自升式海洋钻井平台桁架式桩腿设计建     造[J]. 机械工程师， 2014（010）：227-230.

[2]王颖. 钢结构中低合金高强钢的焊接[J]. 金属加工（热加工）， 2013，     （18）：10-16.

[3]黎剑波. 压载穿刺对钻井平台结构的影响及处置方案[J]. 石油机械，       2014，42（11）：147-150.