300英尺自升式鉆井平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)

1、300英尺自升式鉆井平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 Brief Introduction for 300ft Jackup Drilling Unit Leg Structure Design Dec 2009 1.自升式平臺(tái)樁腿簡(jiǎn)介 2.樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù) 3.平臺(tái)樁腿受力特點(diǎn) 4.樁腿結(jié)構(gòu)形式及組成 5.樁腿與其它結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)的連接 6.樁腿結(jié)構(gòu)材料介紹 7.樁腿結(jié)構(gòu)公差要求 8.樁腿焊接設(shè)計(jì)目錄1.自升式平臺(tái)樁腿簡(jiǎn)介自升式平臺(tái)依靠樁腿支撐才能升離水面并立于海床之上,進(jìn)行鉆井作業(yè)。殼體式樁腿vs桁架式樁腿殼體式樁腿主要用與作業(yè)水深小于300英尺的平臺(tái)，可以有內(nèi)部加強(qiáng)筋，也可無(wú)內(nèi)部加強(qiáng)筋，可為齒輪，齒條式，也

2、可為插銷(xiāo)式。殼體式樁腿的主要缺點(diǎn)：同桁架式樁腿相比，在同等承載能力的情況下，需要更多鋼材。殼體式樁腿的主要優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于作業(yè)于淺水區(qū)，只有較小甲板面積的平臺(tái)，可節(jié)省甲板空間，同時(shí)，樁腿制作比較簡(jiǎn)單。桁架式樁腿由弦桿和撐桿組成,弦桿主要承擔(dān)軸向力及彎矩,撐桿主要承擔(dān)剪力。桁架式樁腿的主要缺點(diǎn)：樁腿制作要求高，占甲板面積大；桁架式樁腿的主要優(yōu)點(diǎn)：較高的材料利用率，可節(jié)省鋼材。三腿式平臺(tái)vs四腿式平臺(tái)三腿式平臺(tái)三條樁腿呈三角形排列，其主要優(yōu)點(diǎn)為：1.無(wú)須增加額外樁腿;2.對(duì)給定的主船體,三條腿平臺(tái)比四條腿平臺(tái)漂浮狀態(tài)下,可承擔(dān)更多的甲板載荷；3.減少抬升機(jī)構(gòu)的數(shù)量，同時(shí)可減輕重量。三腿式平臺(tái)主要缺點(diǎn)為：

3、1.三條腿需同時(shí)預(yù)壓，需較大的預(yù)壓艙容；2.樁腿無(wú)冗余，一旦一條樁腿失效，平臺(tái)就處于很危險(xiǎn)狀態(tài)。四腿式平臺(tái)四條樁腿呈矩形排列，其主要優(yōu)點(diǎn)為：1.樁腿可兩兩利用平臺(tái)自重預(yù)壓，無(wú)需較大的預(yù)壓艙容，可節(jié)省主船體空間，設(shè)備及管路；2.著底狀態(tài)下，四腿平臺(tái)比三腿平臺(tái)剛度更大，穩(wěn)性更好。四腿式平臺(tái)主要缺點(diǎn)為：1.樁腿會(huì)遭受更大的波，流，風(fēng)載；2.漂浮狀態(tài)下,可承擔(dān)的甲板載荷相對(duì)較少。三弦桿式樁腿vs四弦桿式樁腿三弦桿式樁腿與四弦桿式樁腿在預(yù)壓要求方面完全相同，其它優(yōu)缺點(diǎn)同三腿式平臺(tái)/四腿式平臺(tái)300英尺平臺(tái)樁腿采用等邊三角形桁架式結(jié)構(gòu)，共三條，在平臺(tái)上近似等邊三角形排列，即首部一條樁腿，尾部左右兩舷各一條

4、對(duì)稱(chēng)布置。300英尺平臺(tái)的所有重量通過(guò)三條樁腿傳到海床之上，此外平臺(tái)所受風(fēng)載荷及樁腿本身所受風(fēng)，浪，流載荷亦由樁腿傳遞至海床，因此樁腿承擔(dān)極大的載荷，其使用壽命決定了平臺(tái)的使用壽命，為平臺(tái)最重要結(jié)構(gòu)。此外樁腿材料特別是齒條材料為超厚的超高強(qiáng)度鋼，焊接和安裝難度比較大，容易產(chǎn)生裂紋及變形。焊后無(wú)損探傷量大，要求很高。樁腿需與抬升機(jī)構(gòu)及鎖緊裝置配合，對(duì)精度要求比較高。綜上可知，樁腿為平臺(tái)最重要也是制造最困難的結(jié)構(gòu)，對(duì)平臺(tái)樁腿的設(shè)計(jì)，強(qiáng)度是最重要考量因素，同時(shí)也要考慮材料采購(gòu)，焊接，安裝等各方面的合理性，可行性等等因素。2.樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)2.1 技術(shù)規(guī)格書(shū)要求樁腿設(shè)計(jì)開(kāi)始前，設(shè)計(jì)者需詳細(xì)研讀技術(shù)規(guī)

5、格書(shū)對(duì)樁腿的要求。并在設(shè)計(jì)過(guò)程中作為依據(jù)，加以體現(xiàn)。技術(shù)規(guī)格書(shū)在下列方面給出了相關(guān)要求: 樁腿數(shù)量 結(jié)構(gòu)形式 樁腿間距 樁腿材料 樁腿焊接 樁腿制造公差 樁腿檢驗(yàn) 等等 2.2 母型船圖紙樁腿設(shè)計(jì)開(kāi)始前，設(shè)計(jì)者需仔細(xì)參閱母型船樁腿圖紙,充分了解原設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)思路,以便以此為基礎(chǔ),根據(jù)當(dāng)前平臺(tái)的情況,完成樁腿圖紙的設(shè)計(jì)。 2.3 船級(jí)社相關(guān)規(guī)范的要求船級(jí)社相關(guān)規(guī)范對(duì)樁腿的相關(guān)規(guī)定也是樁腿設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足的要求之一。2.4 樁腿強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 根據(jù)樁腿強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的需要，對(duì)樁腿構(gòu)件（齒條，弦管，斜桿，水平腹桿等）尺寸進(jìn)行修正。3平臺(tái)樁腿受力特點(diǎn)樁腿著底軸向力-平臺(tái)自重等剪力-由環(huán)境載荷（風(fēng)，浪，流等）產(chǎn)生

6、彎矩-環(huán)境載荷（風(fēng)，浪，流等）-平臺(tái)重量非均勻分布-P-delta效應(yīng)DAF效應(yīng)-平臺(tái)樁腿對(duì)環(huán)境載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)樁腿剪力及彎矩圖平臺(tái)拖航平臺(tái)風(fēng)暴拖航時(shí)樁腿主要承受因平臺(tái)運(yùn)動(dòng)慣性力及自身重量產(chǎn)生的彎矩，在導(dǎo)向板處可能有很大的水平力。對(duì)某些平臺(tái)，拖航工況可能是樁腿強(qiáng)度的決定性工況，不可忽視。在風(fēng)暴拖航時(shí)，樁腿可能需加強(qiáng)或截去一節(jié)。4 樁腿結(jié)構(gòu)形式及組成 樁腿結(jié)構(gòu)形式300英尺平臺(tái)使用K型桁架式結(jié)構(gòu)K型 VS X型 VS 棱型,各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)X型樁腿平臺(tái)棱型樁腿平臺(tái)鎖緊機(jī)構(gòu)樁腿弦管水平腹桿抬升小齒輪水平撐管斜桿樁靴Jack house齒條(Rack)弦管(Chord)注：300英尺平臺(tái)樁腿齒條厚度由樁腿強(qiáng)

7、度計(jì)算決定，但齒條寬度及齒型由振華開(kāi)發(fā)辦設(shè)計(jì)，齒條材料由開(kāi)發(fā)辦下單購(gòu)買(mǎi)。水平腹桿(Horizontal Bracing)水平撐管(Span Breaker)水平腹桿(Horizontal Bracing)斜桿(Diagonal Bracing)5 樁腿與其它結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)的連接樁腿設(shè)計(jì)不僅要考慮樁腿自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及細(xì)節(jié)，還應(yīng)考慮與其相關(guān)結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)的連結(jié)或聯(lián)系，以免發(fā)生相互不一致或干涉。樁腿作為自升式平臺(tái)立于海床的支持結(jié)構(gòu)，其下部通過(guò)齒條及撐桿同樁靴連接在一起。不同工況下，樁腿主體與不同結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu)發(fā)生關(guān)系。自升式平臺(tái)的操作程序包括：遷移-就位-放樁-預(yù)壓-升起主船體-鉆井-降下主船體-撥樁-提樁-固

8、樁-遷移1.遷移工況： 樁腿收回至樁靴與主船體平齊，提升機(jī)構(gòu)小齒輪松開(kāi)，鎖緊機(jī)構(gòu)與齒條嚙合并鎖緊，此外，在上導(dǎo)向范圍內(nèi)齒條齒尖表面通過(guò)堆焊減少與導(dǎo)向板的間隙，以減少因遠(yuǎn)洋遷移時(shí)因船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生彎矩和剪力。2.作業(yè)工況/自存工況： 樁腿立于海床，提升機(jī)構(gòu)小齒輪松開(kāi)，鎖緊機(jī)構(gòu)與齒條嚙合并鎖緊，以向樁腿傳遞垂向力及水平力。此外,樁腿由于變形與上、下導(dǎo)向接觸也可傳遞彎矩及剪力。3.放樁/插樁/提樁/撥樁： 樁腿齒條與提升機(jī)構(gòu)的小齒輪嚙合,在抬升馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下或向上或向下運(yùn)動(dòng).鎖緊機(jī)構(gòu)停止工作。4.預(yù)壓工況： 樁腿立于海床，提升機(jī)構(gòu)停止工作，鎖緊機(jī)構(gòu)與齒條嚙合并鎖緊，以向樁腿傳遞垂向力及水平力。6 樁腿結(jié)構(gòu)

9、材料介紹樁腿材料選取主要考慮因素：屈服強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度；低溫性能-沖擊韌性;焊接性能-碳含量及合金元素含量-碳當(dāng)量。Ceq(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15Ceq0.80%齒條: ASTM A514 GR Q ,最小屈服強(qiáng)度690 MPa, 最小拉伸強(qiáng)度790/930 MPa,夏比縱向沖擊最小值 -40C時(shí)34J,A級(jí)超聲波檢測(cè),硫含量最大 0.010%,碳含量最大 0.18%。弦管: ASTM A514 GR Q ,最小屈服強(qiáng)度690 MPa, 最小拉伸強(qiáng)度790/930 MPa,夏比縱向沖擊最小值 -40C時(shí)34J,A級(jí)超聲波檢測(cè),硫含量最大 0.010%,碳

10、含量最大 0.18%。斜桿及水平腹桿: API X52, 最小屈服強(qiáng)度360 MPa,夏比縱向沖擊最小值 -20C時(shí)34J,碳含量最大 0.18%。水平撐管: ASTM A106 GR. B, 最小屈服強(qiáng)度240 MPa,夏比縱向沖擊最小值 -10C時(shí)34J,碳含量最大 0.21%,錳含量最小 0.6%。7 樁腿結(jié)構(gòu)公差要求樁腿制造、裝配公差的重要性：自升式平臺(tái)依靠齒輪,齒條的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)升起或下降。齒輪，齒條的配合需要較高的精度來(lái)保證。如果樁腿制造精度太低，加上樁腿立在海床上在平臺(tái)自重及波浪，流，風(fēng)等環(huán)境載荷的作用下有一定的變形，會(huì)造成樁腿上升或下降不順或發(fā)生卡齒的情況，嚴(yán)重時(shí)可能造成平臺(tái)升起或下降無(wú)法完成，因此，需對(duì)樁腿的制造提出一定的公差要求。樁腿公差確定的依據(jù)：規(guī)范未對(duì)樁腿公差提出相關(guān)要求。可參考已有相似平臺(tái)的樁腿的公差要求，并根據(jù)抬升機(jī)構(gòu)的公差或間隙要求進(jìn)行調(diào)整。此外，理論上公差要求越高越好，但必須考慮現(xiàn)場(chǎng)制造，裝配的實(shí)際水平。在滿(mǎn)足抬升機(jī)構(gòu)齒輪與齒條配合要求的情況下，設(shè)計(jì)的公差盡量接近現(xiàn)場(chǎng)制造，裝配實(shí)際水平，以避免因公差要求過(guò)高而導(dǎo)致生產(chǎn)部門(mén)無(wú)法做到或需要增加過(guò)高的成本。齒條公差弦管公差齒條/弦管裝配公差齒條/弦管裝配公差樁腿總體公差樁腿總體公差8 樁腿焊接設(shè)計(jì)自升式平臺(tái)樁腿的重要性及其構(gòu)件，特別是齒條的大厚度，超高強(qiáng)度的特性決定了樁腿的焊接是樁腿制造的重點(diǎn)與難點(diǎn)