300英尺自升式鉆井平臺樁腿設(shè)計

1、300英尺自升式鉆井平臺樁腿設(shè)計簡介 Brief Introduction for 300ft Jackup Drilling Unit Leg Structure Design Dec 2009 1.自升式平臺樁腿簡介 2.樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù) 3.平臺樁腿受力特點 4.樁腿結(jié)構(gòu)形式及組成 5.樁腿與其它結(jié)構(gòu)/機構(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)計目錄1.自升式平臺樁腿簡介自升式平臺依靠樁腿支撐才能升離水面并立于海床之上,進行鉆井作業(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，可以有內(nèi)部加強筋，也可無內(nèi)部加強筋，可為齒輪，齒條式，也

2、可為插銷式。殼體式樁腿的主要缺點：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：對于作業(yè)于淺水區(qū)，只有較小甲板面積的平臺，可節(jié)省甲板空間，同時，樁腿制作比較簡單。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：樁腿制作要求高，占甲板面積大；桁架式樁腿的主要優(yōu)點：較高的材料利用率，可節(jié)省鋼材。三腿式平臺vs四腿式平臺三腿式平臺三條樁腿呈三角形排列，其主要優(yōu)點為：1.無須增加額外樁腿;2.對給定的主船體,三條腿平臺比四條腿平臺漂浮狀態(tài)下,可承擔(dān)更多的甲板載荷；3.減少抬升機構(gòu)的數(shù)量，同時可減輕重量。三腿式平臺主要缺點為：

3、1.三條腿需同時預(yù)壓，需較大的預(yù)壓艙容；2.樁腿無冗余，一旦一條樁腿失效，平臺就處于很危險狀態(tài)。四腿式平臺四條樁腿呈矩形排列，其主要優(yōu)點為：1.樁腿可兩兩利用平臺自重預(yù)壓，無需較大的預(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，四腿平臺比三腿平臺剛度更大，穩(wěn)性更好。四腿式平臺主要缺點為：1.樁腿會遭受更大的波，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)缺點同三腿式平臺/四腿式平臺300英尺平臺樁腿采用等邊三角形桁架式結(jié)構(gòu)，共三條，在平臺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、對稱布置。300英尺平臺的所有重量通過三條樁腿傳到海床之上，此外平臺所受風(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的使用壽命，為平臺最重要結(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。焊后無損探傷量大，要求很高。樁腿需與抬升機構(gòu)及鎖緊裝置配合，對精度要求比較高。綜上可知，樁腿為平臺最重要也是制造最困難的結(jié)構(gòu)，對平臺樁腿的設(shè)計，強度是最重要考量因素，同時也要考慮材料采購，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)計依據(jù)2.1 技術(shù)規(guī)格書要求樁腿設(shè)計開始前，設(shè)計者需詳細研讀技術(shù)規(guī)

5、格書對樁腿的要求。并在設(shè)計過程中作為依據(jù)，加以體現(xiàn)。技術(shù)規(guī)格書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 等等 2.2 母型船圖紙樁腿設(shè)計開始前，設(shè)計者需仔細參閱母型船樁腿圖紙,充分了解原設(shè)計者設(shè)計思路,以便以此為基礎(chǔ),根據(jù)當(dāng)前平臺的情況,完成樁腿圖紙的設(shè)計。 2.3 船級社相關(guān)規(guī)范的要求船級社相關(guān)規(guī)范對樁腿的相關(guān)規(guī)定也是樁腿設(shè)計必須滿足的要求之一。2.4 樁腿強度計算結(jié)果 根據(jù)樁腿強度計算結(jié)果的需要，對樁腿構(gòu)件（齒條，弦管，斜桿，水平腹桿等）尺寸進行修正。3平臺樁腿受力特點樁腿著底軸向力-平臺自重等剪力-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）-平臺重量非均勻分布-P-delta效應(yīng)DAF效應(yīng)-平臺樁腿對環(huán)境載荷的動態(tài)響應(yīng)樁腿剪力及彎矩圖平臺拖航平臺風(fēng)暴拖航時樁腿主要承受因平臺運動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。對某些平臺，拖航工況可能是樁腿強度的決定性工況，不可忽視。在風(fēng)暴拖航時，樁腿可能需加強或截去一節(jié)。4 樁腿結(jié)構(gòu)形式及組成 樁腿結(jié)構(gòu)形式300英尺平臺使用K型桁架式結(jié)構(gòu)K型 VS X型 VS 棱型,各自優(yōu)缺點X型樁腿平臺棱型樁腿平臺鎖緊機構(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英尺平臺樁腿齒條厚度由樁腿強

7、度計算決定，但齒條寬度及齒型由振華開發(fā)辦設(shè)計，齒條材料由開發(fā)辦下單購買。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)/機構(gòu)的連接樁腿設(shè)計不僅要考慮樁腿自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及細節(jié)，還應(yīng)考慮與其相關(guān)結(jié)構(gòu)及機構(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立于海床的支持結(jié)構(gòu)，其下部通過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)/機構(gòu)發(fā)生關(guān)系。自升式平臺的操作程序包括：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，提升機構(gòu)小齒輪松開，鎖緊機構(gòu)與齒條嚙合并鎖緊，此外，在上導(dǎo)向范圍內(nèi)齒條齒尖表面通過堆焊減少與導(dǎo)向板的間隙，以減少因遠洋遷移時因船體運動產(chǎn)生彎矩和剪力。2.作業(yè)工況/自存工況： 樁腿立于海床，提升機構(gòu)小齒輪松開，鎖緊機構(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： 樁腿齒條與提升機構(gòu)的小齒輪嚙合,在抬升馬達的驅(qū)動下或向上或向下運動.鎖緊機構(gòu)停止工作。4.預(yù)壓工況： 樁腿立于海床，提升機構(gòu)停止工作，鎖緊機構(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：屈服強度及拉伸強度；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 ,最小屈服強度690 MPa, 最小拉伸強度790/930 MPa,夏比縱向沖擊最小值 -40C時34J,A級超聲波檢測,硫含量最大 0.010%,碳含量最大 0.18%。弦管: ASTM A514 GR Q ,最小屈服強度690 MPa, 最小拉伸強度790/930 MPa,夏比縱向沖擊最小值 -40C時34J,A級超聲波檢測,硫含量最大 0.010%,碳

10、含量最大 0.18%。斜桿及水平腹桿: API X52, 最小屈服強度360 MPa,夏比縱向沖擊最小值 -20C時34J,碳含量最大 0.18%。水平撐管: ASTM A106 GR. B, 最小屈服強度240 MPa,夏比縱向沖擊最小值 -10C時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：自升式平臺依靠齒輪,齒條的驅(qū)動來實現(xiàn)平臺升起或下降。齒輪，齒條的配合需要較高的精度來保證。如果樁腿制造精度太低，加上樁腿立在海床上在平臺自重及波浪，流，風(fēng)等環(huán)境載荷的作用下有一定的變形，會造成樁腿上升或下降不順或發(fā)生卡齒的情況，嚴重時可能造成平臺升起或下降無法完成，因此，需對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)范未對樁腿公差提出相關(guān)要求?？蓞⒖家延邢嗨破脚_的樁腿的公差要求，并根據(jù)抬升機構(gòu)的公差或間隙要求進行調(diào)整。此外，理論上公差要求越高越好，但必須考慮現(xiàn)場制造，裝配的實際水平。在滿足抬升機構(gòu)齒輪與齒條配合要求的情況下，設(shè)計的公差盡量接近現(xiàn)場制造，裝配實際水平，以避免因公差要求過高而導(dǎo)致生產(chǎn)部門無法做到或需要增加過高的成本。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)計自升式平臺樁腿的重要性及其構(gòu)件，特別是齒條的大厚度，超高強度的特性決定了樁腿的焊接是樁腿制造的重點與難點