一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法

摘要

本发明公开了一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，包括如下步骤：筒体分段制作与接长、齿条的分段制作与接长、接长齿条段与分段筒体的装焊以及桩腿合拢。利用本发明能在有限的工期内完成桩腿的制造，并使其焊接质量和焊接精度均达到工况要求。

权利要求

1.一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，筒体的组对与分段制作：在保证筒体椭圆度的前提下，将筒体卷圆并装配焊接其内部结构；再以三节筒体为单位进行筒体的小组组对，小组组对完成后对多组三节筒体进行分段的大组接长，得到分段筒体；

步骤2，齿条的接长：对齿条进行分段制作，在齿条分段制作前，先从齿条上截取多段齿条嵌补段，分段制作完成后，对各分段齿条在胎架上进行焊接接长，得到多组接长齿条段，各接长齿条段的长度与上述分段筒体的长度相当；

步骤3，接长齿条段与分段筒体的分段装焊：选取一段接长齿条段作为齿条基准段，将该齿条基准段与对应的分段筒体进行焊接，焊接完成后以焊接好的齿条基准段和分段筒体为基准预装与其相邻的两个接长齿条段和齿条嵌补段，齿条嵌补段位于相邻的两个接长齿条段之间，预装完成后焊接与接长齿条段对应的分段筒体，以此类推，以上一段接好的接长齿条段和分段筒体为基准段，预装下一个分段的接长齿条段与齿条嵌补段，直至将所有的接长齿条段与分段筒体焊接完成；

步骤4，桩腿入围阱：接长齿条段与分段筒体接长合拢完成后得到桩腿，将桩腿插入围阱。

2.根据权利要求1所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述步骤1中，在对筒体卷圆加工的过程中会产生延展量，为避免边卷圆边修割筒体的情况发生，在前期的筒体下料时，需减去筒体卷圆的延展量9～11mm下料到位，不留预弯段。

3.根据权利要求1所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述步骤2中，分段齿条与分段齿条之间的焊接选用的是美国林肯焊条CONARC85。

4.根据权利要求1所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述步骤3中，接长齿条段与分段筒体之间的焊接选用的是CHE58-1焊条打底，GFL-71Ni二氧化碳药性焊丝盖面。

5.根据权利要求1所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述步骤2中，在分段齿条的焊接过程中，需对各分段齿条的齿距进行控制，齿距的控制可以通过下述方法实现：利用焊评的时机，直接通过焊接试验的试板测算出分段齿条在焊接时，焊后的收缩量，由此确定焊前齿距，就能够保证焊后的齿距在理论齿距偏差范围内。

6.根据权利要求1所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述步骤3中，在进行接长齿条段与分段筒体的装焊时，需借助齿条定位工装，该齿条定位工装包括沿接长齿条段长度方向均布的码板，各码板均呈门型，相邻码板之间夹设有齿条加热带，各码板上均开设有过焊孔。

7.根据权利要求6所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述齿条定位工装还包括用于限制接长齿条段移动的楔块组，楔块组的数量与码板的数量相等，各楔块组均包括多块限制齿条段移动的楔块，各楔块的一端与码板相连、另一端与齿条段相抵接。

8.根据权利要求1所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述步骤3中，在进行接长齿条段与分段筒体的装焊之前，需在接长齿条段与分段筒体之间增设垫板，且焊接时熔敷金属不得与垫板接触。

9.根据权利要求1所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述步骤1中，筒体的材质为EH36钢；所述步骤2中，齿条的材质为A514GRQ钢。

10.根据权利要求9所述的一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3中，在对筒体进行分段组对焊接前以及在对齿条进行焊接接长前，需对EH36钢、A514GRQ钢进行焊前预热，预热温度为150～170℃；所述步骤2和步骤3中，焊接完成后，需对焊接好的接长齿条段和分段筒体进行后热，后热温度230℃保温2～3小时后温度降至50℃，后热完成后，将接长齿条段和分段筒体放在空气中自然冷却。

说明书

一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于海工平台制造技术领域，尤其涉及一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法。

背景技术

[0002] 自升式海工平台主要用于配合钻进平台钻井、油田生产服务、海上油田建设、油田增产、修井作业、生活支持、风电安装等。以自升式钻井平台为例，其上装载有钻井机械、动力、器材、居住设备一级若干可升降的桩腿，钻井时，桩腿底部的桩靴着底，平台则沿桩腿升离海面一定高度；移位时，平台降至水面，桩腿升起，平台就像驳船，可由拖轮把它拖到新的井位。可见，桩腿是自升式海工平台的关键部位，当自升式海工平台实施作业的时候，需要通过升降机构将平台举升到海面以上安全高度，接着进行桩腿的插桩，并由桩靴来支撑整个平台。

[0003] 目前，自升式海工平台圆柱形桩腿的主要结构形式是圆柱形的筒体外加两侧齿条，升降系统是整个自升式平台能够顺利升降的关键，桩腿作为升降系统的主要结构，无论是桩腿的焊接质量还是其精度控制，都显得尤为重要。

[0004] 利用现有技术制造桩腿的过程中，存在以下问题：(1)、难以保证齿条高强钢的焊接需求；(2)、桩腿长度长，尺寸测量、控制难度大，制作施工时难以保证桩腿与围阱内部单边仅6mm的间隙的施工需求；(3)、齿条与围阱齿轮箱内的齿轮啮合，焊接完成后的桩腿对齿条精度的要求极高，而桩腿的筒体在制造过程中不可能是一个理论的规则的圆柱形，现有技术难以保证齿条的装配以及焊接后的精度；(4)、现有的自升式海工平台的圆柱形的桩腿一般都有70m～90m长，受限于场地和起重设备，桩腿的制作周期长，且精度难以保证。

[0005] 由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

[0006] 本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种能够在有限的工期内完成桩腿的制造，并使桩腿的焊接质量和焊接精度均达到规定要求的自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法。

[0007] 本发明所采用的技术方案为：

[0008] 一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，包括如下步骤：

[0009] 步骤1，筒体的组对与分段制作：在保证筒体椭圆度的前提下，将筒体卷圆并装配焊接其内部结构；再以三节筒体为单位进行筒体的小组组对，小组组对完成后对多组三节筒体进行分段的大组接长，得到分段筒体；

[0010] 步骤2，齿条的接长：对齿条进行分段制作，在齿条分段制作前，先从齿条上截取多段齿条嵌补段，分段制作完成后，对各分段齿条在胎架上进行焊接接长，得到多组接长齿条段，各接长齿条段的长度与上述分段筒体的长度相当；

[0011] 步骤3，接长齿条段与分段筒体的分段装焊：选取一段接长齿条段作为齿条基准段，将该齿条基准段与对应的分段筒体进行焊接，焊接完成后以焊接好的齿条基准段和分段筒体为基准预装与其相邻的两个接长齿条段和齿条嵌补段，齿条嵌补段位于相邻的两个接长齿条段之间，预装完成后焊接与接长齿条段对应的分段筒体，以此类推，以上一段接好的接长齿条段和分段筒体为基准段，预装下一个分段的接长齿条段与齿条嵌补段，直至将所有的接长齿条段与分段筒体焊接完成；

[0012] 步骤4，桩腿入围阱：接长齿条段与分段筒体接长合拢完成后得到桩腿，将桩腿插入围阱。

[0013] 所述步骤1中，在对筒体卷圆加工的过程中会产生延展量，为避免边卷圆边修割筒体的情况发生，在前期的筒体下料时，需减去筒体卷圆的延展量9～11mm下料到位，不留预弯段。

[0014] 所述步骤2中，分段齿条与分段齿条之间的焊接选用的是美国林肯焊条CONARC85。

[0015] 所述步骤3中，接长齿条段与分段筒体之间的焊接选用的是CHE58-1焊条打底，GFL-71Ni二氧化碳药性焊丝盖面。

[0016] 所述步骤2中，在分段齿条的焊接过程中，需对各分段齿条的齿距进行控制，齿距的控制可以通过下述方法实现：利用焊评的时机，直接通过焊接试验的试板测算出分段齿条在焊接时，焊后的收缩量，由此确定焊前齿距，就能够保证焊后的齿距在理论齿距偏差范围内。

[0017] 所述步骤3中，在进行接长齿条段与分段筒体的装焊时，需借助齿条定位工装，该齿条定位工装包括沿接长齿条段长度方向均布的码板，各码板均呈门型，相邻码板之间夹设有齿条加热带，各码板上均开设有过焊孔。

[0018] 所述齿条定位工装还包括用于限制接长齿条段移动的楔块组，楔块组的数量与码板的数量相等，各楔块组均包括多块限制齿条段移动的楔块，各楔块的一端与码板相连、另一端与齿条段相抵接。

[0019] 所述步骤3中，在进行接长齿条段与分段筒体的装焊之前，需在接长齿条段与分段筒体之间增设垫板，且焊接时熔敷金属不得与垫板接触。

[0020] 所述步骤1中，筒体的材质为EH36钢；所述步骤2中，齿条的材质为A514GRQ钢。

[0021] 所述步骤2和步骤3中，在对筒体进行分段组对焊接前以及在对齿条进行焊接接长前，需对EH36钢、A514GRQ钢进行焊前预热，预热温度为150～170℃；所述步骤2和步骤3中，焊接完成后，需对焊接好的接长齿条段和分段筒体进行后热，后热温度230℃保温2～3小时后温度降至50℃，后热完成后，将接长齿条段和分段筒体放在空气中自然冷却。

[0022] 由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

[0023] 1、利用本发明可以实现同一根桩腿的数个分段的同时施工，先做好的下面的桩腿可以先进行与桩靴、围阱的总装合拢以及陆上升降试验等，大大节省了工期，保障了项目进度。

[0024] 2、齿条在焊接时因受热伸长量较大，每段约伸长30～40mm，采用嵌补段并进行焊前预装，有效地避免了齿条伸长带来的与筒体焊接收缩量不一致的问题，有效地避免了应力集中。

[0025] 3、利用本发明可使各工序之间同时交叉作业，大大缩短了桩腿的制造周期，并且解决了圆柱形桩腿制造过程中的技术问题，制造过程中的焊接质量和精度变得可控和有效，是自升式海工平台在升降试验以及后续使用过程中可以安全、顺利和精确运行的有力保障。

附图说明

[0026] 图1为本发明中齿条定位工装的示意图。

[0027] 图2为本发明中齿条与筒体的装焊示意图。

[0028] 图3为本发明中利用光学经纬仪保证桩腿半径的示意图。

[0029] 图4为利用本发明进行分段合拢桩腿的示意图。

[0030] 其中，

[0031] 1、筒体 1.1、第一分段筒体 1.2、第二分段筒体 1.3、第三分段筒体 1.4、第四分段筒体 2、齿条 2.1、第一齿条段 2.2、第二齿条段 2.3、第三齿条段 2.4、第四齿条段 3、楔块 4、码板 5、垫板 6、齿条嵌补段

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

[0033] 如图1至图4所示，一种自升式海工平台圆柱形桩腿的制造方法，包括如下步骤：

[0034] 步骤1，筒体的组对与分段制作：在保证筒体椭圆度的前提下，将筒体卷圆并装配焊接其内部结构；再以三节筒体为单位进行筒体的小组组对，小组组对完成后对多组三节筒体进行分段的大组接长，得到分段筒体；

[0035] 步骤2，齿条的接长：受限于厂家齿条的制作能力和运输能力，购买的齿条往往只有七八米长，因此需对齿条进行分段制作，在齿条分段制作前，先从齿条上截取多段齿条嵌补段，分段制作完成后，对各分段齿条在胎架上进行焊接接长，得到多组接长齿条段，各接长齿条段的长度与上述分段筒体的长度相当；

[0036] 步骤3，接长齿条段与分段筒体的分段装焊：从接长齿条段中选取一段作为齿条基准段，如图4所示，将第二齿条段2.2选作齿条基准段，将该第二齿条段2.2与对应的第二分段筒体1.2进行焊接，焊接完成后以焊接好的第二齿条段2.2和第二分段筒体1.2为基准预装相邻的第一分段筒体1.1和齿条段2.1、第三分段筒体1.3和齿条段2.3，焊接前，需在第二齿条段2.2的两端分别预装齿条嵌补段6，预装完成后焊接再这两个分段的齿条与筒体，焊接时，需四人同时施焊，以保证齿条的同步和不侧弯；焊接完成后，再以第三齿条段2.3和第三分段筒体1.3为基准在两者的右侧预装第四齿条段2.4和第四分段筒体1.4，如此依序进行，直至将所有的齿条段与分段筒体焊接完成；

[0037] 步骤4，桩腿插入围阱后与桩靴对接，对接完成后，对桩腿进行分段的接长合拢。由于之前的预装过程，桩腿合拢后的数据均可以达到要求。

[0038] 桩腿的质量控制的重点是控制齿条对接的质量和齿条与桩腿角焊缝的质量。齿条2的材质是A514GRQ、厚度为114mm，该材质的屈服强度大于720Mpa，是一种高强度淬火加回火调质钢，由于钢种加入了Mn、Cr、Mo等合金元素，焊接时容易产生冷裂纹，热影响区受加热温度和冷却速度的影响容易形成软化带和脆性组织，筒体1为EH36钢，材料厚度40-52mm。

[0039] 所述步骤2和步骤3中，在对筒体1进行分段组对焊接前以及在对齿条2进行焊接接长前，需对EH36钢、A514GRQ钢进行焊前预热，预热温度为150～170℃，通过焊前预热降低A514GRQ、EH36钢中马氏体转变时的冷却速度，同时通过马氏体的自回火作用提高A514GRQ的抗裂性；因A514GRQ这种高强度淬火加回火调制钢中加入了Mn、Cr、Mo等合金元素，焊接时容易产生冷裂纹，热影响区受加热温度和冷却速度的影响容易形成软化带和脆性组织，因此预热温度不宜过高，否则不仅对防止裂纹不利，更会使800～500℃的冷却速度低于出现脆性混合物组织的临界冷却速度，使焊接热影响区的韧性大大降低，因此，优选预热温度为150℃、160℃或170℃；

[0040] 焊接材料的选择：氢除了来源于焊接材料的水分、焊接坡口处的铁锈、油污以外，还来源于焊接材料的含氢量，超高强钢的焊接需要使用含氢量，经过多次焊接试验，选用如下的焊接材料：分段齿条与分段齿条之间的焊接选用AWS A5.5 E12018-G-H4R；接长齿条段与分段筒体之间的焊接选用AWS A5.1 A7018-1焊条打底，选用AWS A5.20 E71T-1C-J焊丝盖面；作为优选，分段齿条与分段齿条之间的焊接选用的是美国林肯焊条CONARC85；接长齿条段与分段筒体之间的焊接选用的是CHE58-1焊条打底，GFL-71Ni二氧化碳药性焊丝盖面；

[0041] 层间温度的控制：根据所需桩腿的长度和起重量分别对接长齿条段、分段筒体进行分段焊接，且为了保证冲击功大于47J，焊接时选用小线能量的焊接方法对接长齿条段和分段筒体分别进行焊接，这样不仅可以使焊接热影响区和焊缝金属有较好的韧性，还可以减少焊接变形；焊接时，需严格控制层间温度，层间温度起着与预热同样的作用，最小的层间温度为75℃，最大的层间温度为200℃；

[0042] 焊后后热：A514GRQ这类刚的合金化元素是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分贝氏体的混合组织，因此，冷却速度不能过快，需在焊接完成后，对焊接好的接长齿条段和分段筒体进行后热，经过反复试验验证后热参数，即后热温度230℃并保温2～3小时后温度降至50℃，后热完成后，将齿条段和分段筒体放在空气中自然冷却，这样做的目的有利于氢的逸出，防止冷裂纹。

[0043] 所述步骤1中，在对筒体1进行卷圆加工的过程中会产生一定的延展量，为避免边卷圆边修割筒体1的情况发生，在前期的筒体1下料时，需减去筒体1卷圆的延展量9～11mm下料到位，不留预弯段。

[0044] 所述步骤1中，桩腿的理论直径为3300mm，但是施工时，不可能达到理论圆度和直径，不可能做成一个标准的圆柱体，为了保证完工后桩腿与围阱之间6mm的单边间隙，提前制定桩腿卷圆后的直径公差在3298±1mm，以避免桩腿直径大于理论值。为保证插桩合拢时桩腿与围阱的间隙，确保合拢及升降试验的顺利进行，需精确控制桩腿的直径。如图3所示，调整筒体1的上、下口的圆心O1、O2，保证O1、O2在同一水平面上，用光学经纬仪在筒体1的上方或者下方打一水平面A，测量筒体端头处的外径R1和测量点距水平面A的竖直距离L1，可知其它该竖直截面上任意位置的Rn+Ln＝R1+L1，可以推出该竖直截面上任意点的外径Rn＝R1+L1-Ln，桩腿的半径成为一个可控值；控制筒体1上安装齿条2的两个位置，以及与筒体1两端端面的半径和两端端面圆心的直线度，半径的测量和控制贯穿于整个桩腿的分段建造及合拢过程中。

[0045] 海工平台的升降性能主要取决于传动精度，传动精度又主要是由围阱中齿轮箱的安装精度和桩腿齿条的精度来保证的。齿条2的精度控制，难点在于用焊接的方法，使焊后70～90米长度范围内的齿条2达到机加工的效果。齿条2精度控制主要在于：齿距的控制、齿条自由度的限制以及齿顶距的补偿。

[0046] 齿距的控制：所述步骤2中，分段齿条的焊接接长的过程中，需对各分段齿条的齿距进行控制，齿距的控制可以通过下述方法实现：利用焊评的时机，直接通过焊接试验的试板测算出齿条2在焊接时，焊后的收缩量，由此确定焊前齿距，就能够保证焊后的齿距在理论齿距偏差范围内。

[0047] 齿条2自由度的控制：所述步骤3中，如图1所示，在进行接长齿条段与分段筒体的装焊时，需借助齿条定位工装，该齿条定位工装包括沿接长齿条段长度方向均布的码板4，各码板4均呈门型，相邻码板4之间夹设有齿条加热带，各码板4上均开设有过焊孔；所述齿条定位工装还包括用于限制接长齿条段移动的楔块组，楔块组的数量与码板4的数量相等，各楔块组均包括多块限制齿条段移动的楔块3，各楔块3的一端与码板4相连、另一端与接长齿条段相抵接。

[0048] 齿顶距的控制：因为制作时，实际上桩腿各处的外径不可能达到统一或标准值，一般制作时，筒体1的外径要小于图纸要求尺寸以保证与围阱的配合间隙，如果齿条2直接与桩腿装配焊接，易导致焊后齿条2的齿顶距较小，如果齿顶距小于要求值，则会使齿条2与围阱齿轮箱中的齿轮之间的间隙增大而发生危险，为了补偿桩腿半径的损失，如图2所示，在进行接长齿条段与分段筒体的装焊之前，需在接长齿条段与分段筒体之间增设垫板5，焊接时熔敷金属不得与垫板5接触，从而保证齿条2焊后的齿顶距。

[0049] 本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

[0050] 此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0051] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。