海上自升式移动平台桩腿局部更换实例

桩腿受损情况

自2005年起，该平台在历次进坞检验中均发现各桩腿、桩靴出现多处缺陷，据统计3个桩腿缺陷共计128处，总长度约48m。受损位置集中出现在0BAY以下，包括桩腿0BAY无齿板、桩靴顶板与桩腿连接处、桩靴内部齿条板、桩靴底板与辐射板等区域，缺陷的形式包括齿条板母材裂纹、原焊接热效应区细碎裂纹、焊缝裂纹等(见图1)。

图1 齿条板母材及焊缝裂纹

修复方案及建模校核

近年来，不少学者针对海上自升式平台作业状态的力学性能进行了相关建模研究。李洪涛等通过有限元计算，分析出决定平台作业能力的关键因素及其校核方法。甘进等采用ANSYS软件建立自升式平台结构分析模型，对平台结构的力学性能进行分析。丁勇数值化自升式平台的载荷受力情况，为桩腿和桩靴强度分析计算提供了数值依据，并使用ANSYS软件完成了各种工况下桩腿和桩靴的强度和稳定性校核。曲健冰等绘制了在100 m水深下空气含量与桩靴内压支撑之间的关系曲线，给出水密桩靴设计中计算载荷的建议。以上研究主要聚焦于校核平台桩腿桩靴自身结构强度，但对于优化设计的相关研究较少。

自升式平台的拖航可变载荷是决定使用性能的核心指标之一，降低桩腿重量是增大拖航可变载荷的最有效手段，反之将限制平台的作业能力。桩腿轻量化设计途径通常包括改变桩腿节距、形状和采用高强钢等。如郭心月等分析了桩腿体积和尺寸参数随节距和高强钢屈服强度的变化关系，提出桩腿结构轻量化设计的建议。

本平台原始设计中桩腿齿板在各高度位置的结构均不相同，在桩靴内部采用通齿板，桩靴以上采用了两齿条夹中心板的复合式齿板设计，且随桩腿位置升高内部中心板厚度逐渐减小。这样设计兼顾了桩腿结构强度和降低桩腿重量，但增大了桩腿组装施工难度，且原始设计时未考虑齿条与中心板、各厚度中心板间的应力过渡，是造成后续使用中桩腿桩靴受损的主要原因。

本次选用ANSYS软件建立桩靴结构模型进行有限元分析(见图2)，完成了六种典型工况下的桩靴受力分析计算，核实改造部分结构的应力分布以及应力强度，同时对桩腿与桩靴连接处附件的结构完成了屈曲强度校核，最终决定了在此次修复中将平台桩腿0BAY以下齿条板原始设计型式优化为采用圆弧过渡的新齿条板结构改造方案(见图3)，已达到最大化降低相关结构应力值的目的。更换的结构包括三桩从0BYA K节点下端焊缝向下延伸300mm位置起，一直到桩靴内部齿条末端结束，该范围内的所有齿条板、半圆板及相关桩靴结构见图4。

图2 桩靴结构ANSYS模型

图3 优化后的新齿条板结构型式(左侧为原始设计)

图4 齿条板、半圆板及相关桩靴结构更换范围

修复工艺及关注问题

本次桩腿0BAY以下结构修理、更换项目的总体流程主要包括材料准备和现场施工两大部分(见图5)。在材料准备方面主要参照中国船级 《材料与焊接规范》，并由船东、验船师和船厂质检人员组成质量控制小组共同控制。

桩腿施工是自升式平台建改造的施工难点，不少学者针对类似项目开展过研究。陈小川等从桩腿的分段划分、建造及焊接作业工艺，合拢及吊装作业步骤等多个方面对比国内外桩腿常规建造工艺。吴宇新通过热弹塑性有限元计算，分析了预热温度、保温缓冷措施、焊接速度和约束条件对桩腿加工精度的影响，并基于对焊接变形与应力的综合控制，提出了工艺优化建议。张晓安以SUPER-116E自升式平台为例，分析了桩腿特别是桩腿齿条的焊接和质量控制要点。

但以上研究更适用于桩腿建造阶段，建后平台桩腿修理的最大难题在于割除旧结构应力释放后的位移控制、焊接变形控制和新旧结构的相对位置公差控制。王磊等在研究中涉及了建造后平台的桁架式桩腿的修理更换技术，但其更换方式是桩腿整根拆除，与建造的方式类似，同样采用吊装合拢法和顶升合拢法，施工量大且对船厂配套吊机资源要求高。

本次修复施工采用了三桩腿的0BAY以下区域同时割换的方法，极大程度降低了船厂配套资源的限制，在施工中创新了桩腿桩靴固定和测绘的有效手段，并识别出更换过程中的各种控制要素并在施工过程进行了有效控制，最终取得了本次更换项目的成功。

图5 桩腿更换总体流程

1.桩腿桩靴固定

本次修理工作全程在船厂船坞内进行，为更稳妥的实现精度控制、限制0BAY以下桩腿割除后桩腿桩靴出现相对位移，采用了将桩腿与主船体固定、桩靴与坞底和船体同时固定的定位方案。

其中，桩腿与主船体的固定包括两部分：其一，在固桩区顶部每齿条加一对齿模板，将其与固桩区强结构连接固定，从而限制桩腿垂向移动。由于桩腿现场位置不同，为满足承载桩腿的强度要求，齿模板要现场取样并要求咬合4个齿。在齿条卡板与齿模板以及与固桩区结构焊接后，释放升降齿轮装置的力矩。另一方面，在每个齿条上下均加装限位码板，上端限位码板设置在固桩区顶端，下端限位码板设置在船底，以限制桩腿和船体间的相对横向晃动(见图6)。

图6 桩腿桩靴固定示意

为更稳妥的将桩靴固定，避免弦管割除后桩靴受自重的影响下坠，在坞底桩靴位置铺设钢垫板和桩靴支撑管，将钢垫板、支撑管、桩靴底板用焊接方法进行固定。同时，为了限制桩靴和船体的相对位移，用钢管斜撑将桩靴与主船体焊接连接(见图6)。

相关固定方案还要通过受力计算分析校核，计算过程中应取足够的安全系数，计算范围应包含固定承载所涉及的齿模板、齿条卡板、限位码板、焊缝及桩靴下部支撑钢管，计算内容应包含桩腿桩靴自身重力和风力对强度的影响校核。

2.桩腿桩靴数据测绘

在平台进坞完成桩腿桩靴固定后应尽快开展原始数据测绘工作，为修复后的效果验证提供数据基础。测量的范围包括：齿条半圆板椭圆度、桩腿三角尺寸、桩靴整体平面，以及桩腿和桩靴内部的齿条直线度和挠度。

齿条半圆板的测量，需要制作一个半圆板样板，自0BAY位置至桩靴表面，自上而下每隔500mm在同一节距高度水平位置上取5个点进行测量记录(见图7)。

图7 齿条半圆板测量示意

桩腿三角尺寸测量，用盘尺拉齿顶的方法对桩腿0BAY位置的三角尺寸进行测量(见图8)，用以校验修复后桩腿三角变形量。

图8 桩腿三角尺寸测量示意

桩靴整体平面测量，在桩腿桩靴连接处附近靴面边缘位置设置测量点，每根弦管位置分别设置两个点(见图9)并做好固定标记，测量三个面，并做好测量记录。待弦管修理全部结束后，按照此方法再次对桩靴复测，并与修理前测量数值进行对比，比较桩靴平面有无变化。

图9 桩靴整体平面测量示意

齿条直线度和挠度测量，在齿条厚度中心线位置和齿条面边缘位置，沿新旧齿条对接口上端2,000mm位置至齿条最下端用钢丝绳拉紧，在首尾两端的中心位置各放置一个基准试块(见图10)，将钢丝绳拉紧后，每隔500mm测量钢丝绳至齿条中心投影位置的距离，即可校验修复前后齿条直线度和挠度的变化情况。

图10 齿条直线度和挠度测量示意

3.桩腿弦管更换

在旧弦管切割过程中，为控制相对位置和焊接变形，先保留了主弦管外侧半圆板，待齿条焊接结束，再对外侧半圆板进行拆除。

在新弦管装配过程中采用了先内后外、先下后上的装配顺序，即先完成桩靴内部无齿齿条和结构的更换和恢复，再安装桩靴面板，然后进行桩靴上部齿条装配，最终安装0BAY以下半圆板。

在装配过程中运用了多种工装和定位措施，以保证齿条、半圆板等结构组对精度要求。如在桩靴内部的原齿条拆除前，在距齿条两侧的桩靴结构上做水平方向的前后左右4个定位点，回装时测量定位点与齿条之间尺寸，可高效确定齿条末端与原齿条位置偏差，再用多套三角板把齿条末端横向位置固定，保持竖直方向伸缩，方便齿条上部定位和调整焊接间隙。在桩靴以上的弦管半圆板装配过程中运用内圆马板工装，通过在马板内圆处与弦管半圆板之间用楔子固定，实现在不焊接工件的情况下固定齿条及半圆板，并能够调整齿条与半圆板组对间隙，以及焊中限制过分的变形。

焊接应力和变形直接影响焊接结构的制造精度和使用性能，目前广泛采用的措施包括焊前预热和夹具拘束等手段。周宏等利用Jmatpro和ANSYS软件量化了预热可有效降低桩腿齿条厚板焊接应力及应变速率，进而有效地避免裂纹的产生。刘川等通过数值模拟和试验方法，证明了夹具对焊接件的拘束力在焊接过程中是动态变化的, 其变化趋势和焊接件的z向位移变化趋势相同。考虑到齿条、半圆板为高强钢重要结构焊接，母材厚度大、焊缝长，焊接过程会由于不均匀热过程及其约束使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩而引起焊接残余应力和变形。因此通过采用多位置对称施焊，降低焊接变形影响，同时在焊接过程中持续监测齿条的直线度和挠度，根据变化情况，随时调整工装和施焊节奏，实现了对焊接变形的有效控制。在焊接过程中，由船东、船厂和船级 验船师组成质量控制小组，通过对防风雨、引/熄弧板、焊前预热、焊后加温缓冷、焊接电流、焊接层间温度等措施的有效控制，实现了焊后72小时100%无损检测一次性合格。