（船舶与海洋工程专业论文）半潜式钻井平台改装制作精度控制研究.pdf

? 囊 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g a s t u d y o nt h er e b u i l dm a n u f a c t u r i n g a c c u r a c y c o n t r o lo fs e m i - - s u b m e r s i b l e d r i l l i n gp l a t f o r m c a n d i d a t e ：z h a n gr u i x i n s u p e r v is o r ：p r o f d u a nw e n y a n g e n t e r p r i s es u p e r v i s o r ：s e n i o re n g i n e e rj i a n gf u m a o a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：n a v a la r c h i t e c t u r ea n d o c e a ne n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r 2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：a p r 2 01 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i _哈尔滨工程大学 “ 学位论文原创性声明 ：一 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 ! ：、 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 酱本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 作者( 签 日期： 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 团在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：衫少杉移爪导师( 签字) ：八ji 他 日期： 1 夕fo 年明 o 日，d 年妒月z 口日 南j一簟叠爹0：爹，毒、，参鼍a。 一 半 许式钻井平台改装制作精度控制研究 摘要 深海钻井平台是目前海洋工程结构物领域的热点项目，我国也在积极研 制之中。制作精度控制是保证钻井平台性能和寿命的关键。本文以大连船舶 重工为美国诺贝尔公司建造的n d b 半潜式钻井台为例，阐述改装制作精度 控制技术在以下几个方面的研究和应用： 1 ) 根据a b s 海洋工程规范，参照n o b l e 海洋工程企业标准，制定n d b 项目改装制作精度控制目标和方案。 2 ) 以连接甲板和浮体、立柱的撑管为例，部分原有撑管强度不够，需要 更换。此外因首尾方向平台尺寸增大，增加新撑管连接各部分结构。 结合理论计算，阐述旧撑管更换及新撑管结构制作，安装过程的精度 控制。 3 ) 以新增悬空甲板总段的吊装合拢封焊为例，采用有限元计算和分析结 构强度和刚度，提出科学合理的封焊部位和尺寸，预留反变形量，保 证平台甲板面的水平，确保平台施工安全顺利地进行。 4 ) 出于平台定位的需要，平台浮体底部设有八台动力定位的侧推器。结 合业主的精度要求，制定科学可行的侧推齐基座安装精度控制方案、 侧推电机基座安装精度控制方案。 关键词：钻井平台；改装制作；精度控制：撑管；甲板总段 一l 弘ll， j，i 卜 卜 半滞式钻井平台改装制作精度控制研究 a b s t r a c t o f f s h o r ed r i l l i n gp l a t f o r m sa r eh o ts p o t si no f f s h o r es t r u c t u r ep r o j e c tr e c e n t l y , w h i c hi sa l s oah o tr e s e a r c hs p o ti nc h i n a m a n u f a c t u r i n ga c c u r a c yc o n t r o li st h e k e yt oe n s u r et h ep e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o n a ll i f es p a no fo f f s h o r ed r i l l i n g p l a t f o r m t h i sp a p e ri st op r e s e n t st h es t u d ya n da p p l i c a t i o no fm a n u f a c t u r i n g a c c u r a c yc o n t r o lt e c h n i q u eb yt a k i n ge x a m p l eo fn d bs e m i s u b m e r s i b l ed r i l l i n g p l a t f o r mo w n e db yu s an o b l ed r i l l i n gl l cl t d i nt e r m so ft h ef o l l o w i n g 1 g e n e r a lm a n u f a c t u r i n ga c c u r a c yc o n t r o lt a r g e ta n dp l a no fn d bp r o j e c t h a sb e e nm a d ea sp e ra b sr u l e sa n dn o b l e r e q u i r e m e n t 2 t a k i n gb r a c i n g sw h i c hc o n n e c td e c k s ，p o n t o o n sa n dc o l u m n sa s a l l i n s t a n c e ，s t r e n g t ho fs o m ee x i s t i n gb r a c i n g si sn o ta d e q u a t ee n o u g h ，w h i c hs h o u l d b er e p l a c e d m o r e o v e r a st h es i z eo ff o r w a r dd r i l l i n gp l a t f o r mi n c r e a s e ，m o r e b r a c i n g ss h o u l db ea d d e df o rs t r u c t u r a lc o n n e c t i o n t h i sp a p e rw i l le x p l i c i tt h e a c c u r a c yc o n t r o ld u r i n ge x i s t i n gb r a c i n gr e p l a c e m e n t ，n e wb r a c i n gf a b r i c a t i o na n d i n s t a l l a t i o na sp e rt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n 3 f o rf i t - u po fn e wh a n g i n gd e c kb l o c k ，s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lf i t - u pp o s i t i o n a n dl o c a t i o ni sd e t e r m i n e da sp e rf e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) c a l c u l a t i o na n d a n a l y s i st oe n s u r et h el e v e l n e s so f d e c ka n ds a f e & s m o o t hp r o g r e s so ft h ep r o j e c t 4 i nv i e wo fd y n a m i cp o s i t i o nr e q u i r e m e n t ，8t h r u s t e r sn e e dt ob ei n s t a l l e d u n d e rt h ep o n t o o n s c o m b i n e dw i t ho w n e r s a c c u r a c yc o n t r o lr e q u i r e m e n t ， f e a s i b l ea c c u r a c yc o n t r o lp l a no ft h r u s t e rf o u n d a t i o ni n s t a l l a t i o n ，t h r u s t e rm o t o r f o u n d a t i o ni n s t a l l a t i o na n df a b r i c a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d t f o r m ；r e b u i l dm a n u f a c t u r i n g ；a c c u r a c yc o n t r o l ；b r a c e ； -lrrl ，o r n 0： 工，1 1 。坷。 j1 i。f；，。 、 - _ 半济式钻井平台改装制作精度控制研究 目录 第1 章绪论1 1 1 论文的背景及研究意义1 1 2 钻井平台发展现状3 1 2 1 国外钻井平台发展现状”3 1 2 2 国内钻井平台发展现状”5 1 3 精度控制的意义和研究现状6 1 3 1 国外精度控制研究现状”7 1 3 2 国内精度控制研究现状8 第2 章n d b 钻井平台的制作精度控制方案“1 1 2 1 引言11 2 1 1n d b 钻井平台简介1 1 2 1 2n d b 钻井平台制作精度控制重要性“1 3 2 2 主结构分段制作精度管理要求一1 4 2 2 1 基准线实施统一划线1 5 2 2 2 控制余量划线精度15 2 2 3 控制分段制作精度1 6 2 2 4 控制分段余量切割精度和边缘坡口质量1 6 2 2 5 控制余量切割时机1 6 2 3 主结构部分基准网络线布置一1 7 2 4 主结构部分统一划线的过程管理1 8 “19 合拢接缝端l9 总组或合拢端( 包括水平桁和横舱壁) 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 3 小组立构件对角线检测l9 2 6 补偿量与余量符号及意义19 2 6 1 补偿量符号及表达意义l9 2 6 2 余量符号及表达意义- 2 0 2 6 3 生产设计图纸余量的表达2 l 2 7 主结构补偿量、余量处理方案2 2 2 8 本章小结2 5 第3 章n d b 撑管精度控制方案“2 6 3 1 引言2 6 3 2 大型撑管的制作及精度控制技术一2 6 3 2 1n d b 平台撑管结构特点2 6 3 2 2 大型撑管的总体建造原则和分段划分2 7 3 2 3 结构撑管加工技术2 9 3 2 4 大型撑管分段装配精度控制技术31 3 - 3 复杂撑管节点的合拢定位精度控制技术3 5 3 3 1 水面更换撑管3 5 3 3 2 坞内合拢撑管结构3 7 3 4 本章小结3 9 第4 章n d b 主甲板合拢精度控制方案一4 0 4 1 引言4 0 4 2 甲板结构强度和刚度计算分析4 l 4 2 1 分析方法4 l 4 2 2 分析工况4 l 4 2 3 许用应力4 2 4 2 4 分析模型4 2 一 f 苻式钻井平台改装制作精度控制研究 4 2 5 计算结果4 6 4 3 结果分析4 7 4 4 本章小结4 8 第5 章n d b 侧推结构安装精度控制方案4 9 5 1 引言”4 9 5 1 1 侧推结构简介4 9 5 1 2 公差要求51 5 2 侧推结构的分段划分及总体建造方案5 1 5 3 侧推结构在分段制作阶段精度控制要求5 2 5 3 1 侧推分段结构建造5 2 5 3 2 侧推座安装5 3 5 3 3 电机座和刹车座的制作与安装5 8 5 3 4 结构完工检测5 9 5 4 侧推结构在总组阶段的精度控制要求5 9 5 5 侧推结构在合拢阶段的精度控制要求6 0 5 6 本章小结”6 1 结论”6 2 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 6 致谢”6 7 l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的背景及研究意义 从上世纪六七十年代开始，海洋工程方面的研究逐渐引起人们的重视， 像一些发达国家，海洋工程的研究都已发展到相当高水平。当时代进入二十 一世纪，世界陆上资源已不能满足快速发展的工业化的需求，于是我们将视 角移向了陆地之外的领域，如太空、海洋。在今天，进行海洋开发方面的研 究与人类登上月球、探索太空具有同样重要的战略意义。 全球石油需求的快速增长、储量的减少以及地缘政治和投机等多方面原 因，导致了石油价格的迅速飙升。出于对高额利润的追求，采油公司加大了 资本性支出，而陆上和浅海油气产量增长有限，也令越来越多的支出向深海 倾斜。对于深海钻采设备和生产设备来讲，一个需求快速增长的时期已经到 来。 根据国际能源组织的预测，到2 0 3 0 年，全球石油消费年均增速约为1 3 ， 其中发展中国家的增速最快，为年均2 6 ，而其中又以印度和中国的增速最 快，分别为3 9 和3 6 。 根据道格拉斯预计，全球离岸方面的支出将从2 0 0 7 年的2 5 4 0 亿美元增 加到2 0 1 2 年的3 6 1 0 亿美元，增幅为4 2 1 3 。其中浅水区增幅为3 2 左右， 深水区增幅为7 4 左右。可见，深水的增幅远远超过浅水，成为未来五年海 洋油气支出的重要部分。 海洋油气资本支出和产量的增加， 应增加，尤其是深海装备的大量增加。 必然要求海洋钻采设备和生产设备相 由于深海装备资源本来就比较稀缺， 近来需求的快速增加，导致无论是新造还是二手深海装备的价格均迅速飙升。 浅海装备向深海转移，使得浅水装备也出现供应紧张。因此，未来几年是海 洋装备大幅增长的良好时期。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 海洋油气钻井设备方面的支出，预计将从2 0 0 7 年的6 8 0 亿美元增加到 2 0 1 2 年的8 2 0 亿美元，其中，浅水区将增长1 4 ，深水区将增长3 8 。由于 深水钻井设备的增幅远超过了浅水钻井设备的增幅，因此，未来五年深水主 要钻井设备中的半潜式平台和钻井船的建造，将获得较快的发展。 我国国民经济增长迅速，多年来保持稳定快速增长，是世界经济的重要 组成部分。经济快速增长和繁荣的背后是对能源，特别是油天资源的巨大需 求和消耗。每年都要从国外进口大量油气资源。一方面是因为我国能源需求 量巨大，另一方面是因为我国的海洋钻采加工技术特别是深海领域十分有限。 这就要求我们必须大力开展海洋钻采技术和装备的研究，以满足海洋油气资 源开发的日益紧迫的需求。 首先是能源需求。从浅海走向深海是世界海洋油气开发的总趋势，也是 我国的战略目标。我国南海深水海域有着丰富的油气资源，属于世界四大海 洋油气聚集中心之一，有“第二个波斯湾”之称。但目前我国深水油田开发技 术与世界先进水平相比有着相当大的差距：世界海上油田生产作业最大水深 已达1 8 5 3 m ，我国仅为3 3 0 m ，世界钻探作业最大水深超过3 0 0 0 m ，而我国 仅5 0 3 m ，世界铺管作业的最大水深达2 1 5 0 m ，我国最大能力为1 5 0 m 。我国 的海洋勘探开发在世界上同样处于相对落后的位置。一个最明显的例子就是， 随着我国社会主义现代化建设的进行，石油天然气等资源需求量的迅猛增加， 我国的陆地石油天然气开采已远远不能满足要求，每年要从国外进口大量的 原油，而我国沿海，如渤海湾，特别是南海的西沙群岛南沙群岛都蕴藏着丰 富的石油天然气资源。虽然我们在上述海域也进行了一些开发，但由于海洋 工程的研究和设计水平相对落后，使得我们的整个海洋开发都不大理想，投 资大，收益小，未能达到预期的目的。为了满足日益增大的油气资源的需求， 急需海上特别是深海油气开采装备与技术的强有力支撑，海洋平台以其独特 的工作性能和工作环境成为开发海上油气资源的宠儿，是海上生产作业和生 2 第l 章绪论 活的基地，这就需要我们加强对海洋平台特别是深海平台的基础研究和建造 技术研究。 其次是国防安全需求。中国拥有3 0 0 万平方公里的广阔海域，1 8 0 0 0 公 里的海岸线，大小沿海岛屿数以千计，可以说，中国的海洋资源总量在世界 是居于领先地位的。在当今世界上，对海洋资源的开发与争夺也日趋明显化、 白热化。周遍的一些国家渐渐开始对我国的海上资源产生浓厚的兴趣，时常 可以听到某国家侵占我国领海进行海底油气资源开发的新闻报道。例如，在 我国的南海海域，就时常发生冲突，原因就是我们的海上邻国，如越南、马 来西亚、菲律宾等，在中国领海进行非法的海洋开发。在谴责这些非法行为 的同时，我们也应当思考，为什么会出现这样的情况? 其中一个我们无法回 避的原因就是，我国的海洋开发能力还落后，我们没有能力开发这些地区的 海洋资源，在一定程度上也只能看着他们将本属于我们的海洋资源掠夺走。 因此，加强对我国领海海域的海洋资源保护，加强对海洋工程的科研投入， 开展新技术、新装备的研究迫在眉睫，即可以威慑窥视我国海上资源的国家， 起到保护领土领海的作用，也可以尽早开发广袤的海洋资源，造福人民。 1 2 钻井平台发展现状 1 2 1 国外钻井平台发展现状 半潜式钻井平台最早出现在上世纪6 0 年代，经过8 0 年代的繁荣期后，进 入了新的发展时期。为适应向深水和深井找油的发展要求，欧美等国家近年运 用综合高科技，设计建造了工作水深超过3 8 1 0 m ( 1 2 5 0 0 f 1 ) 、钻井深度达到 1 2 1 9 0 m ( 4 0 0 0 0 r ) 、钻机绞车功率增至7 2 0 0 h p 的海上移动式钻井平台，可以说 深海钻采装备发展迅猛。 据统计【i j ，半潜式钻井平台在1 9 9 6 年全世界拥有1 3 2 艘，1 9 9 7 年增至1 4 7 艘，1 9 9 8 年增至1 6 5 艘，2 0 0 0 年增至1 7 0 艘，2 0 0 1 年为1 7 3 艘，2 0 0 2 年达1 7 5 艘，2 0 0 3 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 年降至1 7 2 艘，2 0 0 7 年降为1 6 2 艘。但深水钻井平台增加，据2 0 0 6 年末统计，工作 水深 15 2 4 m ( 5 0 0 0 f t ) 的超深水半潜式钻井平台总计达8 3 艘。 在新建和在建半潜式平台中，一个突出特点是工作水深普遍增加。如1 9 9 8 年建造的1 9 艘半潜式平台中，有1 7 艘平台工作水深在1 5 2 4 m 以上；2 0 0 2 年统计， 在现有和正建造的1 7 5 艘平台中，有3 1 艘工作水深在1 8 2 9 m ( 6 0 0 0 f t ) 以上，其中 2 2 8 6 m ( 7 5 0 0 f t ) 以上的有1 6 艘；世界石油杂志2 0 0 3 年1 2 期统计新建的1 8 艘半潜 式平台中，有1 6 艘平台工作水深在1 5 2 4 m 以上，其中工作水深在2 0 0 0 m 以上为1 3 艘，占了总数的7 2 2 ，6 艘工作水深为3 0 4 8 m ，占了总数的3 3 3 。该杂志2 0 0 6 年 1 2 期统计新建的3 1 艘半潜式平台中，工作水深在2 0 0 0 m 以上达2 9 艘，占了总数 的9 3 5 ，工作水深在3 0 4 8 m 以上( 最深工作水深为3 8 1 0 m ) 达1 8 艘，占了总数的 5 8 0 6 。 1 9 9 6 年全世界拥有钻井浮船6 3 艘，1 9 9 7 年增至7 0 艘，1 9 9 8 年增至8 2 艘，比 1 9 9 6 年增 j 1 1 3 0 2 ，2 0 0 0 年减至7 9 艘，2 0 0 1 年为6 4 艘，2 0 0 2 年为6 5 艘，2 0 0 3 年为6 3 艘，2 0 0 6 年为6 4 艘( 包括钻井驳船2 6 艘) 。其中1 9 9 8 年新建或在建的钻井浮船有 2 1 艘，2 0 0 3 年新建和在建的钻井浮船为6 艘，2 0 0 6 年新建和在建的钻井浮船共8 艘，工作水深均达3 0 4 8 3 6 5 8 m ，都属超深水钻井平台。 半潜式钻井平台经过多年开发和改进提高，目前已经发展到第六代，其 具有如下特点【l 】： ( 1 ) 第6 代钻井平台( 船) 出现时间在2 0 0 0 年甚至2 0 0 3 年以后； ( 2 ) 第6 代钻井平台( 船) 钻井工作水深大多在3 0 4 8 3 8 1 0 m 乃至更深； ( 3 ) 钻井深度1 0 6 6 8 m 1 2 2 0 0 m 乃至更深；钻机为双套，单套钻机主绞车功率 5 0 0 0 - - , 7 2 0 0 h p 乃至更大： ( 4 ) 半潜式钻井平台大多为正方形或矩形，立柱多为4 或6 立柱、矩形截面、 无斜撑、少节点； ( 5 ) 钻机、顶驱和泥浆泵的驱动方式多为交流变频驱动或静液驱动； 4 第1 章绪论 ( 6 ) 立管多为竖直排列并有专供立管吊运的吊机( 行车) ； ( 7 ) 动力定位系统多为d p 3 或更高级。 纵观世界范围内，海洋工程建造的重心在亚洲，设计和设备制造仍以欧 美为主。韩国在钻井船的建造领域一枝独秀，基本垄断了世界大部分钻井船 建造市场。新加坡则主要占领自升式钻井平台和半潜式钻井平台建造市场。 1 2 2 国内钻井平台发展现状 我国开始研发并建造深海钻井平台起步比较晚，从上世纪8 0 年代建造的 “勘探3 号”到现在走过了艰苦的摸索过程，并已经取得了一系列成绩。进入2 l 世纪，我国部分知名国有船企和部分地方合资船厂也相继进入深海钻井平台 建造领域。目前我国已经完成或者正在进行施工设计、建造的超深水钻井平 台( 船) 主要有【1 1 ： ( 1 ) 由中船集团公司7 0 8 研究所和上海外高桥造船公司联合进行施工设 计并由上海外高桥船厂建造的3 0 0 0 m i 作水深的半潜式钻井平台。这是我国 继1 9 8 3 年成功自主研制“勘探3 号”半潜式钻井平台后，再次出巨资设计建造的 第6 代半潜式钻井平台。 ( 2 ) 中国船舶重工集团公司大连造船新厂于上世纪9 0 年代末建造了 b g 9 0 0 0 型4 艘超深水半潜式钻井平台( 仅结构部分) 。 ( 3 ) 中国船舶重工集团公司大连船舶重工为美国n o b l e 公司改造的第 六代半潜式钻井平台n d b 项目已于2 0 0 9 年交工( 不含调试部分) 。 ( 4 ) 由中国与韩国合资的江苏韩通船舶重工有限公司承担建造、舍凡钻 井公n ( s e v a nd r i l l i n g ) 拥有的“舍凡钻i ( s e v a nd r i l l e r ) ”号半潜式平台。 ( 5 ) 由上海船厂与美国f r o n t t e r 公司签订并已于2 0 0 7 年建造的和5 万吨动 力定位深水钻井船。 ( 6 ) 烟台莱佛士为意大利的s a i p e m 和中海油正在建造多座最先进的第六 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 代半潜式钻井平台。 以上均是我国跨入深水钻井平台建造的重要标志，并且完全可以继续保 持和发展这一良好势头。 目前，韩国在承建 3 0 0 0 m - l 作水深的钻井平台方面的数量和水平居世界 之前列。故我们与韩国存在的差距在某种意义上即是与世界先进水平的差距。 主要差距表现在以下方面【1 1 ： ( 1 ) 在承担国外建造芝3 0 0 0 m 工作水深的半潜式钻井平台和钻井浮船的 数量、水平方面( 如动力定位钻井浮船) ； ( 2 ) 在承担国外建造的专业技术队伍、科研设计力量、技术后方实力方 面； ( 3 ) 在承担国外建造的生产组织、质保制度、建造施工效率方面； ( 4 ) 在设计建造与施工动力定位系统方面。 我们要迎头赶上，奋起直追，逐步缩小上述差距，在建造数量和水平方 面力争超过韩国；并在自主研究设计方面力争与美国并驾齐驱。 1 3 精度控制的意义和研究现状 精度控制是一项复杂的系统工程，它贯穿于产品制造的整个过程中，并且 每个阶段相互牵连，相互影响。从宏观上讲，海洋平台制造的精度控制应包括以 下内容【2 】： ( 1 ) 研究、制定和修改精度标准； ( 2 ) 确定和分配公差； ( 3 ) 确定合理的施工工艺和施工标准： ( 4 ) 研究和确定合理的结构和节点形式； ( 5 ) 设计和选择工具工装，改进设备； ( 6 ) 严格按照精度计划进行施工和检验。 在船厂，精度控制技术是转换建造模式，实现壳舾涂一体化的基础之一， 6 第1 章绪论 只有该项技术的实施才能保证其他相关技术的应用。如先吊主机后镗管技术、 上层建筑整体吊装技术、泵舱底部全幅总组技术、机舱盆舾装技术、管系单 元预舾装技术等。这些先进技术均建立在船舶与海洋工程精度控制技术的研 究与应用基础上，只有建造精度达到了一定的水平，其他各项技术的实施才 能够得以发展并在建造中应用。 精度控制技术是缩短建造周期、提高质量、降低成本、提高我国造船业 在国际船舶及海洋工程市场上竞争能力的重要手段之一。 精度控制技术可以辅助拓宽船舶及海洋工程市场的开发。如：我国目前 已具备承接超大型油轮v l c c 与超大型货船v l o c 、超大型集装箱船、l n g 和l p g 液化气船等的能力，但由于精度控制技术与先进国家差距较大，诸多 项目都是由于建造技术( 含精度控制技术) 达不到设计要求而导致建造周期拖 延、质量下降而失去市场上的竞争能力。因此，精度控制技术研究是一项长 期而持久的课题，在船舶和海洋工程建造技术中具有十分重要的意义。 1 3 1 国外精度控制研究现状 国外较先进的造船及海洋工程国家，如亚洲的日本、韩国、新加坡，欧 洲的德国、英国、法国，北美洲的美国、加拿大等在船舶及海洋工程精度控 制技术上均有所突破，西欧的造船先进国家均以承接高技术、高附加值的船 舶为主，如液化气船l n g 和l p g 、大型集装箱船、超级豪华游船等。而亚 洲的日本、韩国以承接大型、超大型油船、v l c c 船、海洋工程为主。就日 本而言，在精度控制技术方面已经居于世界领先水平。如日立造船公司有明 工厂在建造大型与超大型船舶过程中已经积累了丰富经验，他们已经做到了 从号料开始，在加工、分段建造、坞内合拢等方面均实现了分段全方位无余 量( 均以补偿量的形式代替余量) 。 为了确保船舶建造精度控制的实施，他们从船体生产设计开始就准确标 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 注余量信息，确保补偿量的合理分布。为了保证加工精度，9 5 的板材包括 平直板、构件均由数控机进行切割( n c ) ，目的是确保整体精度和加工速度。 零件加工的各种焊接坡口在加工时直接开出( 尤其各种曲面外板的焊接坡 口) ，变截面坡口也在钢材加工阶段完成。各种装配的精度信息如肋板轮廓线、 纵桁装配线、板材对合线和各类检验线等均由数控机画线功能完成。 由于各种零件在生产设计阶段就已经具有各种精度控制信息，使零件号 料、钢料加工都能满足设计要求，给分段组装的精度控制带来了极大方便。 较突出的有：双曲率过渡段、机舱部分、外板双曲率分段的精度控制均达精 度控制要求。 大合拢阶段只要按分段的对合线来控制分段水平，大合拢缝处焊接坡口 的间隙就能得到保证，在保证质量的同时，吊装速度相当快。 由于船体的精度控制给舾装、管系的精度控制奠定了基础，现阶段已将 精度控制拓宽到舾装、管系等专业。日本日立造船公司有明工厂舾装部分已 经达到了全方位无余量装配，管系按单元进行组装，端部无余量合拢。 精度管理，在日本也被称为品质管理，是企业的自觉行为，是为满足生 产需要而在生产过程中进行的自我控制。从设计、加工、建造到舾装、涂装， 从计划到管理都离不开精度管理。精度管理的目的是要保证产品质量、性能、 生产进度与降低成本，以使企业获得最大利润。目前这在日本各船厂已形成 一种模式，即船厂每年根据生产任务与产品特点制定精度管理计划。精度管 理计划中包括基本方针、工作重点、各阶段的精度控制项目，以及控制的目 标值、实际测量值、责任单位、工艺流程、基准线系统等内容。精度管理计 划均已纳入船厂正常的生产管理渠道。现在，日本船厂的分段几乎都是无余 量上船台合拢，精度控制的成功率为8 0 9 5 。常石造船公司在船坞大合 拢中定位的分段，大接缝间隙一般都为5 + 3 毫米，大多采用c 0 2 单面焊两面 成型的方法焊接。所谓“精度造船”在日本也不是强调所有零件一定要在下料 8 第1 章绪论 时就无余量。在有明工场凡是超过四拼的拼板，一面端头是留有切割余量的， 在拼板后再进行切割。 船体建造的精度管理，关键在于控制内场加工的精度。日本造船现在全 部采用数控加工设备，设计采用计算机建模。日本全面实施c a d c a m 造船， 计算机应用软件全部由日本自己研究开发。因此，日本船厂船体内场的n i 精度极高，从而确保了外场的装配精度；焊接收缩的补偿量依据船厂自己积 累的经验确定。 整个拼板、划线、小组立、中组立，焊接都是在滚道上流动，流向清楚， 互不干扰。平面立体分段与曲面分段分道制造，艏艉立体分段采用固定工位。 所有分段拼板与胎架间均不固定，线型保证主要靠内部构架。为保证生产的 连续性，内场的加工设备连续两班运转。 1 3 2 国内精度控制研究现状 我国上世纪7 0 年代初期就开始了船体建造精度控制技术的研究和实践， 在国内各大船厂不同程度地取得了一些成果和经验。我国精度管理实施经过 了三个发展阶段： ( 1 ) 分段上船台前进行预修正以适应船台装配的尺寸精度要求( 分段无 余最上船台装配) ； ( 2 ) 对平直分段进行建造全过程的尺寸精度控制和对曲面分段进行预 修正后上船台相结合； ( 3 ) 对全船所有分段进行建造全过程的尺寸精度控制。 国内精度控制水平已经基本上达到内部构件无余量号料、全船分( 总) 段 无余量上船台合拢。但是与国外先进国家特别是日本相比较，精度管理差距 还比较大。直接导致了我们建造周期长，成本高，售后维修费用大的弊端。 所以，为了尽早摆脱这种不利局面，向日韩建造水平看起甚至超越，需要我 们科研院校，设计会所以及船厂做持久和大量的工作。 9 哈尔滨工程大学硕十学何论文 1 4 论文主要工作简介 ( 1 ) 以我公司建造的n d b 项目为例，查阅各船级社关于海洋工程项目 建造质量、精度方面的规范要求，结合业主的企业标准和我公司实际情况， 明确建造标准，制定制作精度控制目标和实施方案； ( 2 ) 选择n d b 项目中典型重要结构撑管分段的制作、漂浮状态更 换以及坞内合拢作为研究对象，分析其制作精度控制方案； ( 3 ) 选择n d b 项目中典型上层建筑结构主甲板合拢为研究对象， 通过有限元计算焊接强度和刚度，分析其制作精度控制方案； ( 4 ) 选择n d b 项目中典型的设备安装侧推器基座安装及其相关结 构制作作为研究对象，分析其制作精度控制方案。 l o 第2 章n d b 钻井平台的制作精度控制方案 第2 章n d b 钻井平台的制作精度控制方案 2 1 引言 2 1 1n d b 钻井平台简介 n o b l ed a v eb e a r d ( 简称n d b ) 深水半潜式钻井平台是大连船舶重 工继成功建造j u 2 0 0 0 型白升式钻井平台后承接的又一高技术、高附加值海 洋工程产品，船东为美国n o b l ed r i l l i n g ( 诺贝尔钻井控股公司) 。n d b 项目是以大陆架6 号壳体为基础的设计与建造工程。大陆架6 号由俄罗斯的 v y b o r gy a r d 船厂在1 9 8 6 年建成并投入使用，1 9 9 7 年由诺贝尔钻井控股 公司购买，并在大连造船新厂进行了全部设备、管系、电缆和部分结构的拆 除工作以及剩余结构的检查和修理、维护工作。2 0 0 6 年1 月1 0 日诺贝尔钻 井控股公司和大连船舶重工正式签订该平台的建造合同，并正式定义为n d b 项目。 n d b 项目包括主船体的左右浮体前后加长、内侧加宽，立柱外侧加宽， 撑管更换和增加、甲板延伸、增加生活区、飞机平台、增加钻台底座等，还 包括全部设备、管系、电气和控制、h v a c 和内外舾装的工作。n d b 平台将 引用美国诺贝尔钻井控股有限公司在n c b 、n p w 和n h f 等项目上的 e v a - 4 0 0 0 t m 成功模式，建成后的平台满足a b sd p 2 的动力定位要求。 n d b 项目的基本设计和详细设计是由大连船舶重工于和美国 z e n t e c h 公司联合进行，大连船舶重工负责全部生产设计、工艺设计及施 工建造。n d b 最大作业水深1 0 0 0 0 英尺，最大钻井深度3 5 0 0 0 英尺，定员 2 0 0 人，设计寿命为2 0 年。作业温度为零摄氏度以上，主要用于温和环境下 深海作业。带有动力定位装置，包括两个下浮体、六个立柱和相关支撑构件、 主甲板、二层甲板、上甲板、顶甲板、生活楼和直升飞机平台、钻台和井架 等主要结构。入级为a b s 船级社，满足a p i 、s o l a s 、m a r p o l 、u s c g l l 哈尔滨工程大学硕十学位论文 和i m o 等规范对海洋工程方面的特殊要求。 项目的主要技术性能如下： 使用海域：巴西海域、墨西哥湾、印度洋 最大作业水深：3 0 4 8 米( 1 0 0 0 0 英尺) 最大钻井深度：1 0 7 0 0 米( 3 5 0 0 0 英尺) 作业海况：风速 2 6 6 m s ( 1 m i n ) 有义波高 6 9 m 最大波高 1 2 7 m 流速1 8 m s ( 表层) 生存海况：风速3 4 3 2 m s ( 1 m i n ) 有义波高 7 8 m 最大波高 1 4 6 m 流速 1 9 6 m s ( 表层 大气温度：0 _ 4 0 度 平台重量：2 2 0 0 0 吨 最大可变载荷： 7 0 0 0 吨 设计使用寿命：2 0 年 作业吃水： 1 6 7 6 4 m 生存吃水： 1 2 1 9 2 m 拖航吃水： 5 8 5 m 泥浆储存量： 3 0 0 0 b b l s 钻井水储存量： 6 3 0 0 b b l s 饮用水储存量： 2 6 0 0 b b l s 基油储存量： 1 8 0 0 b b l s 盐水储存量： 18 0 0 b b l s 1 2 第2 章n d b 钻井平台的制作精度控制方案 泥浆散灰储存量： 18 8 0 0 f t 3 水泥散灰储存量：1 0 0 0 0f t 3 功能设置：钻井、完井、试油、修井 作业系统：钻井、固井、测井、试油系统 定位系统：d p 2 动力定位 生活区定员：2 0 0 人 表2 1 平台主尺度 总长总宽浮体宽度浮体型深浮体间距主甲板高度 1 1 1 6 米6 6 4 米 1 7 7m i d6 om i d 4 9 2 米2 4 5 米 1 8 8 a ，f 6 5a ，f 一 2 1 2n d b 钻井平台制作精度控制重要性 首先，由于海洋平台长期处于严酷的环境条件下工作，一旦在作业过程中 发生事故，现场维修既困难又昂贵，耽误钻井生产则损失更大。如果在制造中有 隐患存在，在使用过程中又不易被发现，往往就会造成整体性破坏事故，台毁人 亡的事故在世界上已发生过多次。因此，海洋平台的建造需要有平台制作精度 标准、完善的产品质量检验标准和科学的测试手段作为保障。 其次，n d b 半潜式钻井平台是按照目前最先进的第六代钻井平台设计 的。工作海域恶劣，设计寿命长，作业水深和钻井深度也是最大的，整个平 台自动化、现代化操作程度很高并采用先进的d p 2 动力定位。所有技术指标 都依赖于平台的制作精度和安装精度，否则结构强度无法保证，设备也无法 有效运转，严重影响平台寿命和效率。 项目的特殊性也要求企业要有深入的精度控制理论研究和高 段。n d b 项目是在原有部分结构基础上的建造工程，其前身 纪8 0 年代末建造的，迄今已经2 0 余年。无论是钢板的腐蚀程 1 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 度还是当初的建造水平，都客观注定该平台在改造前的质量状态较差。这一 点通过开工后船级社开展入级检验的结果可见一斑。保留的结构肋位间距不 统一，尺寸偏差较大，而且可以断定是施工累积误差所致而非设计原因。这 给新增结构的合拢安装以及管系、电器、设备安装等施工带来很大困难。我 们不但要保证新增结构的精度还要想方设法弥补原有结构的精度缺陷。 最后，精度失控导致产品质量低下会失信于业主，有损于企业声誉，进 而失去庞大的海洋工程装备市场。所以无论是出于技术角度还是商业角度， 我们都必须高度重视该平台的建造精度和质量，为打开并迅速占领海洋工程 深海钻井平台建造市场奠定坚实的基础。 2 2 主结构分段制作精度管理要求 结构是船舶和海洋工程产品的基础，因此海洋平台制作精度控制的首要 任务是平台结构的制作精度控制。由于结构形式的不同，海洋平台建造的精度 控制与船舶相比，具有船舶精度控制的特点，同时还具有其自身的难点【3 】： ( 1 ) 海洋平台使用的材料级别较高，厚度较大，焊接和校正变形都比较因 难，尤其是水平支撑管分段的椭圆度控制。 ( 2 ) 甲板总段的面积大、支撑点少、弹性变形大、又多是空中作业。 ( 3 ) 平台的船体线型比较简单，但平台的两个浮体同时进行合拢，即要求 相互独立又必须统一。 ( 4 ) 合拢阶段立体作业的分段多，不少分段的重心游离于分段乃至平台 以外。 这些都对海洋平台建造的精度控制提出了新的要求。根据该平台的设计 要求、使用要求、建造标准和船级社的规范，结合平台的结构特点和我厂的 设备设施情况以及施工水平，我们制订了一套结构精度控制方案，指导生产 设计和旖工。 1 4 第2 章n d b 钻井平台的制作精度控制方案 2 2 1 基准线实施统一划线