自升式钻井平台桩腿设计

不同工况下，桩腿主体与不同
结构/机构发生关系。 自升式平台的操作程序包括： 迁移-就位-放桩-预压-升起主船 体-钻井-降下主船体-拨桩-提桩固桩-迁移
1.迁移工况：
桩腿收回至桩靴与主船体平齐，提 升机构小齿轮松开，锁紧机构与齿 条啮合并锁紧，此外，在上导向范 围内齿条齿尖表面通过堆焊减少与 导向板的间隙，以减少因远洋迁移 时因船体运动产生弯矩和剪力。
三弦杆式桩腿vs四弦杆式桩腿
三弦杆式桩腿与四弦杆式桩腿在预压要求方面完全相同， 其它优缺点同三腿式平台/四腿式平台
300英尺平台桩腿采用等边三角形桁架式结构，共三条，在平台上近似 等边三角形排列，即首部一条桩腿，尾部左右两舷各一条对称布置。 300英尺平台的所有重量通过三条桩腿传到海床之上，此外平台所受风 载荷及桩腿本身所受风，浪，流载荷亦由桩腿传递至海床，因此桩腿承 担极大的载荷，其使用寿命决定了平台的使用寿命，为平台最重要结构。 此外桩腿材料特别是齿条材料为超厚的超高强度钢，焊接和安装难度比 较大，容易产生裂纹及变形。焊后无损探伤量大，要求很高。 桩腿需与抬升机构及锁紧装置配合，对精度要求比较高。 综上可知，桩腿为平台最重要也是制造最困难的结构，对平台桩腿的设 计，强度是最重要考量因素，同时也要考虑材料采购，焊接，安装等各 方面的合理性，可行性等等因素。
桩腿公差确定的依据：
规范未对桩腿公差提出相关要求。可参考已有相似平台的桩腿的公差要求，并根 据抬升机构的公差或间隙要求进行调整。此外，理论上公差要求越高越好，但必 须考虑现场制造，装配的实际水平。在满足抬升机构齿轮与齿条配合要求的情况 下，设计的公差尽量接近现场制造，装配实际水平，以避免因公差要求过高而导 致生产部门无法做到或需要增加过高的成本。
•7 桩腿结构公差要求
桩腿制造、装配公差的重要性：
自升式平台依靠齿轮,齿条的驱动来实现平台升起或下降。 齿轮，齿条的配合需要较高的精度来保证。 如果桩腿制造精度太低，加上桩腿立在海床上在平台自重及波浪，流，风等环境 载荷的作用下有一定的变形，会造成桩腿上升或下降不顺或发生卡齿的情况，严 重时可能造成平台升起或下降无法完成，因此，需对桩腿的制造提出一定的公差 要求。
•1.自升式平台桩腿简介
自升式平台依靠桩腿支撑才能升离水面并立于海床之上,进行钻井作业。 壳体式桩腿vs桁架式桩腿
壳体式桩腿主要用与作业水深小于300英尺的平台，可以有内部加强筋，也可无 内部加强筋，可为齿轮，齿条式，也可为插销式。 壳体式桩腿的主要缺点：同桁架式桩腿相比，在同等承载能力的情况下，需要更 多钢材。 壳体式桩腿的主要优点：对于作业于浅水区， 只有较小甲板面积的平台，可节省甲板空间， 同时，桩腿制作比较简单。 桁架式桩腿由弦杆和撑杆组成,弦杆主要承担轴向力 及弯矩,撑杆主要承担剪力。 桁架式桩腿的主要缺点：桩腿制作要求高， 占甲板面积大； 桁架式桩腿的主要优点：较高的材料利用率， 可节省钢材。
2.3 船级社相关规范的要求
船级社相关规范对桩腿的相关规定也是桩腿设计必须满足的要求之一。
2.4 桩腿强度计算结果 根据桩腿强度计算结果的需要，对桩腿构件（齿条，弦管，斜杆，水平 腹杆等）尺寸进行修正。
•3平台桩腿受力特点
桩腿着底
轴向力-平台自重等 剪力-由环境载荷（风，浪，流等） 产生 弯矩 -环境载荷（风，浪，流等） -平台重量非均匀分布 -P-delta效应 DAF效应-平台桩腿对环境载荷的动 态响应
3.放桩/插桩/提桩/拨桩：
桩腿齿条与提升机构的小齿轮啮合, 在抬升马达的驱动下或向上或向下 运动.锁紧机构停止工作。
4.预压工况：
桩腿立于海床，提升机构停止工作， 锁紧机构与齿条啮合并锁紧，以向 桩腿传递垂向力及水平力。
2.作业工况/自存工况：
桩腿立于海床，提升机构小齿轮松 开，锁紧机构与齿条啮合并锁紧， 以向桩腿传递垂向力及水平力。此 外,桩腿由于变形与上、下导向接 触也可传递弯矩及剪力。
齿条公差
弦管公差
齿条/弦管装配公差
齿条/弦管装配公差
桩腿总体公差
桩腿总体公差
•8 桩腿焊接设计
自升式平台桩腿的重要性及其构件，特别是齿条的大厚度，超高强度的 特性决定了桩腿的焊接是桩腿制造的重点与难点，直接会影响桩腿的质 量与寿命。
焊接坡口的设计是桩腿设计的内容之一。 焊接坡口的设计主要包括： 齿条与齿条的全焊透对接坡口（车间对接坡口，桩腿分段对接坡口）； 齿条与弦管的全焊透坡口； 管材与管材的焊接（水平腹杆与弦管，水平腹杆与斜杆，水平腹杆与水平撑 管）。 焊接设计主要依据AWS D1.1规范，参考其它项目的相关经验，并充分考虑建造 部门的实际情况。
水平腹杆(Horizontal Bracing) 水平撑管(Span Breaker)
水平腹杆(Horizontal Bracing) 斜杆(Diagonal Bracing)
5 桩腿与其它结构/机构的连接


桩腿设计不仅要考虑桩腿自身的结构构造及细节，还应考虑与其相关结构及机构的连 结或联系，以免发生相互不一致或干涉。 桩腿作为自升式平台立于海床的支持结构，其下部通过齿条及撑杆同桩靴连接在一起。
三腿式平台vs四腿式平台
三腿式平台三条桩腿呈三角形排列，其主要优点为： 1.无须增加额外桩腿; 2.对给定的主船体,三条腿平台比四条腿平台漂浮状态下,可承担更多的甲板载荷； 3.减少抬升机构的数量，同时可减轻重量。 三腿式平台主要缺点为： 1.三条腿需同时预压，需较大的预压舱容； 2.桩腿无冗余，一旦一条桩腿失效，平台就处于很危险状态。 四腿式平台四条桩腿呈矩形排列，其主要优点为： 1.桩腿可两两利用平台自重预压，无需较大的预压舱容，可节省主船体空间，设 备及管路； 2.着底状态下，四腿平台比三腿平台刚度更大，稳性更好。 四腿式平台主要缺点为： 1.桩腿会遭受更大的波，流，风载； 2.漂浮状态下,可承担的甲板载荷相对较少。
桩腿剪力及弯矩图
平台拖航
平台风暴拖航时桩腿主要承受因平台 运动惯性力及自身重量产生的弯矩， 在导向板处可能有很大的水平力。 对某些平台，拖航工况可能是桩腿 强度的决定性工况，不可忽视。 在风暴拖航时，桩腿可能需加强或 截去一节。
4 桩腿结构形式及组成
桩腿结构形式
300英尺平台使用K型桁架式结构
300英尺自升式钻井平台 桩腿设计简介 Brief Introduction for 300ft Jackup Drilling Unit Leg Structure Design
Dec 2009
目录
1.自升式平台桩腿简介 2.桩腿结构设计依据 3.平台桩腿受力特点 4.桩腿结构形式及组成 5.桩腿与其它结构/机构的连接 6.桩腿结构材料介绍 7.桩腿结构公差要求 8.桩腿焊接设计
•6 桩腿结构材料介绍
桩腿材料选取主要考虑因素：
弦管: ASTM A514 GR Q ,最小屈服强度690 屈服强度及拉伸强度； MPa, 最小拉伸强度790/930 MPa,夏比纵 低温性能-冲击韧性; 向冲击最小值 -40°C时34J,A级超声波检 焊接性能-碳含量及合金元素含量-碳当量。 测,硫含量最大 0.010%,碳含量最大 0.18%。 Ceq(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 斜杆及水平腹杆: Ceq≤0.80% API X52, 最小屈服强度360 MPa,夏比纵 向冲击最小值 -20°C时34J,碳含量最大 0.18%。 水平撑管: 齿条: ASTM A106 GR. B, 最小屈服强度240 ASTM A514 GR Q ,最小屈服强度690 MPa,夏比纵向冲击最小值 -10°C时34J, MPa, 最小拉伸强度790/930 MPa,夏比纵 碳含量最大 0.21%,锰含量最小 0.6%。 向冲击最小值 -40°C时34J,A级超声波检 测,硫含量最大 0.010%,碳含量最大 0.18%。
K型 VS X型 VS 棱型,各自优缺点
X型桩腿平台 棱型桩腿平台
斜杆
抬升小齿轮 水平腹杆
水平撑管 桩腿弦管 Jack house
锁紧机构 桩靴
齿条(Rack) 弦管(C由桩腿强度计算决定， 但齿条宽度及齿型由振华 开发办设计，齿条材料由 开发办下单购买。
•2.桩腿结构设计依据
2.1 技术规格书要求
桩腿设计开始前，设计者需详细研读技术规格书对桩腿的要求。并在设计过程中 作为依据，加以体现。 技术规格书在下列方面给出了相关要求:
桩腿数量 结构形式 桩腿间距 桩腿材料 桩腿焊接 桩腿制造公差 桩腿检验 等等
2.2 母型船图纸
桩腿设计开始前，设计者需仔细参阅母型船桩腿图纸,充分了解原设计者设计思 路,以便以此为基础,根据当前平台的情况,完成桩腿图纸的设计。