桩腿承载着自升式平台的自重和作业载荷，是平台最主要的承载构造。据作业履历，桩腿损伤多发生在插拔桩作业过程中，尤以桩腿桩靴连接处最为突出。本文提及自升式平台是由美国ETA/Robinloh公司设计，日本日立船厂建造的罗布雷-300型非自航自升式钻井平台。该平台采取桁架式三桩腿构造，桩腿全长417.4ft，船体以下有效长度350ft。该平台在坞内考验中多次创造桩腿第一根水平撑管以下的0BAY区域和桩靴内部与齿板连接的辐射状强力构造区域存在母材裂纹和焊接毛病，经专业技能专家谈论剖析，其成因是受建造当时桩腿材质本身和焊接工艺的局限，加之作业过程中桩腿反力使原有缺陷加剧，长期的循环应力也可能使毛病范围扩展。该区域经由多次局部修复，焊接修复位置的强度低落，已成为影响平台安全生产的最大隐患。经由海内多位干系领域资深技能专家剖析，最有效的方案是对桩腿0BAY以下的齿板和干系区域构造进行改换，但三条桩腿0BAY以下整体改换在海内尚属首次，尤其施工过程中桩腿、桩靴相对位置公差掌握，更是决定本次施工成败的关键成分。
桩腿受损情形
自2005年起，该平台在历次进坞考验中均创造各桩腿、桩靴涌现多处毛病，据统计3个桩腿毛病共计128处，总长度约48m。受损位置集中涌如今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，毛病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干系建模研究。李洪涛等通过有限元打算，剖析出决定平台作业能力的关键成分及其校查究法。甘进等采取ANSYS软件建立自升式平台构造剖析模型，对平台构造的力学性能进行剖析。丁勇数值化自升式平台的载荷受力情形，为桩腿和桩靴强度剖析打算供应了数值依据，并利用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。以上研究紧张聚焦于校核平台桩腿桩靴自身构造强度，但对付优化设计的干系研究较少。
自升式平台的拖航可变载荷是决定利用性能的核心指标之一，降落桩腿重量是增大拖航可变载荷的最有效手段，反之将限定平台的作业能力。桩腿轻量化设计路子常日包括改变桩腿节距、形状和采取高强钢等。如郭心月等剖析了桩腿体积和尺寸参数随节距和高强钢屈从强度的变革关系，提出桩腿构造轻量化设计的建议。
本平台原始设计中桩腿齿板在各高度位置的构造均不相同，在桩靴内部采取通齿板，桩靴以上采取了两齿条夹中央板的复合式齿板设计，且随桩腿位置升高内部中央板厚度逐渐减小。这样设计兼顾了桩腿构造强度和降落桩腿重量，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央板、各厚度中央板间的应力过渡，是造成后续利用中桩腿桩靴受损的紧张缘故原由。
本次选用ANSYS软件建立桩靴构造模型进行有限元剖析(见图2)，完成了六种范例工况下的桩靴受力剖析打算，核实改造部分构造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构造完成了屈曲强度校核，终极决定了在这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取圆弧过渡的新齿条板构造改造方案(见图3)，已达到最大化降落干系构造应力值的目的。改换的构造包括三桩从0BYA K节点下端焊缝向下延伸300mm位置起，一贯到桩靴内部齿条末端结束，该范围内的所有齿条板、半圆板及干系桩靴构造见图4。
图2 桩靴构造ANSYS模型
图3 优化后的新齿条板构造型式(左侧为原始设计)
图4 齿条板、半圆板及干系桩靴构造改换范围
修复工艺及关注问题
本次桩腿0BAY以下构造修理、改换项目的总体流程紧张包括材料准备和现场施工两大部分(见图5)。在材料准备方面紧张参照中国船级社《材料与焊接规范》，并由船东、验船师和船厂质检职员组成质量掌握小组共同掌握。
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，合拢及吊伪装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打算，剖析了预热温度、保温缓冷方法、焊接速率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掌握，提出了工艺优化建议。张晓安以SUPER-116E自升式平台为例，剖析了桩腿特殊是桩腿齿条的焊接和质量掌握要点。
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构造应力开释后的位移掌握、焊接变形掌握和新旧构造的相对位置公差掌握。王磊等在研究中涉及了建造后平台的桁架式桩腿的修理改换技能，但其改换办法是桩腿整根拆除，与建造的办法类似，同样采取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哀求高。
本次修复施工采取了三桩腿的0BAY以下区域同时割换的方法，极大程度降落了船厂配套资源的限定，在施工中创新了桩腿桩靴固定和测绘的有效手段，并识别出改换过程中的各种掌握要素并在施工过程进行了有效掌握，终极取得了本次改换项目的成功。
图5 桩腿改换总体流程
1.桩腿桩靴固定
本次修理事情全程在船厂船坞内进行，为更稳妥的实现精度掌握、限定0BAY以下桩腿割除后桩腿桩靴涌现相对位移，采取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。
个中，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，将其与固桩区强构造连接固定，从而限定桩腿垂向移动。由于桩腿现园地位不同，为知足承载桩腿的强度哀求，齿模板要现场取样并哀求咬合4个齿。在齿条卡板与齿模板以及与固桩区构造焊接后，开释升降齿轮装置的力矩。另一方面，在每个齿条高下均加装限位码板，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，以限定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、桩靴底板用焊接手法进行固定。同时，为了限定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)。
干系固定方案还要通过受力打算剖析校核，打算过程中应取足够的安全系数，打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，打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事情，为修复后的效果验证供应数据根本。丈量的范围包括：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。
齿条半圆板的丈量，须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个点进行丈量记录(见图7)。
图7 齿条半圆板丈量示意
桩腿三角尺寸丈量，用盘尺拉齿顶的方法对桩腿0BAY位置的三角尺寸进行丈量(见图8)，用以校验修复后桩腿三角变形量。
图8 桩腿三角尺寸丈量示意
桩靴整体平面丈量，在桩腿桩靴连接处附近靴面边缘位置设置丈量点，每根弦管位置分别设置两个点(见图9)并做好固定标记，丈量三个面，并做好丈量记录。待弦管修理全部结束后，按照此方法再次对桩靴复测，并与修理前丈量数值进行比拟，比较桩靴平面有无变革。
图9 桩靴整体平面丈量示意
齿条直线度和挠度丈量，在齿条厚度中央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，在首尾两端的中央位置各放置一个基准试块(见图10)，将钢丝绳拉紧后，每隔500mm丈量钢丝绳至齿条中央投影位置的间隔，即可校验修复前后齿条直线度和挠度的变革情形。
图10 齿条直线度和挠度丈量示意
3.桩腿弦管改换
在旧弦管切割过程中，为掌握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。
在新弦管装置过程中采取了先内后外、先下后上的装置顺序，即先完成桩靴内部无齿齿条和构造的改换和规复，再安装桩靴面板，然后进行桩靴上部齿条装置，终极安装0BAY以下半圆板。
在装置过程中利用了多种工装和定位方法，以担保齿条、半圆板等构造组对精度哀求。如在桩靴内部的原齿条拆除前，在距齿条两侧的桩靴构造上做水平方向的前后旁边4个定位点，回装时丈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度焊接间隙。在桩靴以上的弦管半圆板装置过程中利用内圆马板工装，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形下固定齿条及半圆板，并能够调度齿条与半圆板组对间隙，以及焊中限定过分的变形。
焊接应力和变形直接影响焊接构造的制造精度和利用性能，目前广泛采取的方法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落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。刘川等通过数值仿照和试验方法，证明了夹具对焊接件的拘束力在焊接过程中是动态变革的, 其变革趋势和焊接件的z向位移变革趋势相同。考虑到齿条、半圆板为高强钢主要构造焊接，母材厚度大、焊缝长，焊接过程会由于不屈均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紧缩而引起焊接残余应力和变形。因此通过采取多位置对称施焊，降落焊接变形影响，同时在焊接过程中持续监测齿条的直线度和挠度，根据变革情形，随时调度工装和施焊节奏，实现了对焊接变形的有效掌握。在焊接过程中，由船东、船厂和船级社验船师组成质量掌握小组，通过对防风雨、引/熄弧板、焊前预热、焊后加温缓冷、焊接电流、焊接层间温度等方法的有效掌握，实现了焊后72小时100%无损检测一次性合格。
在海上自升式移动平台桩腿局部改换工程实践中，作者所带领的团队创新了桩腿桩靴固定和测绘的有效手段，识别出改换过程中的各种掌握要素并在施工过程进行了有效掌握，有效办理了割除旧构造应力开释后的位移掌握、焊接变形掌握和新旧构造的相对位置公差掌握三大制约建后平台桩腿修理的重大难题，首创了海内对投入运营后的自升式钻井平台进行局部桩腿改换的先河，希望本文能够为今后同类型移动平台的修理供应参考借鉴。
