一种用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点论文和设计-姜哲

全文摘要

本实用新型属于海洋工程技术领域，公开了一种用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，设置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的机械系统、焊接于小截面立柱顶甲板与大截面立柱中央孔道内壁的肘板以及套置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的灌浆系统。本实用新型通过简易机械系统承担主要总体弯矩和局部应力，且不需要借助大型作业设备；通过焊接简易机械系统承担主要总体弯矩和局部应力，且不需要借助大型作业设备；通过焊接肘板主要承担轴向剪切力，减小水泥浆所受交变剪切力，增大水泥浆疲劳寿命，提高系统整体结构可靠性和冗余。

主设计要求

1.一种用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，其特征在于，所述用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点包括：设置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的机械系统；焊接于小截面立柱顶甲板与大截面立柱中央孔道内壁的肘板；套置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的灌浆系统；焊接结构用于将大截面立柱中央孔道内壁及小截面立柱连接为一体，包括连接肘板及连接肘板上的加强筋。

设计方案

1.一种用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，其特征在于，所述用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点包括：

设置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的机械系统；

焊接于小截面立柱顶甲板与大截面立柱中央孔道内壁的肘板；

套置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的灌浆系统；

焊接结构用于将大截面立柱中央孔道内壁及小截面立柱连接为一体，包括连接肘板及连接肘板上的加强筋。

2.如权利要求1所述的用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，其特征在于，所述机械系统包含若干个双头螺栓、配合双头螺栓的铸件导向槽以及临时使用的液压油缸或千斤顶；

所述双头螺栓单侧进入小截面立柱预制的凹槽内，另外一侧通过与液压油缸或千斤顶等执行机构相连接；所述配合双头螺栓的铸件导向槽为圆孔导向槽，尺寸微小于双头螺栓尺寸，通过液压油缸或千斤顶等挤压双头螺栓通过挤压铸件，并与铸件连为一体。

3.如权利要求1所述的用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，其特征在于，所述肘板沿大截面立柱中央孔道周向均匀布置；每个肘板分别与小截面立柱舱壁、大截面立柱中央孔道内壁焊接在一起。

4.如权利要求3所述的用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，其特征在于，肘板为弧形板、扇形板；肘板设置有若干根加强筋。

5.如权利要求1所述的用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，其特征在于，所述灌浆系统包括有若干个剪切键、封隔器、灌浆料以及作业临时使用的两套灌浆系统、上部固定装置；灌浆区域位于大截面立柱内壁与小截面立柱外壁形成环形空间；

所述剪切键沿大截面立柱内壁和小截面立柱外壁环向交错布置，并预制在大截面立柱中央孔道内壁及小截面立柱外壁；所述封隔器设置在环形空间底部；

所述上部固定装置采用液压卡桩器。

6.如权利要求1所述的用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，其特征在于，所述灌浆系统包括第一灌浆系统和第二灌浆系统；通过第一灌浆系统的主注浆阀对环形空间内进行灌浆，通过检测回流阀处回流浆液的比重判断灌浆结束标准；当第一灌浆系统出现故障时，通过第二灌浆系统的辅注浆阀对环形空间进行灌浆。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于海洋工程技术领域，尤其涉及一种用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

随着海洋工程技术的不断发展以及近海油气资源的不断减少，海洋油气的勘探与开发逐步由浅海走向深海。浮式平台是深水油气开发的主要装置，随着深水开发的推进和海洋工程技术的进步，一些新型的浮式生产平台应运而生。例如，无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台，相比传统平台，该平台具有无条件稳性和更好的运动性能。

然而，此类新型平台一般船体吃水较深，受制于现有码头的吃水条件，这些平台常常需要在海上进行最后的局部结构安装。海上施工作业存在着施工窗口小、作业平台不稳定、施工效果差等问题，特别是对于关键结构及节点的海上安装，由于其是整个平台受外载荷最大的区域之一，在进行施工方式选择时更要慎之又慎，保证节点的结构安全。

海上钢结构间连接方式选择要兼顾可靠性、易施工性和成本。目前，海洋结构物的钢结构连接通常采用焊接、机械连接、灌浆等方式。通常，由于机械安装的技术成熟度和可靠性高，海上安装以机械安装为主，例如自升式平台，对于新型海上浮式生产储油平台，在采用机械连接方式时存在以下挑战：

海上浮式生产储油平台需要数十年长期作业，因此，所选择机械装置应不需要长期液压支持；深水条件下，平台运动较大，考虑到建造精度的问题，应用机械插销连接存在困难；由于齿轮齿条连接对建造精度要求很高，应避免使用；大型的液压、电动等机械结构成本一般很高，应综合考虑结构可靠性、操作难易和成本等因素；连接作业时，机械装置可能会短期浸泡在海水中，所选装置应可在湿式环境下短期作业。

现有专利中曾提出通过液压模锻挤压产生塑性变形的方式将两个立柱结构连接在一起，然而，由于安装过程中大截面立柱和小截面立柱皆处于运动状态，操作空间狭小，此外受环境条件制约，安装作业时间受到限制。另外，也有专利提出用灌浆与焊接的组合形式，但该连接方式一方面需要灌浆卡桩器长期在位固定，同时，对于像“无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台”，其连接节点承受着垂向力、水平力、弯矩等外力，节点应力状态复杂，对于连接结构的荷载能力有很大挑战。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)海上施工作业存在着施工窗口小、作业平台不稳定、施工效果差等问题；

(2)海上浮式生产储油平台需要数十年长期作业，因此，所选择机械装置应不需要长期液压支持；

深水条件下，平台运动较大，考虑到建造精度的问题，应用机械插销连接存在困难；由于齿轮齿条连接对建造精度要求很高，应避免使用；

大型的液压、电动等机械结构成本一般很高，应综合考虑结构可靠性、操作难易和成本等因素；

连接作业时，机械装置可能会短期浸泡在海水中，所选装置应可在湿式环境下短期作业；

(3)现有技术方式对于像“无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台”这类连接节点承受着垂向力、水平力、剪切力、弯矩等复杂外力条件的关键连接点，还缺少行之有效的施工方案。

解决上述技术问题的难度：

连接节点承受着垂向力、水平力、剪切力、弯矩等外力，这些外力节点应力状态复杂，不论是传统的灌浆、机械还是焊接，单一连接方式都无法处理节点复杂的应力问题，对于连接结构的荷载能力同样有很大挑战；

对于组合连接节点，如何合理的设计施工流程，使得每项施工都在尽可能平稳地外界条件下作业，是施工设计的主要难点。

解决上述技术问题的意义：

对于像“无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台”这类新型平台，其运动性能和稳定性相比传统平台具有显著优势，然而，其海上安装方法是制约这类平台可行性的最为关键的因素之一。一旦海上安装方案存在可靠性问题、高成本问题，则整个平台的可行性就存在了疑问。因此，提出一个经济上可行、技术上可靠、安全冗余度高的海上安装方法具有十分重要的意义。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点。本实用新型提供一种可适应于不同尺度立柱，海上施工简便，结构安全可靠性和冗余度高，成本低的机械与焊接组合连接节点，并提供了其海上施工方法。

本实用新型是这样实现的，一种利用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点包括：

设置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的机械系统、焊接于小截面立柱顶甲板与大截面立柱中央孔道内壁的肘板以及套置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的灌浆系统。

进一步，所述机械系统包含若干个双头螺栓、配合双头螺栓的铸件导向槽以及临时使用的液压油缸或千斤顶；

进一步，所述焊接结构用于将大截面立柱中央孔道内壁及小截面立柱连接为一体，包括连接肘板及连接肘板上的加强筋；

所述肘板沿大截面立柱中央孔道周向均匀布置；每个肘板分别与小截面立柱舱壁、大截面立柱中央孔道内壁焊接在一起。

进一步，肘板数量由结构计算结果确定，为弧形板、扇形板；肘板设置有若干根加强筋。

进一步，所述灌浆系统包括有若干个剪切键、封隔器、灌浆料以及作业临时使用的两套灌浆系统、上部固定装置；灌浆区域位于大截面立柱内壁与小截面立柱外壁形成环形空间；

所述上部固定装置采用液压卡桩器。

进一步，所述灌浆系统包括第一灌浆系统和第二灌浆系统；通过第一灌浆系统的主注浆阀对环形空间内进行灌浆，通过检测回流阀处回流浆液的比重判断灌浆结束标准；当第一灌浆系统出现故障时，通过第二灌浆系统的辅注浆阀对环形空间进行灌浆。

综上所述，本实用新型的优点及积极效果为：

本实用新型所采用的机械连接和焊接技术皆具有较高的技术成熟度、成本低、水下作业少和操作方便等优点；

仅采用了简易的机械结构系统，不需要长期液压支持，避免了齿轮齿条连接等形式，降低了施工成本；

组合连接节点以一组双头螺栓及铸件作为主承载力结构，将大截面立柱和小截面立柱连接成一个整体，可实现结构间的荷载有效转移；通过肘板主要承担轴向剪切力，通过大截面立柱中央舱壁卡槽中承受向下的垂向力和弯矩，通过大截面立柱与小截面立柱环空间的水泥浆起到传递载荷和承载剪切力等作用，通过肘板主要承担轴向剪切力，减小水泥浆所受交变剪切力，增大水泥浆疲劳寿命，提高系统整体结构可靠性和冗余。总之，通过多种形式连接将受力有效地进行了分解，提高了整体节点的可靠性。

施工方案中次序的设置保障了不同施工作业都可以在良好的运动状态下进行，这将极可能地提高作业的质量和可靠性。

本实用新型所提供的机械和焊接组合连接节点具有可适应于不同尺度立柱，海上施工简便，结构安全可靠性高，成本低等优点。

现有连接方式以及组合连接形式对本专利应用对象适用性对比

本实用新型一是将一个受力复杂的节点，通过多种连接方案进行荷载的有效分解，提高了安全可靠性，也不借助大型设备，不提高成本；二是提出该连接节点的海上施工。操作方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台及其应用位置图。

图2是本实用新型实施例提供的在机械与焊接组合连接节点示意图。

图3是本实用新型实施例提供的海上安装第一步临时固定图。

图4是本实用新型实施例提供的海上安装第二步机械固定作业图。

图5是本实用新型实施例提供的海上安装第三步灌浆作业图。

图6是本实用新型实施例提供的海上安装第四步焊接作业图。

图7是本实用新型实施例提供的图3中A-A剖面俯视图。

图8是本实用新型实施例提供的图4中A-A剖面俯视图。

图9是本实用新型实施例提供的焊接节点局部示意图。

图中：1、大截面立柱；2、小截面立柱；3、大截面立柱中央孔道内壁；4、小截面立柱外壁；5、小截面立柱顶甲板；6、大截面立柱中央孔道内壁的肘板；7、双头螺栓；8、双头螺栓的铸件导向槽；9、液压油缸或千斤顶；10、加强筋；11、凹槽；12、小截面立柱底部凸起；13、剪切键；14、封隔器；15、灌浆料；16、第一灌浆系统；17、第二灌浆系统；18、上部固定装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

现有技术方式对于像“无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台”这类连接节点承受着垂向力、水平力、剪切力、弯矩等复杂外力条件的关键连接点，还缺少行之有效的施工方案。

为解决现有技术存在的问题，下面结合附图对本实用新型的应用作详细描述。

如图1和图2所示，“无条件稳性整装型深吃水浮式采油平台及其海上安装方法”专利中所提供平台的所示位置可采用本实用新型机械与焊接组合连接节点，应用于大截面立柱1和小截面立柱2之间的连接。

如图2～图9所示，本实用新型机械与焊接组合连接节点包括一套设置在大截面立柱中央孔道内壁3和小截面立柱外壁4形成的环形空间内部的机械系统、一组焊接于小截面立柱顶甲板5与大截面立柱中央孔道内壁的肘板6以及一套置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的灌浆系统。所述机械系统包含若干个双头螺栓7、配合双头螺栓的铸件导向槽8以及临时使用的液压油缸或千斤顶9等。所述焊接肘板沿小截面立柱顶甲板周向均匀布置，肘板上预制有加强筋10，肘板底端与小截面立柱顶甲板焊接在一起，与小截面立柱舱壁连为一体；肘板侧面与大截面立柱中央孔道内壁焊接在一起，与大截面立柱舱壁连为一体。所述大截面立柱中央舱壁为变截面，所述大截面立柱内平台沿周向开有凹槽11，并与小截面立柱底部凸起12相配合。所述灌浆系统包括有若干个剪切键13、一个封隔器14、灌浆料15以及作业临时使用的两套灌浆系统(第一灌浆系统16和第二灌浆系统17)、上部固定装置18。

在本实用新型实施例中，提供的用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，包括一套设置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的机械系统、一组焊接于小截面立柱顶甲板与大截面立柱中央孔道内壁的肘板以及一套置在大截面立柱中央孔道内壁和小截面立柱外壁形成的环形空间内部的灌浆系统。所述机械系统包含若干个双头螺栓、配合双头螺栓的铸件导向槽以及临时使用的液压油缸或千斤顶等。所述焊接肘板沿小截面立柱顶甲板周向均匀布置，肘板上预制有加强筋，肘板底端与小截面立柱顶甲板焊接在一起，与小截面立柱舱壁连为一体；肘板侧面与大截面立柱中央孔道内壁焊接在一起，与大截面立柱舱壁连为一体。所述大截面立柱中央舱壁为变截面，所述大截面立柱内平台沿周向开有凹槽，并与小截面立柱底部凸起相配合。所述灌浆系统包括有若干个剪切键、一个封隔器、灌浆料以及作业临时使用的两套灌浆系统、上部固定装置。

上述应用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，所述机械系统包含若干个双头螺栓、配合双头螺栓的铸件导向槽以及临时使用的液压油缸或千斤顶等。所述双头螺栓单侧进入小截面立柱预制的凹槽内，另外一侧通过与液压油缸或千斤顶等执行机构相连接；所述配合双头螺栓的铸件导向槽为圆孔导向槽，尺寸微小于双头螺栓尺寸，通过液压油缸或千斤顶等挤压双头螺栓通过挤压铸件，并与铸件连为一体。所述液压油缸或千斤顶等为通用性设备，为海上安装时临时使用。

在本实用新型实施例中，应用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，焊接结构用于将大截面立柱中央孔道内壁及小截面立柱连接为一体，包含了连接肘板及其上的加强筋。所述肘板沿大截面立柱中央孔道(即小截面立柱顶甲板)周向均匀布置，肘板数量由结构计算结果而确定，可为弧形板、扇形板等，所述肘板需要在海上进行现场施工焊接；每个肘板进行两次焊接，分别与小截面立柱舱壁、大截面立柱中央孔道内壁焊接在一起，采用贴脚熔透焊。根据结构屈曲计算需要，肘板可设置有若干根加强筋，为了减少海上作业时间，在实施海上焊接前已在船厂预制完成。

在本实用新型实施例中，应用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点，灌浆系统包括有若干个剪切键、一个封隔器、灌浆料以及作业临时使用的两套灌浆系统、上部固定装置，灌浆区域位于大截面立柱内壁与小截面立柱外壁形成环形空间。所述剪切键沿大截面立柱内壁和小截面立柱外壁环向交错布置，在平台出厂前便已预制在大截面立柱中央孔道内壁及小截面立柱外壁；所述封隔器设置在环形空间底部，防止底部漏浆，为永久设置。由于有了底部机械固定装置，在灌浆作业前，仅在大截面立柱与小截面立柱环空上部加装临时固定装置，所述固定装置通常可采用液压卡桩器，使灌浆时大截面立柱与小截面立柱之间无相对运动，所述上部固定装置在焊接完成后拆除、取回；所述灌浆系统包括第一灌浆系统和第二灌浆系统，正常作业时，通过第一灌浆系统的主注浆阀对环形空间内进行灌浆，通过检测回流阀处回流浆液的比重判断灌浆结束标准；当第一灌浆系统出现故障时，通过第二灌浆系统的辅注浆阀对环形空间进行灌浆；所述灌浆料是在普通水泥浆中掺入适量的钢纤维或某些合成纤维，增加水泥浆抗疲劳能力。

在本实用新型实施例中，提供的用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点的施工方法包括：

临时固定：当小截面立柱到达设计位置时，支撑在大截面立柱中央舱壁卡槽中，一方面起临时固定作用，另一方面，在安装完成后，平台作业时可承受小截面立柱向下的垂向力和弯矩；

机械固定作业：临时固定后，使用液压油缸等机械装置扭转双头螺栓通过铸件，挤压伸缩立柱壁，承担水平力；

开展灌浆作业，安装上部固定装置、第一灌浆系统和第二灌浆系统等灌注密封材料于大截面立柱与小截面立柱环空处，排干大截面立柱中央舱壁内海水后，安装封隔器封隔底部海水；

焊接作业：将每块预制肘板(沿周向设置4块)底部焊接在小截面立柱顶甲板与大截面立柱中央孔道内壁上，承受向上垂向力和弯矩；

拆除临时安装设备，包括液压油缸或千斤顶等执行机构、上部固定装置、第一灌浆系统和第二灌浆系统等，完成节点安装，做好平台作业准备。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点论文和设计

一种用于深水浮式平台的机械与焊接组合连接节点论文和设计-姜哲

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