CN85107344A - 一种诸如在石油钻井和生产平台中框式桁架结构管状节的制造方法 - Google Patents

Abstract

诸如海上石油钻井和生产活动平台的由互相连接的钢管构件的腿和撑柱组成的框式结构的管状节的制造方法。为了组成节内腿和撑柱间的过渡，按照本发明的方法利用了轧制钢板坯料，先把它弯曲成相对应于腿的曲率的形状，然后在适当的压制工具上进行冲压或挤压加工以组成按所需角度的向外伸展的撑柱支脚。这种撑柱支脚设计用来焊接辅助的撑柱管在框架结构上。然后该带有撑柱支脚的坯件被焊接成脚本身，以及组成了节内腿的壁部分。

Description

本发明涉及一种由钢管制成的腿和撑柱互相连接在一起的框或桁架结构用的管形节结构的新的解法方法，这种结构用于大宽度的固定或移动平台的海上石油钻井和生产活动中。

于这种类型的桁架的结构通常是将撑柱直接焊接在腿上而组成管形节，也就是腿与撑柱之间的连结。这种节可以由一根撑柱和一条腿所组成，也可以由许多撑柱和腿在一个面上或几个面上连接而成。虽然从结构的观点来看直接将撑柱焊接在腿上是一种简单的解决方法，但是应该指出这种解决方法会带来一系列严重问题和损害。首先需要小心的以及高代价的对焊接连接的表面进行预处理和互相配合，如果撑柱成倾斜角度连接就更为麻烦。通常被连接的管壁厚是不同的，这使焊接更为复杂。继之而来的是焊接质量的控制，例如因为受可达性的限制，用超声波或X光检查这种焊接也很复杂。经验已经表明，因为上述的原因而经常不能保证焊接工作的质量。这些问题在成角度的和多撑柱节连接的情况下变得更为严重和突出。

为了增强节的刚性和强度经常需要局部地增加节处的腿壁和撑柱壁的厚度，这一措施更进一步地造成焊接的困难，也使平台的重量增加和成本提高。

从结构强度的角度来分析，现常用的解决方法还不够理想。这种撑柱/腿结点在几何学上代表了不连续点，该处会在材料内产生上升到很高的应力峰，也会造成应力集中。传统解决方法的事实是焊接连接处正好是那些应力高度集中处，这就必然进一步严重损害节的强度和安全性。因为环境波浪是可动负荷力性质，近来通常的节趾部焊缝处高度的应力集中而使疲劳强度问题尤为严重，会导致焊缝处早期碎裂和该处碎裂的再发展而使连接频繁失效。

过去的年份里平台钻架结构的严重损坏，尤其是在像北海那样恶劣环境里。已经证实像海上平台这样的设计，都必须充分考虑静力和疲劳强度的结构，并且要备有足够的安全系数。这首先是指节和节之间构件必须具有足够的强度，也指这种结构有足够低的失败概率，关于下面失败的形式：

1.节的静强度。即稳定性经受超负载而不产生过度的永久变形，坍塌，或甚至摩擦剪切断裂。

2.节之间的杆件的弯曲/屈服。

3.由于疲劳而产生裂缝和裂缝的延伸。

为了在这类框式的工作结构的腿和撑柱之间创造一种强度更高和更耐久的连接，必需避免在管形接合处焊接，因为该处有很高的集中应力产生，而应代之以一种在预制的整体节内组成撑柱支脚这样就能作为结构的一部份而同腿和撑杆直接地焊接在一起。这种解决方法无论怎样看至今还未被平台钻架工业所采用，更没有在实际中试用。主要的原因是铸造的或模锻的连接总是存在着不可避免的模锻缺陷危险，诸如内部气孔和裂缝，而这类可能存在的缺陷用已知的控制设备不可能100%绝对保证检查出来。进一步地说这类形状的铸件的铸造费用很贵化费时间很多，而且这种铸造通常必需远离制造钻架位置的工厂里进行。

为了对平台钻架结构的工作框架提供改进的节，还提出过一些相似的解决法。例如专利号为：140949，142454和145731挪威专利说明书所提到的另一些解决方法。这些专利公开了不同型式节的实例具有相对小的直径以及产品的整体部份是用模锻或铸钢制造的，在某些情况下用焊接筋板来加强，等等。这种节的体部份被预制成需要形状的短管，然后焊接到框架工作结构的撑杆上去。对这种解决方法的进一步补充是在节和大直径的管形撑杆之间使用了一种特制的锥形过渡连接管零件，这样节就能在规定的小的总体尺寸里制造。从静态设计的观点来看小尺寸的节是理想的，可以假定为一种可行的解决方法，但是从结构的观点来看，一方面因为用了所谓的无向性材料即各方向的强度特性相同的材料（相反轧制的板材通常在横向强度弱），一方面因尺寸小而导致弯矩惯量减小，因而降低了弯曲强度。

不管在设计和在静强度方面表现出怎样好的优点，这种固体节的解决方法还未被大型钻井平台结构的连接所采用。其一个原因是这种节的成本过高以及制造费时，经常制造的场所远离井架建造处。另一重要的实际障碍是用了这种节使腿不能用来作柱的引下线或用来作钻机设备、生产设备的通道等。

另一个进一步的关于节的解决方法建议提供一个环形的圈围绕在腿的周围，在环上设计有一个或数个用来连接撑杆到框架工作上去的过渡连接管零件。关于这种解决方法的具体实例是在节上用一特殊的环和过渡连接管零件来连接各分开的撑杆。这种环解决方法在许多方面比上述的固体节群方法更有吸引力，但是这种解决方法对大尺寸的节和伸展出去尺寸的节其本身会造成应力集中的问题以及麻烦的互相选择配合的问题，尤其是对环的过渡接管零件。

总的来说，可以断定关于大型的用于像海上井架平台钻井结构目的的框形构架工作结构，所述的节是该结构中连接的薄弱环节，这对井架的总强度或对井架的寿命来说都是主要威胁，因为在节结里产生疲劳碎裂会使它损坏。

本发明的主要实质是发展了一种用于大型的钢管框架工作结构新的改进了的节解决方法。

本发明的特别的实质是提供一种用于连接与腿成直角伸展的或成倾斜或斜交叉角度伸展的撑柱节的制造方法，例如与腿成45度向上或向下的角度。

本发明的方法的目的是提供一种工作桁架的框架结构的管形节，例如海上钻井平台，承受波动条件的类似设计，由钢管的腿和撑杆组成的构件。本发明的特点在于腿和撑杆之间的过渡连接管的组成是利用了一种由轧制的钢板坯件制造的过渡零件，这种坯件先形成能与腿的曲率相适应配合的曲面形状，再用适当的压力工具冲击或挤压以形成一个按需要角度伸展的用于焊接附加撑柱管到框架结构上去的撑柱支脚，此后该平板形的撑柱支脚被焊接或腿的本身，从而在节上组成了一个扇形壁。

根据节结构的形状和其它规范，形成的管形支脚能在垂直于支脚轴线或成一角度的平面上有一个开口，例如在一个与腿轴线成平行的平面上。

该包括有管形支脚的钢板零件的制造过程能在一次分别冲压和/或挤压操作里完成或在几次重复的或不重复的操作里完成，为恢复材料的延伸性，进行中间热处理。

用于在钢板零件上制造支脚的特殊工具可以是圆柱形的或锥度小的圆锥，更为可取的端面是圆形的或前端球面的。模子带有一互补的开口以使被制造的支脚的内平面和内表面本身之间有一个适当修正的过渡区。

试验提供这种方法的特别好处是它能用来在板零件上制造倾斜的支脚。所以能够做到这样是因使用了一种带有活塞或类似物的工具，它被导向成与腿上的零件所需成的角度的方向一致以及所述的模子提供了倾斜的开口给予了正确的、椭圆形的修正开口区域。

该包括有支脚的平板部份能组成完整的腿的环部份或仅是腿的壁部份。当与大直径的腿连接时后者是唯一的可选择的方法。这种大直径的腿将沿着周周组成（举例来说五个钢板部份焊接在一起）一个环结构部份。该平面部份作为一种做支脚的坯件可以有同腿的其它部份和腿的节部份相同的厚度，也可采用较厚的厚度，或者仅在节的平面部份或者是所有腿的圆周的环形平面部份都有一增加的厚度。

通过本发明的这些解决方案，提供了一种改进的节的设计，与已有技术相比较还具有另外一些利益，尤其是与通常的将撑杆直接焊接到腿上去的结构相比较更为显著。它能避免将要连接在一起的两个零件成锐角，而锐角的连接必然会导致严重的应力集中。

该支脚零件从与腿邻近部份的厚度到将与支脚的开口焊接的附加撑杆管的厚度是均匀地减薄的，这样就能避免焊接点正好在应力集中的危险区，也就是在腿和撑杆之间的环形过渡带。采用直接在或从腿材料上挤压或冲压出支脚，能得到一种异向性支脚产品，即一种材料，它在支脚的纵向具有的强度比横向大。已经显示，本发明的技术比各种形式的现有技术在应力和变形方面有明显的进步，这一技术将在节和支脚上广泛应用。

该节的设计必须考虑到静强度也就是它经受激烈的撑杆负载而不产生过度的永久变形、断裂和剪切破裂的能力。这些必须用抗拉伸负荷和加压来检验。后者在节末得到加强的条件下，由于成椭圆形压扁和破坏性的机械断裂通常更危险。另外一些破坏的形式是节的不同部份的弯曲/屈服，最后破裂和破裂的发展而造成疲劳破坏。

计算、实际经验和试验已经表明最危险的破坏形式是疲劳破坏，尤其是用在海上具有汹涌波浪环境的平台井架结构的连接，例如在北海，实际试验已表明本发明已提供了一种用来克服上述问题的解决方法。

除了上述原因外，本发明之所以能得到这样好的结果的进一步原因。简要地说来是将撑杆所受到的危险的压力和张力均匀地传递和分配到腿上比较大的区域上，同时避免了突然的零件尺寸的变化，在撑杆支脚和腿之间得到代替甚至是弯曲的或拱形的过渡导管的承托。

更进一步地说，在支脚和腿零件之间的弯曲过渡基础上，需要得到放置检查整个过渡带的超声波和X光设备的入口，同时为了检查的需要过渡区将被缩小。

更进一步地说支脚的平面部份，支脚部份的必要的检查在生产制造现场一样可以进行，这样就不必移动检查设备到井架的生产现场。最后还能得到从两边进入结合处的入口。有关在腿表面将要封闭的点上焊接撑杆连接一些事至今还不可能解决。

本发明与已有技术这种类型的节相比具有的进步性可以总结如下：

1.这种节可以承受高的疲劳负荷。

2.这种节结可以获得较长的工作寿命。

3.能避免几何形状复杂的和成本高的管结点的焊接工作。

4.这种节的检查操作的需要被减少了。

5.因为本发明的节具有大的疲劳强度而增加了设计出用于深水的细长的和高的井架结构的可能性，而不必使用另外的要求高于静负荷的设计标准（尺寸约100年波浪）。

本发明还包括了另外一些重要的特点和进步，这些将在下述的说明书中体现出来。这里本发明将用有关的一些实例和示意附图来说明。

图1a和1b是近年来大规模设计使用的由管形的腿和撑杆组成的桁架或框架结构的海上井架平台所使用的节的水平方向和垂直方向的截面图。

图2显示了用于提供撑柱支脚的腿的平板或平板坯件部份，该显示的坯件带有一“起始孔”。

图3a和3b显示了用于制造带角度的撑柱支脚和直角的撑柱支脚所用的坯件和冲压或挤压工具。

图4a显示了工具即活塞和模子在挤压操作和在组成角度的撑柱支脚的最终位置的情况。

图4c显示了一个不完全的放大了的部份截面。

图5显示了腿的水平截面的示意图，它提供了带有本发明的撑柱支脚的板部份。

图6a显示了本发明的带有撑杆支脚的节与腿的水平示意图。

图6b-6e显示了本发明的使用于带有撑柱支脚的节的分段在不同的垂直的立面部份。图b，c和d是在装配前的视图，图e是装配成的节。

图7显示了本发明的一种和图6e显示的相近似的节，但是那里的平面段部份能被任意选择。

图8一起显示了本发明的六种形式的节。

如图1所示的常用的节，它由邻接的撑杆开口和带有正确的弧度或拱形的开口边缘的撑柱支脚所组成，而开口边缘的弧度由撑柱和腿之间的角度而定，上述的零件直接对着腿的面并与之接触。在这类设计中互相之间的焊接连接或角焊缝通常局限于三角形或V形，焊缝沿着腿和撑杆之间的外面口和接合线。为了也提供内部的焊接，腿开始时要提供一个分离的撑柱支脚。（经常是锥形的），它被焊接在腿上也带有内焊缝，然后必须检查该焊缝，然后使用环形焊将撑柱焊接在撑柱支脚上，但是它仅有外面的焊接7。因此这种设计就造成了一特别危险的区域，尤其是对带有角度的撑杆，这一危险区在图1b里用序号8所指明的圆圈内。在这一区域内用于焊接的工作空间是十分有限的，接着用超声波或X光设备来检查的问题。如果可能的话，也将遇到同样的困难，这点非常不利，因为恰好在这区域将会产生最大的应力或应力峰。这种在节里的“正常应力”峰值经常会超过正常的应力的10倍至30倍。

在节的这一区域进行焊接的通常办法经常会在腿和撑杆之间的过渡区产生疲劳破坏的危险，尤其是当承受反复的压应力和张应力时更会导致破坏结果。这种结构的工作期限十分有限的，尤其是用到海上平台钻井，它要经受因汹涌的波浪而引起的上述类型的脉动应力，更是缩短了使用寿命。

图3a，3b和4a，4b和4c图示了制造用于本发明节的撑杆支脚或过渡结构的方法。一块准备好的弯曲的轧制板或是轧制钢板如图2所示，它提供有一个起始孔12。如图3a或3b所示该板坯件然后放在一个带有模子4a（用于带角度的撑柱支脚）或4b（用于直角的撑柱支脚）的冲压或挤压工具里。该模子的模面形状是和板坯（未显示）的曲面相一致的，同时提供了椭圆的或圆的开口16，它的尺寸与将要制造的撑柱支脚的尺寸或直径相对应。模子上的开口或孔在某些情况下为有利于使与轮廓相符可稍微减小其径向向外的尺寸。当制造一种如图3a所示的带角度的撑柱支脚时，该模上的开口的方向具有一个角度，与欲制造的撑柱支脚的方向相对应，同时该板坯被定位和固定（未显示），起始孔12被定位在稍微偏向所示的撑柱支脚的短边，因此能实现板零件在挤压作用下发生变形而最后形成的撑柱支脚具有大致上的圆形并横向端开口，同时更进一步地这种产品朝末端的开口方向其厚度均匀地减小。在圆周上维持大致上均匀的厚度，在带有角度的撑杆支脚的连接中沿着锐角边的厚度可能稍微大些。

图3a和3b和图4a所示的冲压或挤压活塞具有圆柱形状，也可以在向外的方向稍有锥度，它的前端头22最好是球面形式而不是锥度小的锥形。该活塞用通常的压力夹盘或支持物来支持，使活塞能轴向地朝着模子上的开口运动，该活塞也应该能进行一些横向运动，因为在制造带角度的撑柱孔时那时起始孔被定位在略偏在管轴线的一侧这如图3a所显示的，所以横向的运动是需要的。为避免在开口时的初始破裂，该活塞开始轴向地直接位于初始孔的上方，然后随着开口的扩大而缓慢地朝有关的中心轴移动。

图4c是图4b圆圈内的局部剖视图的放大，图示意了在模子开口26里的弯边24和一种直角的撑柱支脚28的典型成型结构。

如果需要，在模子的开口里可以已知的形式放置一底座或计数工具23以指示图40所示的距离界线22。

这种冲压或挤压的操作能采用各种不同形式，这要根据制造的产品的对象和是否对钢板坯进行预热而定。

如果在不加热的情况下进行挤压操作，该挤压操作必须中断数次，也就是说挤压必须分阶段进行。阶段的次数要按撑柱支脚的直径和产品的厚度而定（通常随撑柱支脚和撑柱的直径增加产品的厚度也增加）。在挤压步骤之间必须对产品进行热处理，这样该产品可以通过再结晶因而恢复它的延伸性而能进一步加工。必须不断地准确地控制挤压操作，使其不超过产品的屈服点。

这种冲压或挤压加工也可改成先预热后加工，例如先预热至800-1000℃的范围。

这种挤压加工在一些情况下可以通过相对地较长的持续或较长的移动一次完成，或分几个步骤来完成，有时可进行更新热处理以使被加工产品恢复它的可延性。

通过上述的冲压或挤压加工，可以得到一种称为定向结构的撑柱支脚产品，这样能得到高强度的材料，同时能获得挤压方向的增加的延伸性。若进行称之为的冷压或冷强制加工，该板坯将得到在接近屈服点的刚性，预制的撑柱支脚的破裂点和硬度将大于经预处理的平板产品。

实际试验已证明采用这种形式制造的撑柱支脚有很高的质量，同时这种管子能有较大的直径，例如1至2米，同时在范围50-100毫米内的较佳的厚度。

在工具的制造方面，模子开口的边缘要有适当的圆弧曲率，这点非常重要，因为该曲率将限定撑柱支脚在危险区的弯曲半径，也就是从腿材料本身到管本身的区域。

实际试验已经显示工具的设计得合理能得到最佳的结果，也就是说要逐渐减少产品在支脚上的厚度，从腿的厚度或将要组成腿的过渡部份的壁厚，到邻接的撑杆的壁厚，而撑杆通常厚度最小（通常为腿壁厚的20-50%）。实际试验进一步显示了能达到保留沿着危险的弯曲区的腿壁边的厚度的要求，而产品的这一厚度的需要是很重要的。这点很易理解，即通过本发明能完全避免焊接点在节的危险的应力集中区域或部份内。此外在这些区域能得到均匀的在某些情况下比腿或撑杆本身更强固的材料。

在关于撑柱支脚的长度方面，对45°角伸展的支脚将有一个大体上对撑柱半径相对应的形状，在任意情况下，总要大于某一长度，这样该产品的支脚的锐角边对撑柱的中心轴能平行或实质平行，这样就能达到沿着撑杆的过渡齐平的对准，得到较好的圆形的开口边缘。关于直角支脚，该长度要求不是特别严格，但是支脚至少长到支脚的壁有充分的伸展。并与中心轴线平行。进一步地说，至少长到产品的沿着开口边缘的厚度实际上与相邻接的撑杆的产品厚度相对应。如若需要可以将一个可取的产品厚度能向着外端或口减小的用于焊接撑柱的圆锥形过渡零件焊接到支脚上。

现来谈关于本发明的节的受力情况。可以指出，通过试验测量本发明的节的疲劳强度、耐久性是同样类型和同样尺寸的常用的焊接节的寿命的十倍。

在这一基础上，另一变更的做法是容许增加相应的许用疲劳应力而维持和相应的常用的焊接节一样长的寿命。

在一些实际情况中，联系到带角度的支脚时，特别是角度超过45°时，可以证明很难在管壁的长边上向外方向很难充分获得足够的对产品要求，现在就能得到需要的在支脚上的转接端开口，它相对于支脚的纵向轴线保存了围绕支脚圆周的均匀的产品厚度。为了保持均匀的产品厚度，尤其是管子的开口边缘的均匀厚度，有些事是十分重要的，使支脚缩短或对着支脚壁的长边倾斜是很必需的。否则该支脚的口将位于一个相对于管的纵向轴不是横切位置的平面，这样支脚的开口就会成椭圆形，这种形状需要将要焊接到撑柱支脚上去的邻接的撑杆上椭圆形的开口与之配合，而使连接节和撑柱的操作复杂了一些。

如前所述，图6a显示了一通过本发明的节的示意截面视图。

图6b，c和d显示了本发明的节在装配前分成三部份。图6e显示了在图b，c和d所示的部份在装配后的情况，一起包含有三个撑柱支脚，每一个位于腿的分开的垂直的空间部位。该节的腿部份是这样设计的，所有撑柱支脚的中心轴线在腿的垂直的中心轴上，因此得到牢固和稳定地设计。

图7显示了一个和图6显示的相同的节结构组成的该节，在腿结构上没有限定任一特定的分开线，说明了该包含了撑柱支脚的平板部份根据特殊的需要能被任意选择。

上述的叙述和显示的例子仅是为了说明本发明的方法。本发明的范围仅被所附的权利要求所限定。

Claims (10)

1、一种诸如用于石油钻井和生产活动的海上工作平台的由互相连接的钢管件的腿和撑柱所组成的框式桁架的管状节的制造方法，其特征在于利用了轧制钢板坯件组成节里的腿和撑柱之间的过渡，该坯做成和腿的曲率相对应的弯曲形状以及在合适的压力工具里用冲压或挤压的方法以组成按需要角度的向外伸展的撑柱支脚，该撑柱支脚被设计用来焊接附加的撑柱管在框架上，此后该带有撑柱支脚的坯被焊接成腿本身，因此组成了一个在节结里的它的壁部份。

2、如权利要求1所述的制造过渡另件的方法，其中撑柱支脚相对于  脚的轴线倾斜地伸展，其特征在于该撑柱支脚是冲压或挤压成这种形式，即支脚的开口边缘在一个相对于撑柱支脚纵轴倾斜的平面内，同时实质上平行于腿的轴线。

3、如权利要求1所述的制造过渡零件的方法，其特征在于在一块和同一块坯件上挤压出二个或几个撑柱支脚。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于该撑柱支脚从邻接腿壁处的厚度到未端开口处的选择厚度是均匀地减薄的，同时该撑柱支脚沿着开口边缘圆周有均匀的壁厚。

5、如权利要求2或3或4所述的方法，其特征在于该坯料是轧制钢板，开始有一平行六面体的形状，即是正方形或矩形，以及该坯后来焊接成腿的结构，包括一个常规腿的壁结构的整体部份。

6、如权利要求5所述的制造撑柱支脚的方法，其特征在于使用了一种挤压或冲压工具，所述的工具包括一个有倾斜支撑和能移动的挤压活塞的模子。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述的坯上第一步提供一个挤压起始孔该起始孔在通过被形成的撑柱支脚的轴上。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的坯经受了逐步地冲压或挤压加工以在坯上组成撑柱支脚，以及有间隙性时间间隔地进行加工，在间隔时间内，对坯进行热处理，这样使坯制的产品在下道挤压步骤前能恢复它的延伸性。

9、按上述任一权利要求所述方法制造的在框架工作桁架结构上的管形节。

10、按权利要求9所述的过渡另件或管形节。

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