自升式鉆井平臺樁靴裂紋分析、處理及修復研究

黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北燕郊 065200)

自升式鉆井平臺樁靴裂紋分析、處理及修復研究

黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北燕郊 065200)

樁靴是自升式平臺的重要組成部分，主要作用是支撐整個平臺，將平臺所受的載荷傳遞到海床。一旦樁靴失效，將導致樁腿下沉，平臺無法保持水平。文章利用有限元方法研究了自升式平臺樁靴在出現(xiàn)裂紋后的應(yīng)力水平，并研究相關(guān)的應(yīng)對措施與修復方法。

自升式平臺;樁靴;裂紋;有限元分析

1 裂紋的發(fā)現(xiàn)和修理嘗試

某平臺建造于1976年，截至裂紋發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)營運32年。2008年初進行水下檢驗發(fā)現(xiàn)裂紋，其中500～1 000 mm長度的裂紋多達14處、1 000 mm以上為9處。經(jīng)過初步修復嘗試后，情況反而向更加惡劣的方向發(fā)展。由于該平臺屬于在水下檢驗時發(fā)現(xiàn)的裂紋，其樁靴外表面處于海水包圍之中，將樁靴內(nèi)部海水抽空后才能進行樁靴內(nèi)結(jié)構(gòu)探傷。雖然發(fā)現(xiàn)的裂紋并沒有直接處于海水中，但由于鋼結(jié)構(gòu)非常優(yōu)良的導熱性能，樁靴內(nèi)裂紋根本無法進行常規(guī)焊接工藝前的預(yù)熱，如果強行加熱，由于受熱面和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的溫度梯度加大，將直接導致裂紋明顯擴展。

在當前修理工藝與條件的情況下分析，如果繼續(xù)嘗試很可能導致更加惡劣的效果，因此工程師們做出了暫停修理的決定，從技術(shù)層面上明確了只有在該平臺進入干塢后才有可能具備全面修理的前提。而縱觀2008年整個中國海域沿岸，適合該平臺使用的干塢，都已經(jīng)沒有了塢期。

如果不進行修復，鉆井平臺停止作業(yè)會造成巨大的經(jīng)濟損失，而要決定讓該平臺繼續(xù)到海上進行運行則面臨著更加巨大的安全風險。如何抉擇成了工程師們的重大挑戰(zhàn)。

經(jīng)過當時項目參與各方資深技術(shù)和管理人員進行的多次討論和思考，以及各方高層的協(xié)調(diào)，仍然無法定下結(jié)論。為了盡快拿出相應(yīng)支持決策的數(shù)據(jù)，工程技術(shù)人員考慮了多種備選方案，包括:制作可以在碼頭將自升式鉆井平臺樁靴提離水面的水中塢墩，搜索國內(nèi)最先進的激光焊接技術(shù)、最先進的無損探傷技術(shù)，搜索周邊合適船塢等方案。但這些方案均無法達到馬上修復裂紋的效果。

傳統(tǒng)的無損探傷技術(shù)包括磁粉、超聲波、射線3大類［1］，磁粉探傷主要探測鋼結(jié)構(gòu)的表面裂紋，超聲波和射線類技術(shù)能探測到鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，比如氣孔夾渣等缺陷。但是這3種技術(shù)均無法探測到裂紋究竟有多深，無法判斷裂紋是否已經(jīng)完全穿透。此時，一個最先進的無損探測新技術(shù):渦流檢測技術(shù)和相控陣檢測技術(shù)，進入了工程技術(shù)人員的視野。通過對渦流檢測技術(shù)和相控陣檢測技術(shù)的原理與可實現(xiàn)性進行深入的研究，加之工程師們對該平臺的樁靴結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常熟悉，工程師們做出了一個大膽而又謹慎的應(yīng)對方案:首先利用最新技術(shù)對裂紋深度進行無損探測，判斷其裂紋深度，對裂紋的形式進行分析。其次利用獲得的裂紋深度數(shù)據(jù)，對樁靴存在裂紋情況下的應(yīng)力進行分析，掌握存在裂紋的位置及其周邊的應(yīng)力情況。最后，根據(jù)應(yīng)力情況判斷，制定臨時的預(yù)防措施，盡最大可能降低真實應(yīng)力，同時制定定期檢查裂紋深度和長度發(fā)展的計劃。如果裂紋深度和應(yīng)力允許，則可以考慮在有嚴格限定條件和緊密跟蹤的情況下進行操作。

2 裂紋深度的探測

這項新技術(shù)的名稱為渦流檢測技術(shù)和相控陣檢測技術(shù)，該技術(shù)的主要原理是:利用由很多小探頭線圈按特定的結(jié)構(gòu)類型密布在敞開 (或封閉)的平面或曲面上構(gòu)成的陣列組成的特種探頭，采用電子學的方法按照設(shè)定的邏輯程序，對陣列單元分時切換，將各單元獲取的渦流響應(yīng)信號接入儀器的信號處理系統(tǒng)中去，完成一個陣列的巡回檢測。相控陣渦流探頭的一次檢測過程相當于傳統(tǒng)的單個渦流探頭 (ECP)對部件受檢面 (平面或曲面)的反復往返步進掃描的檢測過程。由于該技術(shù)具有檢測裂紋深度的能力，工程師們決定使用這種最新技術(shù)對裂紋深度進行檢測嘗試。

裂紋檢測結(jié)果如表1所示。

表1 裂紋檢測結(jié)果數(shù)據(jù)

首先根據(jù)磁粉探傷的結(jié)果，對發(fā)現(xiàn)表面裂紋存在的部位，使用最新技術(shù)進行探測。檢測基于渦流檢測技術(shù)和相控陣檢測技術(shù)進行:超聲波相控陣(PA)、渦流檢測技術(shù) (ET)和計算機輔助成像技術(shù) (CITs)。先通過渦流檢測技術(shù)對焊縫表面及母材表面進行粗檢，然后通過相控陣技術(shù)對焊縫位置進行復檢，通過計算機成像技術(shù)顯示最終結(jié)果，讀取缺陷的具體參數(shù)。

通過與結(jié)構(gòu)原始厚度、焊縫厚度的對比發(fā)現(xiàn)，大部分裂紋的深度并沒有貫穿。因此，需要分析在這個裂紋深度的情況下樁靴能承載的應(yīng)力是多少。

3 存在裂紋的樁靴應(yīng)力分析

案例平臺的最大作業(yè)水深91 m(300英尺)，設(shè)計的作業(yè)環(huán)境條件遠比經(jīng)常作業(yè)的20～40 m水深的條件惡劣，其預(yù)壓載量和可變負荷也是按最大作業(yè)水深和極限風暴狀態(tài)設(shè)計的。因此，即使樁靴在水下檢驗探傷時發(fā)現(xiàn)裂紋，在無法及時修理的情況下，如果對平臺的插拔樁載荷和操作程序進行優(yōu)化設(shè)計，也有可能實現(xiàn)在目標海域 (該平臺經(jīng)常作業(yè)的區(qū)域)進行有限制的鉆井作業(yè)。

根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗，樁靴上的裂紋主要是在插拔樁過程中產(chǎn)生的，在作業(yè)過程中樁腿反力使裂紋附近疲勞損傷加劇，長期的循環(huán)應(yīng)力可能使裂紋擴展。由于該平臺最終必須進塢修復裂紋，此次的研究分析只是在找到干塢以前能否讓該平臺在限制條件下進行臨時作業(yè)提供技術(shù)依據(jù)，將主要考慮插拔樁對裂紋和平臺安全的影響。因此，需要利用大型有限元計算軟件ANSYS，提出一種方便可行的計算方法，分析裂紋對整個樁靴的影響。

4 裂紋模擬方法

由于裂紋擴展的分析在世界上都是一個技術(shù)難題，從各種裂紋研究理論來看，裂紋分析的相關(guān)因素非常多，事實上無法對裂紋是否會擴展進行研究，只有通過定期超聲波技術(shù)探傷來測量裂紋深度來評估裂紋是否擴展。此處只對出現(xiàn)裂紋后在實際作業(yè)情況下結(jié)構(gòu)強度是否滿足使用要求進行分析。由于裂紋的尖端效應(yīng)分析等技術(shù)理論目前并無成熟可靠的理論來模擬，且本次不研究裂紋擴展的可能等情況，因此本分析理論假定裂紋部位已經(jīng)被掏空，基于鋼板厚度受裂紋影響，鋼板的有效板厚會減少，有效板厚等于原鋼板厚度減去裂紋深度后的板厚。

5 有限元模型

根據(jù)樁靴實際結(jié)構(gòu)，模型選用 shell63，beam188和solid45單元進行模擬。對所有樁靴結(jié)構(gòu) (底板和頂板的扶強材)采用4節(jié)點板單元shell63進行模擬，每個板單元都有6個自由度，盡可能真實模擬各受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài);對與樁靴連接的樁腿結(jié)構(gòu)分2部分模擬，與樁靴連接的部分樁腿采用4節(jié)點板單元shell63和8節(jié)點實體單元solid45進行模擬，其他部分采用2節(jié)點梁單元beam188進行模擬，2部分的連接采用Rigid Region實現(xiàn)。

6 樁靴載荷

樁靴設(shè)計時最大垂向載荷為55 340 kN(5 534 t)，其設(shè)計環(huán)境條件為:水深，40 m;風速，36 m/s; 浪高，11.89 m; 表面流速，0.51 m/s。計算工況按CCS規(guī)范要求［2］選取。

7 計算結(jié)果與分析

計算結(jié)果表明所有裂紋均小于屈服強度 (355 MPa)，最小安全系數(shù)為1.24，因此，平臺樁靴在目前檢測出的裂紋的情況下，其應(yīng)力水平是可以接受的。

從文獻上獲得的資料顯示，裂紋的擴展速度不是恒定的［3］，它與裂紋尺寸和應(yīng)力變化相關(guān)。因此，雖然保持低應(yīng)力變化狀態(tài)對樁靴的安全性是有好處的，但仍然要經(jīng)常檢查裂紋情況來保證結(jié)構(gòu)安全。

本樁靴帶裂紋作業(yè)可行性評估的方法基于彈性理論。對于受損結(jié)構(gòu)，本方法將其受損后的強度及剛度代入有限元計算進行分析，以確定整體結(jié)構(gòu)是否安全。從整個分析情況看，即使考慮了相對惡劣的環(huán)境條件來模擬，其總體結(jié)構(gòu)強度仍未超標。因此只要采取足夠的安全措施，就可以讓該平臺帶裂紋臨時進入作業(yè)，以等待合適的進塢修理機會。

8 臨時作業(yè)安全措施的選擇

安全措施指定的第一步是分析整個作業(yè)流程環(huán)節(jié)中，每個環(huán)境樁腿受力情況的變化，然后有針對性的對相應(yīng)可能引起裂紋擴張的步驟進行限制性操作，盡最大可能避免裂紋擴展。第二步則是利用每次平臺移位的機會對裂紋進行跟蹤檢測，確認其是否有繼續(xù)擴展的跡象，以判斷總體安全風險情況，指定下一步的應(yīng)對措施。

自升式鉆井平臺的整個作業(yè)流程可以分為拖航就位、插樁、壓載、升船 (鉆井)、降船拔樁、拖航這樣一個封閉環(huán)節(jié)。根據(jù)綜合分析，制定出了一系列的臨時安全措施。管理上的另外一個核心安全措施也需要非常重視，那就是定期跟蹤裂紋的狀況，看裂紋有沒有在長度或深度上繼續(xù)發(fā)展。因此規(guī)定每一次拖航樁靴漂浮的時候，都要對樁靴裂紋跟蹤檢測。

9 臨時作業(yè)期間的定期跟蹤

隨著該平臺到海上進行作業(yè)，其安全措施都有該平臺操作層面完成，在該平臺發(fā)現(xiàn)裂紋后的第二次拖航移位過程中，組織了對裂紋是否發(fā)展的后續(xù)跟蹤檢測。首先將樁靴收到平臺體的樁腳井內(nèi)，抽干樁靴內(nèi)部的海水。組織相關(guān)技術(shù)單位進去對存在的裂紋進行檢測，并與第一次檢測結(jié)果進行對比。其中大部分裂紋長度方向并沒有發(fā)生擴展，僅有個別裂紋發(fā)生從焊縫向母材的擴展。因此需要假定，該處裂紋萬一完全裂透后，是否會導致整個樁靴結(jié)構(gòu)出現(xiàn)崩潰式損壞，這需要對該裂紋完全裂開進行評估。于是在這個基礎(chǔ)上，對上述有限元模型進行了修改，計算出即使本處裂紋完全裂開的情況下，該平臺樁靴強度仍能滿足目標井位作業(yè)的海況條件要求。

10 裂紋的最終修理

該平臺在經(jīng)過一次拖航移位以后，終于在其作業(yè)區(qū)域附近找到了合適進塢修理的船廠。因此就在第二次拖航移位時直接將該平臺送到了船塢內(nèi)進行裂紋修理工程，恢復了其原始設(shè)計性能。

［1］API RP 2X［M］.API，1996.

［2］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范 ［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structure［M］.DNV Rp－C203，2000.

The spudcan is of special structure in jack-up platform design.It is connected to leg-structures to transfer the loading from legs to seafloor.The spudcan normally has the intended purpose to provide the vertical support and moment restraint at the base of legs.Should the spudcan fail there is a potential for the leg to settle，putting the unit out of level.Based on Finite Element Analysis the general dealing with of cracks on spudcan is performed including temp safety actions，periodically inspection on spudcan，structure analysis，and final repair is performed to evaluate the integrity of spudcan with cracks and a way to deal with cracks is found.

jack-up unit;spudcan;crack;Finite Element Analysis(FEA)

TE95

C

1001－8328(2012)05－0052－03

黎劍波 (1976-)，男，廣西容縣人，工程師，學士，主要從事海洋移動鉆井平臺裝備運營和管理工作。

2012－05－07