基于有限元的自升式平臺樁腿快速維修方法研究

劉大輝， 白 勇， 阮偉東， 程 鵬

1.浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058

2.中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺 264670

基于有限元的自升式平臺樁腿快速維修方法研究

劉大輝1，2， 白 勇1， 阮偉東1， 程 鵬1

1.浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058

2.中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺 264670

自升式平臺是進行海上油氣資源開發(fā)、海上風電場建設(shè)等海上工程的重要裝備。自升式平臺事故一般會造成平臺重要承載結(jié)構(gòu)——樁腿的損壞。高效地維修損傷樁腿，使平臺盡快恢復作業(yè)能力成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點?；仡櫫私陙碜陨狡脚_的穿刺事故情況，簡要介紹了自升式平臺穿刺事故的成因，探討了平臺事故后的檢驗、檢測手段和常規(guī)維修方法。以某自升式平臺事故后的維修為例，通過利用有限元軟件的分析結(jié)果制訂了高效、可行的樁腿修復方案，并得以驗證。研究結(jié)果對今后自升式平臺樁腿的維修具有一定的指導意義。

自升式平臺；樁腿；維修；有限元

目前，自升式移動平臺在移動平臺中所占比例達70%。自升式平臺在使用過程中存在穿刺、基礎(chǔ)滑移等多種事故的風險，這些事故的發(fā)生除了對平臺上工作人員的生命安全威脅極大外，對樁腿和船體結(jié)構(gòu)的損壞也極大，嚴重影響平臺的作業(yè)效率。如何高效、安全地對事故后的樁腿結(jié)構(gòu)進行修復值得相關(guān)各方關(guān)注和重視。

近年來，自升式平臺發(fā)生事故的概率有增長的趨勢。據(jù)MSL公司統(tǒng)計（見圖1）[1]，近年來自升式平臺發(fā)生的事故中，穿刺破壞（punch-through）引起的平臺事故占比高達61%，其他與基礎(chǔ)相關(guān)的滑移、海床失穩(wěn)等事故占比31%。

據(jù)統(tǒng)計[2]，多數(shù)自升式平臺事故都導致了平臺樁腿和固樁區(qū)的損壞，維修費用高達幾百萬到幾千萬美元[3]，且維修周期長，延誤平臺的作業(yè)計劃；因此，研究自升式平臺事故發(fā)生后高效、可行的樁腿維修方案，是非常必要和重要的。

圖1 自升式鉆井平臺事故原因調(diào)查統(tǒng)計分類

自升式平臺事故也越來越得到海洋鉆井公司的重視[4-7]。趙廣景[8]就自升式鉆井平臺樁腿齒條磨損及裂紋的修補工藝進行了探討，李軍[9]介紹了自升式移動鉆井平臺齒條修復案例，黎劍波[10-11]研究了自升式鉆井平臺樁靴裂紋分析、處理及修復和壓載穿刺對鉆井平臺結(jié)構(gòu)的影響及處置方案，張傳信[12]等研究了自升式鉆井平臺樁腿齒條焊縫裂紋的修復。

自升式平臺可分為三大部分：船體、樁腿和升降機構(gòu)。作業(yè)時樁腿下伸到海底，站立在海床上，利用樁腿托起船體開展作業(yè)；拖航時樁腿收起，船體處于漂浮狀態(tài)。自升式平臺的作業(yè)水深范圍從12 ft（1 ft=0.304 8 m）直至550 ft，甚至更深海域。大多數(shù)自升式平臺的作業(yè)水深200～400 ft，從表1的全球海上鉆井裝置數(shù)量統(tǒng)計[13]來看，自升式平臺占比近45%。

表1 全球現(xiàn)有海上鉆井裝置數(shù)量統(tǒng)計

1 穿刺破壞事故介紹

2002年，Osborne和Paisley[14]在調(diào)研并分析大量穿刺事故的基礎(chǔ)上，首次明確定義了自升式鉆井平臺的穿刺概念：自升式平臺操作期間，樁靴基礎(chǔ)突然快速沉降，導致嚴重損失的事故。根據(jù)損失程度，穿刺事故可以分為兩類：自升式平臺的可操作性嚴重損失，定義為“穿刺失效”；自升式平臺受到的損害較小，仍可以操作，定義為“不可控制的插樁”。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，穿刺主要發(fā)生在自升式平臺升船、預壓載或自存期間[15]，而且穿刺時，多出現(xiàn)某個樁靴/樁腿的急速下沉，伴隨著樁腿與自升式平臺船體之間的相對轉(zhuǎn)動，使樁腿及固樁區(qū)結(jié)構(gòu)承載過大，很可能損傷了樁腿及固樁區(qū)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備，主要的損壞區(qū)域分析見表2[12]。

通常情況下，穿刺事故會引起固樁區(qū)結(jié)構(gòu)或該區(qū)域樁腿結(jié)構(gòu)的破壞、齒條的磨損、樁腿和樁靴連接區(qū)域的結(jié)構(gòu)破壞等。穿刺事故發(fā)生后需要盡快針對這些區(qū)域展開目測、激光測和無損探傷（NDT）等檢查、檢測，其準確的結(jié)果是制訂合理可行修復方案的基礎(chǔ)。

2 事故后的檢查

首先定性地觀察三條樁腿的損壞程度。通常，穿刺樁腿的損壞程度會最嚴重，然后檢查升降裝置，看其是否可以正常運行，具體的檢查流程如下。

表2 穿刺事故損壞區(qū)域分析

2.1 樁腿的檢查

利用儀器對樁腿進行精確測繪，獲得準確的變形數(shù)據(jù)，尤其對齒條直線度與拱度進行準確測量。對所有齒條的齒形和齒面進行目測檢查，并選擇變形的齒面進行大規(guī)模探傷。對樁腿上的沖樁管道等附件進行檢查。

2.2 固樁區(qū)的檢查

對固樁區(qū)的檢查以目測、全面焊縫探傷及尺寸測量為主要手段，其覆蓋范圍需達到100%。包括導向板磨損、脫落情況，承載結(jié)構(gòu)變形情況，升降裝置的支座是否出現(xiàn)裂紋等。

2.3 升降裝置的檢查

升降裝置作為樁腿與船體之間唯一的垂向承載力傳遞載體，需要重點檢查。通常其檢查的手段分為3個層次：目檢，聽運轉(zhuǎn)噪聲、局部抽查并使用內(nèi)窺鏡檢查，全面拆檢。

2.4 圍樁區(qū)結(jié)構(gòu)的檢查

目測檢查樁腿圍井結(jié)構(gòu)（耐磨板、船底及其對應艙室內(nèi)部框架等結(jié)構(gòu)）并對相關(guān)焊縫進行探傷以判斷是否有損傷。

2.5 樁靴結(jié)構(gòu)的檢查

通過目檢、氣密性試驗和探傷等手段，檢查樁靴是否變形、樁靴與樁腿連接部位是否出現(xiàn)裂紋等。

3 基于有限元分析探索維修方案

自升式平臺的穿刺事故通常發(fā)生在離岸較遠海域，如果事故較輕，可以在事故位置盡快處理；如果事故較嚴重，則需要拖航到維修碼頭或船塢進行檢測維修?？梢愿鶕?jù)事故過程的平臺檢測記錄數(shù)據(jù)開展自升式平臺整體的穿刺過程結(jié)構(gòu)動態(tài)響應分析[15]；或根據(jù)事故后的檢查及檢測結(jié)果，建立有限元模型，施加變形載荷進行靜態(tài)分析，確定樁腿各個變形構(gòu)件的應力情況，根據(jù)應力情況來確定維修方案。如果平臺需要拖航至碼頭或船塢內(nèi)進行修復，還需要對變形樁腿拖航時的受力情況進行評估。

本文研究的平臺穿刺事故屬于“不可控制的插樁”，根據(jù)插樁過程中的樁腿反力記錄（見圖2）可以看出：首部樁腿（Bow Leg）發(fā)生了穿刺，左舷樁腿（PORTLeg）和右舷樁腿（STBD Leg）受影響較小。目測檢查發(fā)現(xiàn)船首樁腿的齒條、導向板有磨損（見圖3），樁腿的撐管和弦管都有變形（見圖4），固樁區(qū)無明顯變化，升降系統(tǒng)仍可以運行。將樁腿變形區(qū)域提升至固樁區(qū)10 m以上位置，發(fā)現(xiàn)變形有緩解，利用激光掃描全站儀測繪三個樁腿的主弦管的變形，并搭設(shè)腳手架對變形樁腿進行精細測量，獲得精確變形數(shù)據(jù)（見圖5）。

圖2 自升式平臺插樁過程的三個樁腿支反力的時間歷程曲線

圖3 齒條與導向板的磨損情況

利用SACS及ABAQUS軟件建立樁腿有限元模型，將樁腿的測量變形以位移載荷的方式施加到結(jié)構(gòu)上，獲得所有關(guān)心結(jié)構(gòu)的應力水平情況。分析結(jié)果顯示，部分桿件發(fā)生了塑性變形，需要人為恢復或者用新的結(jié)構(gòu)替換發(fā)生塑性變形的結(jié)構(gòu)。

圖4 樁腿變形目測結(jié)果

圖5 樁腿結(jié)構(gòu)變形（最大值）測量結(jié)果示意/mm

建立首部樁腿模型，施加變形荷載和近海拖航（Field Tow）環(huán)境載荷（環(huán)境條件為搖擺周期11 s，單邊搖擺6°）進行校核，確定變形樁腿是否滿足近海拖航強度要求，如果滿足可以選擇在溫和海況下就近拖航到碼頭或船塢進行維修。

經(jīng)過校核，強度不滿足拖航要求。隨后提出了先切斷變形嚴重的撐管，采用焊接扶強板來加強撐管的方案（見圖6）。采用solid單元運用有限元計算，結(jié)果顯示該種方法可以有效起到加強撐管的作用，進而起到近海拖航臨時加強的作用。

4 維修方案確定及維修效果

圖6 撐管切斷后的補強方法模型

根據(jù)圖7所示受力方向及表3（施加圖5所示的位移載荷）所表述的有限元計算結(jié)果判斷，①～⑧號變形撐桿多數(shù)發(fā)生了塑性變形，且受力較大，其中，⑦撐桿受到的軸向壓力最大，達到19 982 kN，⑥撐桿的軸向力次之，為19 723 kN，①撐桿軸向力最小。因事故平臺離岸距離較近，且平臺樁腿變形不是很嚴重，其他升降系統(tǒng)、固樁區(qū)和圍井結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)經(jīng)檢測基本無變形且運行正常，所以創(chuàng)新性地提出利用平臺結(jié)構(gòu)自身的回復力進行樁腿修復工作。經(jīng)分析，弦管（Chord）的變形為彈性變形；而發(fā)生塑性變形的撐管，約束了弦管的變形，無法恢復。因此計劃逐次切割發(fā)生塑性變形的撐管，釋放約束。

圖7 變形橫撐管及斜撐管的受力方向示意

表3 變形構(gòu)件①-⑧的受力情況

依據(jù)有限元分析結(jié)果，比較、分析、討論并制訂了詳細的塑性變形撐管的切割順序：中等應力水平撐桿→高應力水平撐桿→低應力水平撐桿。全部切割結(jié)束后，重新進行弦管和撐管的精度測量（見圖8，括號中的數(shù)值表示撐管切割前、后樁腿弦管距離變化）。

圖8 塑性變形撐管切割前、后樁腿弦管距離變化/mm

測量結(jié)果顯示：弦管間距基本恢復正常，但是局部的弦管弧度和平整度仍需調(diào)整。針對這個情況，創(chuàng)新性提出采用升降裝置、鎖緊裝置和導向板等進行二次裝置外力扶正，在升降過程中發(fā)現(xiàn)樁腿有一定程度的恢復，但仍存在局部的弦管弧度和平整度要恢復。采用圍井結(jié)構(gòu)的頂部架焊更高導向結(jié)構(gòu)，通過導向結(jié)構(gòu)進行導向性糾正，來恢復弦管結(jié)構(gòu)弧度和平整度。導向后經(jīng)檢測效果理想，達到了要求的精度。對切斷的撐管進行替換，替換過程中通過貼應變片等方式控制焊接前后的熱處理、殘余應力及殘余變形，隨時注意不要產(chǎn)生新的變形。焊接替換工作后對整個樁腿進行精度測量和全方位無損探傷，滿足船級社的要求。至此維修工作基本結(jié)束。

5 結(jié)論

本文通過利用有限元分析的方法對自升式平臺穿刺后樁腿修復方案進行研究，通過項目驗證了該方法的有效性，希望能夠達到交流和參考的目的。

[1]DIER A，CARROLL B，ABOLFATHI S.Guidelines for jack-up rigs with particular reference to foundation integrity[M].prepared by MSL Engineering Limited，HSE BOOKS，2004：ISBN 0 7176 2926 0.

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Studyofjack-up rig leg rapid repair methodologybased on FEA

LIU Dahui1，2，BAIYong1，RUAN Weidong1，CHENG Peng1
1.Architecture Engineering College，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China
2.CIMC Offshore Engineering Institute Co.，Ltd.，Yantai264670，China

Jack-up rig is very important to offshore oil and gas exploration，offshore wind turbine farm construction and other offshore projects.According to the statistics，most accidents of jack-up rigs result in jack-up rig leg damage.It’s concerned how to repair a damaged leg rapidly so the jack-up rig can return to its duty as soon as possible.The cases of jack-up rig punch-through accidents in recent years and corresponding causes are introduced in this paper，the inspection and detection methods and conventionalrepair methods are discussed.How to make a feasible and efficient repair plan with FEA is studied based on a real case.The FEA methodology is verified effective.The study results will give some guidance to other jack-up rig leg repair projects.

jack-up rig；leg；repair；FEA

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.004

國家重點研發(fā)計劃“新型極地冰區(qū)半潛式鉆井平臺關(guān)鍵技術(shù)研究”（2016YFC0303400）的子課題“極地冰區(qū)平臺總體設(shè)計、防凍技術(shù)及建造技術(shù)研究”。

劉大輝（1980-），男，山東煙臺人，工程師，浙江大學建筑工程學院在讀博士生，主要從事海洋工程技術(shù)的研究。Email：daweiping@126.com

2017-04-25；

2017-06-23