某桁架樁腿自升式平臺(tái)穿刺原因及修復(fù)

林煥泉，張家茂

（招商局重工（深圳）有限公司，深圳518054）

1 前言

自升式平臺(tái)在海洋工程中的應(yīng)用越來越廣泛。由于海底地質(zhì)情況復(fù)雜，自升式平臺(tái)在定位前的預(yù)壓載過程中發(fā)生穿刺的概率越來越高，穿刺對(duì)自升式平臺(tái)的主體和樁腿結(jié)構(gòu)及升降裝置造成損壞的型式也越來越多。穿刺事故發(fā)生后，需快速地完成檢查和修復(fù)，使平臺(tái)返回工程作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

本文以某桁架樁腿自升式平臺(tái)發(fā)生穿刺后的檢查和修復(fù)過程為例，用平臺(tái)穿刺的經(jīng)典理論分析平臺(tái)壓載穿刺對(duì)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)及設(shè)備的影響，確定對(duì)平臺(tái)進(jìn)行檢驗(yàn)的途徑，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果制定修復(fù)方案及采取的實(shí)施手段。

2 穿刺對(duì)平臺(tái)及設(shè)備的損害

2.1 穿刺定義

穿刺是指自升式鉆井平臺(tái)到達(dá)預(yù)定的施工位置后，在定位預(yù)壓載過程中遇到上硬下軟的海底地層時(shí)，上部硬地層被樁靴刺破后出現(xiàn)的一種無法控制的樁靴快速沉降現(xiàn)象。

2.2 穿刺發(fā)生過程及對(duì)平臺(tái)的損傷機(jī)理

鉆井平臺(tái)在進(jìn)行預(yù)壓載操作的時(shí)候，先將平臺(tái)的船底升起離開水面，這時(shí)船體重量通過安裝在船體上的升降裝置傳遞給樁腿（樁靴）。由于單靠船體重力無法將樁靴壓到預(yù)定的滿足平臺(tái)定位要求的深度，樁靴到位后必須往壓載艙內(nèi)泵入壓載水來增加樁靴對(duì)海床的壓力；同時(shí)要滿足平臺(tái)船體對(duì)幾個(gè)樁腿在運(yùn)動(dòng)過程中的傾斜度的要求，超過一定范圍會(huì)使得平臺(tái)無法繼續(xù)升降，甚至?xí)?dǎo)致部分船體結(jié)構(gòu)或升降系統(tǒng)出現(xiàn)損壞。

2.2.1穿刺發(fā)生過程中船體及樁腿的運(yùn)動(dòng)

自升式平臺(tái)發(fā)生穿刺后，穿刺樁腿下降速度迅速增加，直到海床的承載能力和預(yù)壓載荷平衡為止。在此過程中平臺(tái)樁井和樁腿結(jié)構(gòu)極容易發(fā)生破壞性損傷。由于單個(gè)樁腿發(fā)生穿刺后平臺(tái)重力在各樁腿上的分布不再均等，當(dāng)樁腿在土體中出現(xiàn)一個(gè)較小的滑移時(shí)船體重心就會(huì)隨之改變，使樁腿與鉆井平臺(tái)船體之間發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)非穿刺樁腿隨著平臺(tái)船體的傾斜也開始產(chǎn)生彎曲。

2.2.2 樁腿與船體之間轉(zhuǎn)動(dòng)造成的損壞

（1）由于上、下導(dǎo)向板對(duì)樁腿主弦管兩側(cè)齒條的彎矩過大，造成主弦管變形、導(dǎo)向板損壞或脫落、主船體的耐磨板及其支撐結(jié)構(gòu)變形、樁腿處船底板變形甚至破損等受損現(xiàn)象；

（2）樁腿主弦管變形將引起樁腿斜撐、橫撐的變形；

（3）船體傾斜使升降裝置承受超額載荷，可能對(duì)升降裝置的各個(gè)零部件造成損傷；

（4）樁腿（樁靴）穿刺及橫向滑移可能使樁靴與樁腿連接區(qū)域的焊縫出現(xiàn)裂紋，對(duì)于經(jīng)過改裝的樁靴在樁靴的新老結(jié)合部也是如此；

（5）升降裝置的各部件可能發(fā)生損壞。

3 某桁架樁腿自升式平臺(tái)穿刺后對(duì)船體及樁腿的檢查與修復(fù)

某桁架樁腿自升式平臺(tái)為三角形箱形主船體，配有三個(gè)桁架式獨(dú)立升降樁腿，樁腿最下面連接樁靴，樁腿與船體之間通過電動(dòng)齒輪升降系統(tǒng)傳遞垂直載荷，并配置有可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的鎖緊裝置，見圖1、圖2 所示。

該平臺(tái)在南海作業(yè)時(shí)，平臺(tái)的3#樁腿發(fā)生穿刺，導(dǎo)致樁腿及相應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備不同程度的受損。

圖1 平臺(tái)樁腿布置圖

圖2 自升式鉆井平臺(tái)

在穿刺發(fā)生后，對(duì)樁靴、樁腿、固樁區(qū)、樁腿圍井結(jié)構(gòu)、升降裝置等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查的情況，召開了有項(xiàng)目組、ABS 船級(jí)社、CCS 船級(jí)社、船廠的專家出席的技術(shù)評(píng)估專家會(huì)議，提出了兩個(gè)修復(fù)方案。

（1）方案1：材料從人孔進(jìn)入需要修復(fù)區(qū)域、在受損區(qū)域加結(jié)構(gòu)支撐、對(duì)受損、變形部位做局部加強(qiáng)；

（2）方案2：在塢內(nèi)實(shí)施更換工作，割除并更換原有的T 型材、更換或矯正樁靴上表面局部變形的鋼板。

鑒于3#樁靴現(xiàn)場(chǎng)檢查的結(jié)果：頂部及支撐變形量較大、上部支撐結(jié)構(gòu)失效。對(duì)比，專家會(huì)議建議進(jìn)塢之后換新；另外，鑒于現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的損壞情況尚無法判斷其他相關(guān)聯(lián)部位（如樁靴加大部分底部結(jié)構(gòu)）是否也存在形變，需要進(jìn)塢進(jìn)行徹底檢查并精確測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模重新計(jì)算結(jié)構(gòu)受力情況，在此基礎(chǔ)上出具修復(fù)工藝方案。

確定采用方案2 后，該平臺(tái)直接從穿刺位置拔樁拖航到船廠進(jìn)行全面檢查修復(fù)。平臺(tái)進(jìn)廠后，船廠立即進(jìn)塢對(duì)樁靴、樁腿、固樁區(qū)、樁腿圍井結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了詳細(xì)的檢查測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，重新計(jì)算結(jié)構(gòu)受力情況，制定修復(fù)工藝。

3.1 樁靴的檢查修復(fù)

3.1.1 3#樁靴

穿刺現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)水下對(duì)2、3 號(hào)樁靴探傷，發(fā)現(xiàn)2#、3#樁靴外表面正常，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂紋；為確保樁靴內(nèi)部正常，平臺(tái)進(jìn)廠后先進(jìn)入3#樁靴內(nèi)部進(jìn)行了徹底的檢查，發(fā)現(xiàn)3#樁靴新老結(jié)構(gòu)連接部位有多處變形。

由于該平臺(tái)在前次進(jìn)船廠維修時(shí)對(duì)樁靴進(jìn)行了加大改造，故對(duì)3#樁靴新老結(jié)合部位作為檢查重點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)新老樁靴連接部位加強(qiáng)T型鋼、T型材及加強(qiáng)三角板、加強(qiáng)支撐板有多處變形和撕裂，變形數(shù)量約占樁靴構(gòu)件總數(shù)量的3/4。具體受損狀況如下：

（1）樁靴新老結(jié)合部位加強(qiáng)三角板變形、扭曲、撕裂；

（2）樁靴新加大部分T 型材凹陷向樁靴內(nèi)部；

（3）與T 型材連接的上表面鋼板凹陷向樁靴內(nèi)部。

根據(jù)3#樁靴上述現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)的損壞情況確定其維修方案如下：

（1）對(duì)支撐變形量較大、上部支撐結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效的部位，進(jìn)行構(gòu)件換新；

（2）3#樁靴加大部分與原樁靴連接部位T 型材、三角板存在變形，進(jìn)行了更換和局部加強(qiáng)；

（3）由于局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后平臺(tái)重心發(fā)生變化，按照修復(fù)后的實(shí)際情況進(jìn)行建模計(jì)算后修復(fù)。

3.1.2 2#樁靴

經(jīng)過檢查，2#樁靴出現(xiàn)下列斜拉筋彎曲變形：L 角和O角之間斜拉筋變形；L 角和R 角之間斜拉筋；R 角和L 角之間斜拉筋；上部R角和O角之間斜拉筋。

3.1.3 1#樁靴

1#樁靴的受損情況，沒有其它兩個(gè)樁靴嚴(yán)重。

3.1.4 樁腿的修復(fù)

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘探測(cè)量，2#、3#樁腿受損高度主要在樁腿頂部，主要在123～140 m 區(qū)間。根據(jù)測(cè)量變形值和以往經(jīng)驗(yàn)，判斷齒條和主弦管的變形釋放在鋼材的彈性變形范圍內(nèi)，可以通過有順序地割換變形的撐管讓齒條和主弦管回復(fù)到接近原始的狀態(tài)。由于平臺(tái)出塢后，樁靴有部分入泥，樁腿基本沒有晃動(dòng)，故樁腿不會(huì)因?yàn)閾u晃產(chǎn)生額外的壓彎力矩；另外，變形斜撐管較為分散且跨距較小，故可以采取2#、3#樁腿同時(shí)施工，局部變形的實(shí)際割換管長(zhǎng)度現(xiàn)場(chǎng)確定。具體割換方案，見圖3、圖4。

圖3 2#樁腿割換方案

圖4 3#樁腿割換方案

由于樁腿設(shè)計(jì)最低溫度為-20 ℃，因此修復(fù)材料選用規(guī)格如下：

（1）水平撐管和斜撐管，材料為API X75；

（2）跨距間撐管，材料為ASTM A106 GR BOR C；

（3）所有的搭接連接應(yīng)最少搭接50%；

（4）未注明的所有焊接部位均為全焊透，焊接節(jié)點(diǎn)應(yīng)以ABS/CCS 規(guī)范和AWS D1.1為依據(jù)。

3.2 固樁區(qū)主體結(jié)構(gòu)的檢查與修復(fù)

平臺(tái)進(jìn)廠后，對(duì)固樁區(qū)主體結(jié)構(gòu)的全部焊縫進(jìn)行探傷檢查，并測(cè)量整個(gè)固樁區(qū)尺寸，發(fā)現(xiàn)有以下問題：多數(shù)上導(dǎo)向板磨損嚴(yán)重，甚至有部分已經(jīng)脫落；承受垂向力過大的部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形。

針對(duì)以上問題，采取了以下修復(fù)措施：更換磨損嚴(yán)重和脫落的上導(dǎo)向板，并按照實(shí)際情況決定導(dǎo)向板的厚度，使得其導(dǎo)向間隙滿足原設(shè)計(jì)要求。

3.3 樁腿圍井結(jié)構(gòu)的檢查與修復(fù)

對(duì)樁腿圍井結(jié)構(gòu)的耐磨板、船底及其對(duì)應(yīng)艙室內(nèi)部架結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，并對(duì)相關(guān)焊縫進(jìn)行探傷、發(fā)現(xiàn)問題及修理手段如下：

（1）對(duì)于圍井耐磨板結(jié)構(gòu)背后的艙室內(nèi)框架結(jié)構(gòu)存在明顯變形的構(gòu)件，進(jìn)行更換并在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行加強(qiáng)；

（2）對(duì)被剮蹭的船底板的變形及磨損部位，使用火攻校正和填焊方法進(jìn)行修復(fù)。

3.4 升降裝置的調(diào)試

由專業(yè)生產(chǎn)廠家對(duì)升降裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查、調(diào)試和修理，在車間臺(tái)架上進(jìn)行試運(yùn)行合格后再回裝到平臺(tái)上，并在船廠碼頭對(duì)其進(jìn)行實(shí)際升降聯(lián)合試驗(yàn)以檢驗(yàn)其功能。

根據(jù)修復(fù)后的平臺(tái)實(shí)際情況（重量、重心），對(duì)影響平臺(tái)整體性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、校核，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié)語

鑒于海底土壤性能參數(shù)并不能百分之百符合設(shè)計(jì)條件，故不能精準(zhǔn)確定穿刺發(fā)生時(shí)樁腿樁靴下降的距離；此外，穿刺時(shí)平臺(tái)載荷分布也不均勻，因此對(duì)自升式鉆井平臺(tái)各部的損壞影響程度并不一樣。為確保平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)安全，在平臺(tái)進(jìn)廠（進(jìn)塢）后，應(yīng)對(duì)穿刺可能影響到的部位都進(jìn)行檢查，對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的隱患進(jìn)行消除。為減少穿刺對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，在平臺(tái)重新進(jìn)入工位前應(yīng)仔細(xì)評(píng)估工位的地質(zhì)條件，可在不超出平臺(tái)的作業(yè)或拔樁能力前提下考慮主動(dòng)刺穿的方法。