半潛式平臺(tái)局部切割模擬及施工支撐方案改進(jìn)

武卓威 劉 俊 寇雨豐 徐勝文

（1.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200240； 2.上海交通大學(xué)高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同中心 上海 200240）

海洋平臺(tái)及相關(guān)技術(shù)在海洋油氣勘探和開(kāi)發(fā)過(guò)程中起到了非常關(guān)鍵的作用[1-2]。半潛式平臺(tái)憑借其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、甲板面積大、水線面面積小、水動(dòng)力性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，能夠完成多種類(lèi)的任務(wù)，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，已在海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。按有關(guān)部門(mén)規(guī)定，海洋平臺(tái)投入使用后，需定期開(kāi)展特檢工作[5]。平臺(tái)特檢通常在干船塢內(nèi)進(jìn)行，由于半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備繁多，特檢施工過(guò)程難度較大[6]，確保特檢施工過(guò)程的安全性具有重要意義。現(xiàn)有研究中，針對(duì)半潛式平臺(tái)關(guān)注的重點(diǎn)往往在于完整平臺(tái)結(jié)構(gòu)的拖航、作業(yè)、自存等典型工況下的強(qiáng)度問(wèn)題[7-15]，而針對(duì)進(jìn)塢檢修、部件更換等特殊情況下的結(jié)構(gòu)分析關(guān)注較少，對(duì)切除了部分替換構(gòu)件后的非完整平臺(tái)結(jié)構(gòu)同樣很少加以考察。

本文針對(duì)某半潛式平臺(tái)特檢切割施工過(guò)程，考察了平臺(tái)立柱大肘板構(gòu)件切割過(guò)程的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及施工支撐方案。采用有限元方法，按照特檢切割方案對(duì)某半潛式平臺(tái)立柱大肘板切割進(jìn)行了模擬，并通過(guò)切割第一階段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及邊界條件模擬的準(zhǔn)確性，考察了大肘板構(gòu)件完全切割后平臺(tái)的應(yīng)力狀態(tài)；針對(duì)可能存在的安全隱患區(qū)域，提出了支撐改進(jìn)方案建議。本文研究結(jié)果可為半潛式平臺(tái)的局部設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核以及平臺(tái)檢修維護(hù)過(guò)程中具體施工方案的制定提供一定的參考。

1 平臺(tái)大肘板切割方案及應(yīng)力監(jiān)測(cè)

以近年剛完成了5年期特檢工作的某典型半潛式平臺(tái)作為研究對(duì)象，該平臺(tái)在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)立柱與浮體連接區(qū)域設(shè)置的大肘板構(gòu)件多處出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，需進(jìn)行切除替換，如圖1所示。切割范圍根據(jù)平臺(tái)特檢要求確定，原則上需包含全部損傷區(qū)域，但不宜過(guò)大，否則可能對(duì)臨近區(qū)域產(chǎn)生較大影響。同時(shí)，還需要保證切除后立柱-浮體連接區(qū)域剩余結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。因此，切割前在切除范圍兩側(cè)設(shè)置了連接立柱外板和浮體外板的型材作為支撐（圖1b）。

圖1 某半潛式平臺(tái)大肘板切除結(jié)構(gòu)及支撐構(gòu)件示意圖Fig.1 Bracket structure to be cut off and the supporting components of a semi-submersible platform

大肘板及鄰近結(jié)構(gòu)的切除分2輪進(jìn)行。在完整切除前，首先在平臺(tái)表面形成數(shù)條切割線進(jìn)行應(yīng)力釋放，此過(guò)程并未切除任何結(jié)構(gòu)，其目的在于降低大肘板區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，從而提高整體切除過(guò)程中的安全性，也為后續(xù)施工提供一定的便利，在該輪切割中在多個(gè)位置布置了傳感器進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。該輪切割路線的選擇應(yīng)盡可能使被切割區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力平緩釋放，故單次切割距離不宜過(guò)長(zhǎng)；同時(shí)還應(yīng)便于實(shí)際施工開(kāi)展。出于上述考慮，設(shè)置多段切割路線如圖2所示，按字母a—o的順序進(jìn)行。第2輪切割中將大肘板及鄰近結(jié)構(gòu)完整切除，該輪切割將顯著改變局部結(jié)構(gòu)，危險(xiǎn)程度更高，但缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，是本文關(guān)注的重點(diǎn)。故首先考察應(yīng)力釋放切割，通過(guò)該階段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立可靠的數(shù)值計(jì)算模型，再借助有限元分析了解第2輪切割后的平臺(tái)應(yīng)力水平及分布情況。

應(yīng)力釋放切割施工過(guò)程共在8個(gè)測(cè)點(diǎn)布置了傳感器進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。所有測(cè)點(diǎn)處的傳感器在第1輪切割前安裝完畢。每處測(cè)點(diǎn)布置4個(gè)傳感器，其中3個(gè)為應(yīng)變傳感器，組成3片直角形式的應(yīng)變花；另一個(gè)為溫度傳感器。測(cè)點(diǎn)位置的確定基于以下考慮：①需關(guān)注結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，即結(jié)構(gòu)形式顯著變化或不同方向構(gòu)件交匯導(dǎo)致應(yīng)力較大的部位；②需關(guān)注的主要研究對(duì)象，如大肘板上和切割線附近；③為確定切割前的初始應(yīng)力狀態(tài)以校核模型，測(cè)點(diǎn)應(yīng)包含在該輪切割后應(yīng)力基本釋放的位置；④需在不干擾其他特檢施工工作前提下進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)便于傳感器走線，方便現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，并確保傳感器能夠快速拆除，不影響后續(xù)切割施工。綜合上述考慮，測(cè)點(diǎn)布置如圖2數(shù)字①～⑧所示。測(cè)點(diǎn)①、②、⑤和⑥分別靠近大肘板下、上趾端，該處結(jié)構(gòu)變化顯著，易產(chǎn)生應(yīng)力集中；測(cè)點(diǎn)③、④位于重點(diǎn)關(guān)注的大肘板上；測(cè)點(diǎn)⑦、⑧則選在距離切割線較近、且靠近立柱內(nèi)部艙壁與立柱外板連接位置。所有測(cè)點(diǎn)均布置在結(jié)構(gòu)外側(cè)以便于安裝、走線和拆除。圖3為測(cè)點(diǎn)布置現(xiàn)場(chǎng)照片。

分析測(cè)點(diǎn)和具體切割線位置可知，測(cè)點(diǎn)③、④和⑥在第1輪切割后應(yīng)力將完全釋放或近似完全釋放，因此這3處在切割前后測(cè)得的應(yīng)力變化能夠真實(shí)反映相應(yīng)位置在切割前的初始應(yīng)力值。取切割后的真實(shí)應(yīng)力值為0，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推得各點(diǎn)在應(yīng)力釋放切割施工過(guò)程中Von Mises應(yīng)力隨時(shí)間變化情況如圖4所示，圖中縱坐標(biāo)為取結(jié)束時(shí)刻真實(shí)應(yīng)力值為0的前提下，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反推得到的測(cè)點(diǎn)③、④、⑥處的Von Mises應(yīng)力值。由圖4曲線可確定測(cè)點(diǎn)③、④、⑥處的初始應(yīng)力值（表1），作為后續(xù)有限元計(jì)算的驗(yàn)證依據(jù)。

圖2 第一輪切割路線及測(cè)點(diǎn)布置方案Fig.2 Cutting route and measure points arrangement of the first-stage cutting process

圖3 實(shí)際施工過(guò)程的傳感器布置情況Fig.3 Arrangement of sensors during actual construction process

圖4 測(cè)點(diǎn)③、④、⑥真實(shí)Von Mises應(yīng)力變化曲線Fig.4 Recorded Von Mises stress curve at measure points of③、④、⑥

表1 測(cè)點(diǎn)③、④、⑥初始等效應(yīng)力值Table1 Initial Von Mises stress at the measure points of③、④、⑥

2 切割施工前后數(shù)值模擬

2.1 切割初始應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值

目標(biāo)半潛式平臺(tái)的有限元模型如圖5a所示。左前立柱前方大肘板區(qū)域是需要切割置換的部位，在此對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，如圖5b所示。采用允許垂直方向位移的單自由度接地彈簧單元模擬船臺(tái)對(duì)平臺(tái)的支撐作用。

圖5 目標(biāo)半潛式平臺(tái)有限元模型Fig.5 FEM model of the target semi-submersible platform

根據(jù)平臺(tái)檢修實(shí)際施工過(guò)程的設(shè)備布置情況，除上層建筑和平臺(tái)固定載重以外，通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)模擬了平臺(tái)檢修期間浮體外板和立柱外板上臨時(shí)安裝的電梯設(shè)備和各類(lèi)支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。計(jì)算得到切割前測(cè)點(diǎn)③、④、⑥處的等效應(yīng)力水平，將其與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出計(jì)算值和實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，符合較好，表明所建立的分析模型及計(jì)算方法可靠。

表2 切割前測(cè)點(diǎn)③、④、⑥處等效應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較Table2 Comparison of calculation results and measured values of Von Mises stress at measure points of③、④、⑥before cutting process

2.2 大肘板整體切除數(shù)值模擬

在第2輪切割中，平臺(tái)大肘板連同部分周?chē)Y(jié)構(gòu)將一并切除。因此，需要修改模型，按照施工方案刪去切除范圍內(nèi)的所有單元。根據(jù)原切割施工方案，為保護(hù)切割過(guò)程立柱-浮體連接區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的安全，在切除范圍兩側(cè)設(shè)置了支撐型材，其形式如圖6所示。

圖6 大肘板結(jié)構(gòu)切除后的切割區(qū)域局部有限元模型示意圖Fig.6 Local FEM model of the cutting area with the bracket cut off

圖7為計(jì)算得到的切除大肘板及附近構(gòu)件后的立柱-浮體連接區(qū)域應(yīng)力分布，結(jié)果顯示在切除范圍底部后方，切割線拐角點(diǎn)附近存在等效應(yīng)力值超過(guò)300 MPa的高應(yīng)力區(qū)域。顯然，原施工方案中設(shè)置的支撐結(jié)構(gòu)無(wú)法很好地緩解此處的應(yīng)力集中，可能產(chǎn)生安全隱患，須在施工過(guò)程中給予關(guān)注。

圖7 切除范圍底部后方切割線拐角點(diǎn)附近區(qū)域應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution around the bottom right corner of the cutting area

3 切割支撐改進(jìn)方案設(shè)計(jì)及效果驗(yàn)證

3.1 支撐改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

有限元計(jì)算結(jié)果表明現(xiàn)有支撐方案對(duì)切割區(qū)域底部后方高應(yīng)力區(qū)域的支撐保護(hù)效果不佳，應(yīng)加以改進(jìn)。設(shè)計(jì)改進(jìn)方案前，須對(duì)該高應(yīng)力區(qū)域的形成原因進(jìn)行分析。

從構(gòu)件傳力分析，底部后方切割線拐角點(diǎn)處應(yīng)力集中的主要原因在于該處切割后結(jié)構(gòu)形式變化，拐角點(diǎn)后部結(jié)構(gòu)（即圖8中的子區(qū)域1）直接承受立柱傳導(dǎo)而來(lái)的重力，該處底部會(huì)有較大的向下位移；拐角點(diǎn)前部結(jié)構(gòu)（即圖8中的子區(qū)域2）由于構(gòu)件切割不直接承受立柱傳遞過(guò)來(lái)的重力，拐角點(diǎn)處前后結(jié)構(gòu)存在相對(duì)位移的趨勢(shì)，導(dǎo)致該處受到較強(qiáng)的剪切作用。盡管施工中設(shè)置了施工支撐（圖6），但設(shè)置區(qū)域離應(yīng)力集中處較遠(yuǎn)，同時(shí)不能直接承受或傳遞剪切作用，無(wú)法有效改善應(yīng)力集中。

圖8 拐角點(diǎn)前后結(jié)構(gòu)子區(qū)域劃分示意圖Fig.8 Sub-regions of structures front and behind the corner point

根據(jù)上述分析，支撐方案的改進(jìn)可從以下2個(gè)方向進(jìn)行：1）設(shè)置加強(qiáng)構(gòu)件幫助承擔(dān)拐角點(diǎn)處承受的剪切作用，從而緩解拐角點(diǎn)處的應(yīng)力集中，從整體上減小該區(qū)域的應(yīng)力值；2）減輕切割拐角點(diǎn)處幾何形式的突變程度，避免在切割后結(jié)構(gòu)邊緣在拐角點(diǎn)處形成直角，從而降低應(yīng)力集中。相應(yīng)地，本文提出了2種切割支撐改進(jìn)方案。

方案一：在切割區(qū)域底部后方拐角點(diǎn)外側(cè)的縱艙壁上設(shè)置斜向加強(qiáng)構(gòu)件。構(gòu)件兩端與艙壁通過(guò)焊接連接，加強(qiáng)構(gòu)件跨越圖8所示的2個(gè)子區(qū)域，總長(zhǎng)度約2.9 m，與水平方向呈約40°，兩端分別固定于立柱下方的肋板和浮體內(nèi)部縱向桁材；構(gòu)件采用工字形截面，截面高度為0.6 m，材料為高強(qiáng)鋼，如圖9a所示。加強(qiáng)構(gòu)件能夠起到支撐作用，抑制2個(gè)子區(qū)域的相對(duì)位移趨勢(shì)，從而降低角部應(yīng)力集中程度。

方案二：在切割線拐角點(diǎn)處臨時(shí)設(shè)置保護(hù)肘板。肘板近似直角三角形，兩直角邊分別固定在縱艙壁切口的垂直段和水平段上，肘板厚度方向上的中面應(yīng)與縱艙壁板厚度方向上的中面保持共面，支撐改進(jìn)位置如圖9b所示；肘板的材料取為高強(qiáng)鋼，直角邊長(zhǎng)約為250 mm，厚度與立柱縱艙壁保持一致。設(shè)置肘板后，原直角切口的幾何形式得到改進(jìn)，有助于緩解拐角點(diǎn)處的應(yīng)力集中。

圖9 支撐改進(jìn)方案修改位置Fig.9 Position to be modified based on the improved supporting schemes

3.2 支撐改進(jìn)方案效果驗(yàn)證

按照上述確定的2種改進(jìn)方案，對(duì)平臺(tái)有限元模型進(jìn)行修改，開(kāi)展數(shù)值模擬驗(yàn)證上述方案的實(shí)際效果。對(duì)于改進(jìn)方案一，通過(guò)添加梁?jiǎn)卧姆绞侥M斜向加強(qiáng)構(gòu)件；對(duì)于改進(jìn)方案二，通過(guò)在拐角點(diǎn)處添加板單元的方式模擬保護(hù)肘板。分別計(jì)算無(wú)支撐措施、原支撐方案和2種支撐改進(jìn)方案共計(jì)4種情況下大肘板切除前后的應(yīng)力分布情況，結(jié)果如圖10、11所示。

由圖10、11可以看出，在大肘板區(qū)域切除前，添加各方案的支撐結(jié)構(gòu)均不會(huì)顯著影響原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，該區(qū)域的最大等效應(yīng)力值保持在110 MPa左右。大肘板區(qū)域切除后，切割區(qū)域底部后方出現(xiàn)上述的高應(yīng)力區(qū)域。通過(guò)對(duì)比可以看出，原支撐方案對(duì)該區(qū)域影響很小，無(wú)法改善此處的應(yīng)力集中。而2種改進(jìn)方案則會(huì)較為明顯改變?cè)搮^(qū)域應(yīng)力分布情況。

圖10 無(wú)支撐措施及原支撐方案時(shí)大肘板切割前后應(yīng)力分布對(duì)比Fig.10 Stress distribution before and after the bracket has been cut off（without supporting and with original supporting scheme）

圖11 改進(jìn)支撐方案一、二的大肘板切割前后應(yīng)力分布對(duì)比Fig.11 Stress distribution before and after the bracket has been cut off（with improved supporting schemeⅠandⅡ）

圖12為2種改進(jìn)支撐方案下切割后底部后方高應(yīng)力區(qū)域的詳細(xì)應(yīng)力分布情況。圖中471900、471899、471906號(hào)單元為原支撐方案下拐角點(diǎn)處應(yīng)力最高的3個(gè)單元，能夠突出反映該區(qū)域的應(yīng)力水平。上述3個(gè)單元在無(wú)支撐措施、原支撐方案和2種支撐改進(jìn)方案下的應(yīng)力值見(jiàn)表3。

由表3可知，有限元計(jì)算結(jié)果表明在拐角點(diǎn)附近設(shè)置幫助承擔(dān)剪切作用的加強(qiáng)構(gòu)件（對(duì)應(yīng)方案一）和改善切口幾何形式（對(duì)應(yīng)方案二）均能夠改善因切割產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，都具有一定參考價(jià)值。方案二中拐角點(diǎn)處應(yīng)力值下降更為顯著，但高應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)移至圖12b所示的支撐肘板上，且應(yīng)力值仍然較高。而方案一能夠從整體上減小拐角點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力值，且斜向加強(qiáng)構(gòu)件的安裝在施工過(guò)程中更易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，方案一的加強(qiáng)構(gòu)件總長(zhǎng)度僅為原方案支撐型材的30%左右，可以節(jié)省材料、降低成本。

圖12 改進(jìn)方案一、二有限元模型及計(jì)算結(jié)果Fig.12 FEM model and calculation results of improved supporting schemeⅠandⅡ

表3 不同支撐方案的高應(yīng)力單元平均等效應(yīng)力對(duì)比Table3 Comparison of average Von Mises Stress of the elements with high stress in different supporting scheme

4 結(jié)論

針對(duì)半潛式平臺(tái)立柱-浮體連接處大肘板切割施工過(guò)程，基于有限元分析方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)平臺(tái)大肘板構(gòu)件切除后的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明原施工支撐方案下大肘板結(jié)構(gòu)切除后將產(chǎn)生顯著的高應(yīng)力區(qū)域，存在一定的安全隱患。為此，設(shè)計(jì)了2套改進(jìn)支撐方案，即在拐角點(diǎn)附近設(shè)置能夠幫助承擔(dān)剪切作用的加強(qiáng)構(gòu)件（方案一）和改善切口幾何形式（方案二），計(jì)算結(jié)果表明2個(gè)方案均能夠改善因切割產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但改進(jìn)方案一能夠從整體上減小拐角點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力值，且斜向加強(qiáng)構(gòu)件的安裝在施工過(guò)程中更易實(shí)現(xiàn)且經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。本文研究結(jié)果可為半潛式平臺(tái)的局部切割施工方案的制定提供一定的參考。