惠州32-3導(dǎo)管架裂紋群結(jié)構(gòu)安全評(píng)估及維修方案研究

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心 廣東深圳 518000）

海上導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)服役期間長期受風(fēng)、浪、流及腐蝕等海洋環(huán)境的作用，平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗力將發(fā)生衰減，尤其是在周期性波浪載荷作用下可能出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)累積疲勞損傷，而且累積到一定程度時(shí)會(huì)使節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效。我國南海東部油田現(xiàn)有的28座導(dǎo)管架平臺(tái)中已有14座超過了原設(shè)計(jì)壽命，其中有一部分平臺(tái)已超出設(shè)計(jì)服役年限，在檢測中發(fā)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)疲勞裂紋。一般而言，疲勞裂紋首先表現(xiàn)為在應(yīng)力集中系數(shù)較高的管節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力區(qū)域的單道疲勞裂紋[1]，此類裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的后果是結(jié)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)相脫離，影響結(jié)構(gòu)安全。因此，工程上首選采用基于斷裂力學(xué)的詳細(xì)疲勞評(píng)估方法對其裂紋擴(kuò)展趨勢和剩余疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估，判斷是否滿足強(qiáng)度要求，若不滿足，則采取裂紋修復(fù)或節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)措施[2-6]。然而，近期發(fā)現(xiàn)一些超期服役的導(dǎo)管架管節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的裂紋不僅僅是單個(gè)裂紋，而是以多個(gè)甚至幾十個(gè)淺表裂紋形成的裂紋群，如惠州32-3導(dǎo)管架裂紋群。

本文針對惠州32-3導(dǎo)管架裂紋群情況，依據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行了全面評(píng)估，優(yōu)選出維修實(shí)施方案，并最終完成了該導(dǎo)管架的裂紋群修復(fù)，確保了老舊平臺(tái)在超期服役時(shí)仍處于可接受的安全水平。

1 惠州32-3導(dǎo)管架裂紋群概況

惠州32-3導(dǎo)管架平臺(tái)位于南海東部珠江口盆地某區(qū)塊，作業(yè)水深約110 m，是一座4腿8裙樁鉆采綜合平臺(tái)，1995年6月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)壽命10年。2018年4月對該平臺(tái)導(dǎo)管架進(jìn)行特檢時(shí)發(fā)現(xiàn)圖1所示的蜘蛛甲板EL（+）365.76 cm處節(jié)點(diǎn)有54條裂紋，最大深度6.7 mm。2018年9月超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”正面襲擊后，該蜘蛛甲板處節(jié)點(diǎn)又新增了6條裂紋，最大深度6.5 mm，裂紋基本情況見表1。

通過對該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原設(shè)計(jì)報(bào)告分析，判斷惠州32-3導(dǎo)管架出現(xiàn)的裂紋群為疲勞裂紋，主要表現(xiàn)在：①蜘蛛甲板處發(fā)現(xiàn)的缺陷均為淺表性裂紋且位置相似，所在位置與原疲勞設(shè)計(jì)的最薄弱位置吻合；②導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)工作點(diǎn)位于蜘蛛甲板主節(jié)點(diǎn)處，且其特有的呈倒K結(jié)構(gòu)型式造成主節(jié)點(diǎn)應(yīng)力偏高；③2018年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”過后已有裂紋經(jīng)現(xiàn)場復(fù)檢后未發(fā)現(xiàn)明顯擴(kuò)展現(xiàn)象。

圖1 惠州32-3導(dǎo)管架蜘蛛甲板節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.1 Node sketch of spider deck of HZ32-3 jacket

表1 惠州32-3導(dǎo)管架蜘蛛甲板處裂紋情況Table1 Cracks of HZ32-3 jacket spider deck

從表1可知，惠州32-3導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)以多個(gè)甚至幾十個(gè)淺表裂紋形式的裂紋群，在南海為首次發(fā)現(xiàn)甚至在業(yè)界也甚為罕見。為保障該導(dǎo)管架平臺(tái)的運(yùn)行安全，須對該導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行整體評(píng)估，并制定合理的維修實(shí)施方案。

2 導(dǎo)管架裂紋群結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

依據(jù)API RP 2A-WSD規(guī)范[7]，對老舊導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行延壽評(píng)估，可采用3步評(píng)估法：首先進(jìn)行設(shè)計(jì)水平分析；如導(dǎo)管架部分桿件的強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，可進(jìn)行極限強(qiáng)度分析；若發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，則應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行基于斷裂力學(xué)的詳細(xì)疲勞裂紋擴(kuò)展分析，以驗(yàn)證平臺(tái)的總體強(qiáng)度和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞壽命，使平臺(tái)滿足在極端工況下不會(huì)發(fā)生倒塌的規(guī)范要求。

參考API規(guī)范、中國海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]以及惠州油田最新環(huán)境條件數(shù)據(jù)，對惠州32-3導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)依次進(jìn)行設(shè)計(jì)水平分析、極限強(qiáng)度分析（倒塌分析）和基于斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展分析，綜合評(píng)估導(dǎo)管架帶裂紋節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀及裂紋發(fā)展?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)安全水平。

2.1 計(jì)算模型建立

平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析采用海洋工程結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)專業(yè)軟件SACS進(jìn)行，通過整理原平臺(tái)設(shè)計(jì)資料、歷年維修改造數(shù)據(jù)等建立SACS分析模型。在局部節(jié)點(diǎn)裂紋擴(kuò)展分析中，為獲取節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，則采用通用有限元分析軟件ABAQUS對蜘蛛甲板水平層上的4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限單元模型模擬。為全面評(píng)估裂紋對平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的影響，依據(jù)API RP 2SIM規(guī)范[10]，在SACS評(píng)估模型中對裂紋處的桿件端部壁厚進(jìn)行了合理折減。雖然疲勞裂縫形狀一般為半橢圓形，但考慮到測量點(diǎn)的深度不一定是裂縫最深處，因此疲勞裂縫的面積按矩形計(jì)算。若裂紋位于主腿一側(cè)的焊腳，則對主腿節(jié)點(diǎn)加厚段全長進(jìn)行壁厚等效折減；若裂紋位于撐桿一側(cè)的焊腳，則對桿件端部60.96 cm范圍內(nèi)對壁厚進(jìn)行等效折減。為評(píng)估裂紋群當(dāng)前狀態(tài)及可能的不利或擴(kuò)展?fàn)顩r，在評(píng)估中考慮了以下3種裂紋。

1）裂紋損傷當(dāng)前狀況?？紤]了2018年特檢期間在EL（+）365.76 cm蜘蛛甲板節(jié)點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)的所有裂紋，SACS分析模型如圖2所示?？紤]到單根桿件因裂縫造成的截面損失比例最大為4%（表1），裂紋實(shí)際檢測也可能存在一定誤差，按保守選擇將桿件壁厚均勻折減10%。在桿件截面總損失比例較小時(shí)，各方位截面損失的不均衡導(dǎo)致的抗彎能力的變化可忽略不計(jì)，裂紋造成的面積損失對桿件的抗拉抗壓能力影響有限，足以對帶裂紋桿件進(jìn)行合理準(zhǔn)確評(píng)估。

圖2 惠州32-3導(dǎo)管架裂紋損傷SACS模型Fig.2 SACS model of HZ32-3 jacket cracking

2）裂紋損傷不利狀況。平臺(tái)結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)報(bào)告顯示低疲勞壽命節(jié)點(diǎn)主要集中于導(dǎo)管架頂部3層，為考慮該平臺(tái)結(jié)構(gòu)水下區(qū)域有可能出現(xiàn)類似裂紋，假定導(dǎo)管架頂部3層所有節(jié)點(diǎn)都存在與EL（+）365.76 cm蜘蛛甲板處相似的結(jié)構(gòu)疲勞裂紋，所有主腿節(jié)點(diǎn)和其他桿件端部60.96 cm范圍內(nèi)的壁厚都按均勻折減10%考慮。

3）裂紋損傷擴(kuò)展?fàn)顩r。為評(píng)估裂紋損傷未來的可能擴(kuò)展工況對平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體影響，假定EL（+）365.76 cm蜘蛛甲板處的所有裂紋暫時(shí)不進(jìn)行維修而發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)展，所有主腿節(jié)點(diǎn)和其他桿件端部60.96 cm范圍內(nèi)壁厚都按均勻折減50%考慮。

2.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體評(píng)估

2.2.1 設(shè)計(jì)水平分析

平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平分析包括整體結(jié)構(gòu)靜力分析、疲勞分析等。靜力分析主要關(guān)注結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點(diǎn)是否滿足設(shè)計(jì)水平強(qiáng)度要求，疲勞分析則主要關(guān)注管節(jié)點(diǎn)等疲勞敏感部位是否滿足疲勞設(shè)計(jì)壽命要求。設(shè)計(jì)水平分析一般采用波譜疲勞分析方法，因惠州32-3導(dǎo)管架蜘蛛甲板處的4個(gè)主節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)裂紋，疲勞分析直接采用疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法。設(shè)計(jì)水平分析考慮了2種工況：①一年一遇臺(tái)風(fēng)操作工況；②百年一遇臺(tái)風(fēng)極端工況。

2.2.2 極限強(qiáng)度分析

導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定框架體系，采用極限強(qiáng)度分析可充分考慮材料的屈服強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分布，并挖掘結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備，減少冗余度。在分析中可采用平臺(tái)非線性倒塌分析來驗(yàn)證。平臺(tái)倒塌分析采用與靜力分析一致的分析模型，逐步施加超過設(shè)計(jì)水平要求的環(huán)境載荷，直至導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性屈服導(dǎo)致變形過大或計(jì)算不收斂為止，此時(shí)平臺(tái)達(dá)到極限側(cè)向承載能力。若計(jì)算得到的結(jié)果與設(shè)計(jì)能力比值大于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的1.60（平臺(tái)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備強(qiáng)度比），則平臺(tái)可繼續(xù)安全使用。

2.2.3 節(jié)點(diǎn)疲勞裂紋擴(kuò)展分析

節(jié)點(diǎn)疲勞裂紋擴(kuò)展分析包括節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析和斷裂力學(xué)分析等，斷裂力學(xué)分析依據(jù)BS 7910[11]、API RP 579[12]等規(guī)范結(jié)合相應(yīng)分析工具進(jìn)行，而節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析往往是難點(diǎn)和重要環(huán)節(jié)。為了解疲勞裂紋附近節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中情況以及評(píng)估基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命，對蜘蛛甲板處的4個(gè)主節(jié)點(diǎn)分別創(chuàng)建了ABAQUS有限元模型，如N703節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖3所示。

圖3 惠州32-3導(dǎo)管架N703節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig.3 FEM mode for HZ32-3 jacket node N703

模型選用殼單元，節(jié)點(diǎn)附近使用了長度為0.2倍壁厚的細(xì)分網(wǎng)格，用以精確計(jì)算節(jié)點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力。各桿件端部的載荷采用圖2計(jì)算模型，模擬在疲勞波浪作用下對應(yīng)的受力情況。熱點(diǎn)應(yīng)力的幅值假定為8個(gè)方向（0°到360°，每間隔45°為一個(gè)方向）疲勞環(huán)境載荷作用下熱點(diǎn)應(yīng)力最大值的2倍。節(jié)點(diǎn)疲勞裂紋擴(kuò)展分析基于循環(huán)計(jì)算裂紋擴(kuò)展速度與應(yīng)力周期的關(guān)系，并持續(xù)更新裂紋的大小，在斷裂失效評(píng)定圖上繪制裂紋擴(kuò)展連續(xù)曲線，直到該曲線與斷裂失穩(wěn)臨界曲線相交，即裂紋擴(kuò)展到足以造成全截面的損害。對N703節(jié)點(diǎn)上某裂紋的擴(kuò)展分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 惠州32-3導(dǎo)管架N703節(jié)點(diǎn)某裂紋的擴(kuò)展分析圖Fig.4 Simplified fracture-fatigue assessment for HZ32-3 jacket node N703

2.3 整體評(píng)估結(jié)果分析

惠州32-3導(dǎo)管架帶裂紋群不同狀況下的極限強(qiáng)度分析結(jié)果表明，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)整體儲(chǔ)備強(qiáng)度比滿足不小于1.60的規(guī)范要求。裂紋擴(kuò)展分析得到的最小疲勞剩余壽命為11 a。設(shè)計(jì)水平分析結(jié)果顯示部分桿件和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度UC值大于1.0（表2），以及樁基承載力安全系數(shù)小于1.5，表明導(dǎo)管架仍具有一定安全余量。但結(jié)合油田需繼續(xù)生產(chǎn)10 a的需求，還需要盡快開展導(dǎo)管架疲勞損傷緩解措施研究和維修實(shí)施工作。

表2 惠州32-3導(dǎo)管架帶裂紋群設(shè)計(jì)水平分析結(jié)果Table2 Design assessment results of HZ32-2 jacket with intensive cracking

3 導(dǎo)管架裂紋群維修方案選擇與實(shí)施

3.1 維修方案比選

根據(jù)國內(nèi)外業(yè)界的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對深度小于3 mm的淺表裂紋損傷可通過小規(guī)模的打磨或者鉆止裂孔來修復(fù)，而對較大的裂紋損傷則需通過更復(fù)雜的維修技術(shù)手段來解決，如：桿件灌漿、焊接（濕焊或干焊）、設(shè)置局部加強(qiáng)件（扣管、楔形管、角撐板、復(fù)板）、灌漿卡箍、構(gòu)造改造等。對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)損傷的各種維修手段的選用主要取決于損傷的機(jī)理、程度和位置，并綜合考慮維修技術(shù)有效性、維修方案可行性、維修工期和成本、對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的影響等幾個(gè)因素。

參考國內(nèi)外業(yè)界相關(guān)維修經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)施的可操作性及與原平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)施可能的干涉等因素，開展了惠州32-3導(dǎo)管架裂紋群維修方案的研究。經(jīng)過對業(yè)界6種裂紋維修方法進(jìn)行初步比選，確定了小裂紋打磨和節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)作為惠州32-3導(dǎo)管架裂紋群維修的可選方案（表3）。

對于裂紋深度小于3 mm的淺表裂紋，采用常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序進(jìn)行打磨處理，防止進(jìn)一步擴(kuò)展。而對于深度大于3 mm但其節(jié)點(diǎn)仍具有較好的整體強(qiáng)度的非大尺度裂紋，一般可采用節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)維修技術(shù)，其核心是設(shè)計(jì)出一種能夠改變結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)載荷傳遞路徑的加強(qiáng)措施，有效降低節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平，提高疲勞壽命?；诖?，研究了以下2種節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方案：

表3 惠州32-3導(dǎo)管架裂紋群維修方法對比Table3 Selection of intensive cracking repair method for HZ32-3 jacket

1）節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方案A（加強(qiáng)件法，圖5a）。采用若干個(gè)加強(qiáng)件對帶裂紋群的4個(gè)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)件由4部分組成，節(jié)點(diǎn)上方為2個(gè)稍大于原結(jié)構(gòu)桿件（原結(jié)構(gòu)桿件直徑60.96 cm）直徑為66.04 cm的水平扣管，扣住原桿件與主腿連接處的部分時(shí)鐘位置；水平完整段的長度為5.08 cm，以1∶3斜度與尾端相接并蓋板封閉。節(jié)點(diǎn)下方為2個(gè)楔形塊，其中半圓部分直徑為81.28 cm并貼住斜拉桿加厚段范圍，并以2塊三角蓋板連接斜拉桿和主腿形成封閉。為便于焊接，在確定水平扣管和楔形塊尺寸時(shí)綜合考慮了與平臺(tái)現(xiàn)有設(shè)施的干涉情況。該方案優(yōu)點(diǎn)是不需對現(xiàn)有裂紋進(jìn)行直接維修，不足之處是對加強(qiáng)件現(xiàn)場組對的精度要求較高。

2）節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方案B（短撐桿法，圖5b）。采用若干個(gè)短撐桿對發(fā)現(xiàn)裂紋群的蜘蛛甲板處的4個(gè)主腿節(jié)點(diǎn)的下方進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)撐桿均4根短撐桿組成。撐桿為直徑60.96 cm的圓管，水平撐桿在標(biāo)高91.44 cm處，斜撐桿與原結(jié)構(gòu)水平桿相較于水平桿中點(diǎn)附近，且新焊道與水平桿件原有焊道完全不干涉。該方案優(yōu)點(diǎn)是不改變原有結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，不足之處是施工作業(yè)面距海平面空間較小。

圖5 惠州32-3導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方案對比Fig.5 Reinforcement plan for HZ32-3 jacket nodes

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，上述2個(gè)方案都具有可操作性，其中方案B修復(fù)費(fèi)用略高，方案選擇重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)優(yōu)越性。對2個(gè)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方案實(shí)施后的平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體評(píng)估，分析結(jié)果（表4）表明：針對2個(gè)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方案，設(shè)計(jì)水平分析各工況下的結(jié)果變化不明顯，但節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中水平明顯下降（圖6），可有效提高其疲勞壽命，維修后原結(jié)構(gòu)剩余設(shè)計(jì)疲勞壽命均大于10 a，可滿足導(dǎo)管架延壽使用需求。采用方案A維修后，在其剩余疲勞壽命結(jié)束后新增加強(qiáng)件的焊接缺陷距全截面失效臨界裂縫尺寸最低壽命大于10 a，而方案B僅為4 a。綜合比較，最終選擇加強(qiáng)方案A作為惠州32-3導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)裂紋群維修的最優(yōu)方案。

表4 惠州32-3導(dǎo)管架維修后評(píng)估分析結(jié)果Table4 Assessment results of HZ32-3 jacket after repair

圖6 惠州32-3導(dǎo)管架修復(fù)前后節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中水平對比Fig.6 Comparison of joints stress concentration before and after HZ32-3 jacket repaired

3.2 維修方案實(shí)施

海上施工作業(yè)前，根據(jù)方案A的情況，在陸地進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定、施工方案設(shè)計(jì)、加強(qiáng)件預(yù)制等準(zhǔn)備工作，并制定了2個(gè)施工效率保障措施：①為確保加強(qiáng)件一次安裝成功，根據(jù)方案設(shè)計(jì)要求對節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場尺寸進(jìn)行了復(fù)測，利用3D建模放樣，并制作楔形塊試樣進(jìn)行了預(yù)安裝；②每個(gè)節(jié)點(diǎn)的楔形塊最低點(diǎn)施工作業(yè)面距海平面僅1.5 m，焊接作業(yè)對海況要求較高（波高1 m以下），為此現(xiàn)場搭建了簡易的防浪裝置，安排2組施工人員同時(shí)施工，海況良好時(shí)優(yōu)先焊接楔形塊，海況較差時(shí)焊接水平扣管。

惠州32-3導(dǎo)管架維修海上施工作業(yè)從2019年5月1日開始，歷經(jīng)40 d連續(xù)施工，于2019年6月10日全部完工，并取得了第三方發(fā)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的可繼續(xù)運(yùn)行的符合性證書，及時(shí)解除了惠州32-3導(dǎo)管架平臺(tái)運(yùn)行的重大安全隱患。

4 結(jié)束語

惠州32-3導(dǎo)管架裂紋群結(jié)構(gòu)安全評(píng)估和維修方案實(shí)施，使平臺(tái)達(dá)到了繼續(xù)安全運(yùn)行的要求和預(yù)期效果。這是國內(nèi)首次成功實(shí)施針對帶復(fù)雜裂紋群的老舊導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)評(píng)估和加強(qiáng)維修方案，不僅為解決南海老舊導(dǎo)管架平臺(tái)的疲勞裂紋治理提供了清晰的技術(shù)路線，而且形成了一套完整的檢測評(píng)估維修技術(shù)體系，同時(shí)提升了國內(nèi)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估和修復(fù)技術(shù)水平，對今后我國海上老舊導(dǎo)管架和同類工程結(jié)構(gòu)完整性管理具有良好的借鑒意義。