李紅濤

(中國船級社海工審圖中心，天津 300457)

老齡海上移動平臺結(jié)構(gòu)安全管理初探

李紅濤

(中國船級社海工審圖中心，天津 300457)

主要介紹了中國船級社對老齡海上移動平臺加強檢驗的管理要求，對船齡超過30年的老齡移動平臺實行特別現(xiàn)場檢驗和檢測，并根據(jù)實際測厚數(shù)據(jù)進行平臺結(jié)構(gòu)強度校核，最終確定平臺安全狀況是否滿足主管機關(guān)要求。以一個實際老齡自升式鉆井平臺為例，介紹了現(xiàn)場檢驗和檢測要求，并通過實際計算分析指導(dǎo)現(xiàn)場進行結(jié)構(gòu)加強，保證了此老齡平臺日后的作業(yè)安全。中國船級社對老齡移動平臺的管理手段開創(chuàng)了超期服役海上移動平臺安全管理的新模式，對保障我國海洋工程裝備安全生產(chǎn)具有重要意義。

老齡移動平臺;加強檢驗;結(jié)構(gòu)強度評估;安全管理

海上移動平臺是指根據(jù)需要從一個作業(yè)地點轉(zhuǎn)移到另一個作業(yè)地點的海上平臺［1］，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為自升式平臺、柱穩(wěn)式平臺、坐底式平臺及水面式平臺。海上移動平臺一般為開采海上油氣，需長期工作在惡劣的海洋環(huán)境中，受到波浪抨擊、沖刷、腐蝕、構(gòu)件損傷變形、疲勞等不利因素的影響，尤其當平臺進入超期服役階段，其結(jié)構(gòu)抗力的衰減、疲勞損傷的加速及安全環(huán)保等問題日益突出，存在很大的安全隱患。

目前，國外對于超期服役的老齡移動平臺，沒有形成完善、成熟的監(jiān)管體系;對于我國營運船舶，交通運輸部2006年下發(fā)了《老舊運輸船舶管理規(guī)定》［2］，對不同的船舶類別規(guī)定了強制報廢船齡;海上移動平臺作為特殊的海上作業(yè)設(shè)施，和傳統(tǒng)的營運船舶不同，并沒有強制報廢船齡。我國海上移動平臺的擁有者一般為中海油、中石油、中石化等石油公司，其建造或購買的海上移動平臺很大一部分為20世紀70或80年代，海上移動平臺的設(shè)計壽命一般為20年或30年，這些早期的移動平臺陸續(xù)進入后服役期，因此如何對超期服役的海上移動平臺進行安全管理已經(jīng)成為主管機關(guān)的一個新課題。

主要介紹了中國船級社(以下簡稱CCS)對老齡海上移動平臺加強檢驗的管理要求，對船齡超過30年的老齡移動平臺實行特別現(xiàn)場檢驗和檢測，并根據(jù)實際測厚數(shù)據(jù)進行平臺結(jié)構(gòu)強度校核，最終確定平臺安全狀況是否滿足主管機關(guān)要求;以一個實際老齡自升式鉆井平臺為例，介紹了現(xiàn)場檢驗和檢測要求，并通過實際計算分析指導(dǎo)現(xiàn)場進行結(jié)構(gòu)加強，保證了此老齡平臺日后的作業(yè)安全。中國船級社對老齡移動平臺的管理手段開創(chuàng)了超期服役海上移動平臺安全管理的新模式，對保障我國海洋工程裝備安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 CCS加強老齡移動平臺檢驗規(guī)定

CCS于2009年6月下發(fā)了《關(guān)于加強老齡移動平臺檢驗管理的規(guī)定》通函(以下簡稱“通函”)［3］，其中明確規(guī)定，對于船齡超過30年以上的老齡平臺，應(yīng)進行特別檢驗和檢測，主要包括平臺現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢驗和根據(jù)實際測厚的平臺結(jié)構(gòu)強度校核。

1.1 平臺結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢驗和檢測

“通函”規(guī)定，老齡移動平臺的現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢驗、檢測應(yīng)滿足如下要求:

1)平臺結(jié)構(gòu)檢驗、檢測應(yīng)按特別檢驗(包括相關(guān)塢內(nèi)檢驗)的相應(yīng)范圍與要求實施，檢測數(shù)據(jù)的采集應(yīng)能滿足結(jié)構(gòu)強度校核所必需的要求。

2)首次按本通函要求實施檢驗前，執(zhí)行檢驗單位應(yīng)會同海工審圖中心、業(yè)主、檢測專業(yè)公司(必要時)制訂盡可能詳細的“結(jié)構(gòu)特別檢驗、檢測計劃”:①計劃應(yīng)滿足規(guī)范、規(guī)則和審圖中心為結(jié)構(gòu)強度校核建模所需數(shù)據(jù)采集的需要;②在“結(jié)構(gòu)特別檢驗、檢測計劃”經(jīng)本社社總部海工營運處批準后，在本次以及隨后的相關(guān)檢驗中實施。

3)第二次及以后按照本通函要求實施檢驗時，執(zhí)行檢驗單位應(yīng)會同海工審圖中心、業(yè)主，根據(jù)上次結(jié)構(gòu)校核的結(jié)論，修訂前次批準的“結(jié)構(gòu)特別檢驗、檢測計劃”，經(jīng)本社社總部海工營運處批準后予以實施。

4)上述檢驗實施中，應(yīng)嚴格實施經(jīng)批準的“結(jié)構(gòu)特別檢驗、檢測計劃”。必要時，驗船師可根據(jù)現(xiàn)場情況，要求對重要構(gòu)件的尺寸、變形以及全船龍骨基線的測量，并可根據(jù)檢驗發(fā)現(xiàn)及探傷的情況，要求適當增加無損檢測范圍。

以上是“通函”對老齡移動平臺現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢驗、檢測的主要規(guī)定。從“通函”要求可以看出，老齡移動平臺的現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢驗、檢測較常規(guī)塢檢、特檢，范圍更廣，探傷、測厚要求更為嚴格，且檢驗、檢測結(jié)果應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)強度校核的建模要求。

1.2 平臺結(jié)構(gòu)強度校核

平臺每次進行塢內(nèi)檢驗和特別檢驗，都需根據(jù)現(xiàn)場測厚結(jié)果、結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)進行結(jié)構(gòu)強度校核，找出結(jié)構(gòu)薄弱或危險區(qū)域，用以指導(dǎo)驗船師現(xiàn)場檢驗和業(yè)主對平臺結(jié)構(gòu)的維護保養(yǎng)。

主要強度校核要求如下:

1)總體性能分析/總體結(jié)構(gòu)強度分析:考察平臺的重量、重心、受風面積及水密完整性，如變化較大，應(yīng)進行平臺的總體性能/總體結(jié)構(gòu)強度分析，主要包括:平臺的整體結(jié)構(gòu)強度校核;平臺的完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性;自升式平臺的站立穩(wěn)性;自升式平臺的樁腿屈服、屈曲強度分析;平臺壓載能力校核;自升式平臺的升降系統(tǒng)承載能力校核(如有鎖緊裝置，應(yīng)進行鎖緊系統(tǒng)承載能力校核);自升式平臺的樁靴承載能力校核;柱穩(wěn)式平臺的總體結(jié)構(gòu)強度分析(總體模型范圍應(yīng)涵蓋平臺的所有主體結(jié)構(gòu)，包括整個甲板、上、下殼體、立柱、撐桿以及參與總體強度的主要附屬結(jié)構(gòu)等)。

2)局部結(jié)構(gòu)強度校核:對平臺上的主要結(jié)構(gòu)，或由于使用頻率較多產(chǎn)生嚴重磨損的部位、高應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的部位、出現(xiàn)嚴重化學(xué)腐蝕的部位，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)對如下重點部位進行局部強度校核。

①自升式平臺圍阱區(qū)域結(jié)構(gòu)強度校核

主要考慮齒輪齒條(插銷或銷孔)的磨損及結(jié)構(gòu)實際腐蝕，對圍阱區(qū)域結(jié)構(gòu)，包括:升降系統(tǒng)基礎(chǔ)、上、下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、鎖緊系統(tǒng)基礎(chǔ)、升降系統(tǒng)間拉緊結(jié)構(gòu)及圍阱艙壁進行屈服、屈曲強度校核等，是否滿足規(guī)范要求。

②自升式平臺樁靴結(jié)構(gòu)強度校核

樁靴工作環(huán)境惡劣，易產(chǎn)生腐蝕、變形及裂紋，應(yīng)根據(jù)樁靴實際狀態(tài)，對樁靴結(jié)構(gòu)按規(guī)范要求工況，進行屈服、屈曲強度校核。

③自升式平臺懸臂梁結(jié)構(gòu)強度校核

根據(jù)懸臂梁實際狀態(tài)，包括重量、變形及最大伸出位置，校核其屈服、屈曲強度是否滿足規(guī)范要求。

④大型設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強度校核

懸臂梁基礎(chǔ)、鉆臺基礎(chǔ)、吊機基座支撐結(jié)構(gòu)屬于使用頻次高，易產(chǎn)生磨損與變形的主要結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)實際重量和尺寸，結(jié)合現(xiàn)場檢驗結(jié)果，必要時對其屈服、屈曲強度進行分析;此外，根據(jù)實際情況，考慮是否進行承受較重甲板負荷作用的局部甲板結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)、直升機甲板支撐基礎(chǔ)、發(fā)電機基座、泥漿泵基座等結(jié)構(gòu)的強度校核。

⑤泥漿池、壓載艙結(jié)構(gòu)強度

泥漿池、壓載艙極易產(chǎn)生腐蝕，應(yīng)根據(jù)實際腐蝕情況，對其結(jié)構(gòu)進行規(guī)范強度校核。

3)構(gòu)件尺寸規(guī)范經(jīng)驗公式校核:自升式平臺船體、沉墊以及柱穩(wěn)式平臺上殼體、立柱、柱靴、下殼體應(yīng)按照《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》(2005)、我社現(xiàn)行有效版《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中有關(guān)的水密艙壁和深艙艙壁構(gòu)件尺寸經(jīng)驗公式進行校核。

4)對平臺結(jié)構(gòu)實施連續(xù)的監(jiān)測和強度計算。在平臺每次塢檢時，都要對平臺結(jié)構(gòu)狀況進行計算，并根據(jù)本次測厚報告中型材的腐蝕情況和現(xiàn)場勘驗狀況修改模型的相關(guān)部分，進行結(jié)構(gòu)計算分析，以確定結(jié)構(gòu)強度、平臺目前的結(jié)構(gòu)狀況、改造或加強的要求。

從“通函”對平臺結(jié)構(gòu)強度校核的要求可以看出，此強度分析的范圍涵蓋了平臺的所有主要結(jié)構(gòu)，根據(jù)平臺的實際勘查狀況，通過直接計算確定平臺的安全狀態(tài)。

1.3 平臺結(jié)構(gòu)安全狀況評價

CCS依據(jù)平臺結(jié)構(gòu)安全狀況初步評估結(jié)果，確定平臺保持或縮短特別檢驗和塢內(nèi)檢驗正常間隔期、或必需的安全措施，以此作為簽發(fā)法定及入級證書的基礎(chǔ)。

2 CCS級老齡移動平臺檢驗案例

某一CCS級老齡移動平臺2009年需進塢進行特檢，因其船齡超過30年，此船應(yīng)按CCS“通函”要求進行檢驗。此船為懸臂梁式自升式鉆井平臺，始建于1976年，采用三角形箱形主船體，配有三個桁架式樁腿，艏一尾二，升降系統(tǒng)為浮動式電動齒輪升降系統(tǒng)，每個樁腿弦桿一套;平臺每個樁腿帶有一個圓形的樁靴，拖航時可收回船底;目前最大作業(yè)能力水深為45.72 m(150英尺)。

按“通函”要求，CCS組織相關(guān)專業(yè)檢驗人員對此老齡平臺進行了實地勘驗，并會同船東共同制定了檢驗、檢測計劃。

2.1 現(xiàn)場檢驗、檢測計劃

2.1.1 測厚、探傷總體要求

1)所有測厚范圍需滿足特檢要求和結(jié)構(gòu)強度校核所必需的數(shù)據(jù)要求，探傷范圍應(yīng)滿足特檢要求;

2)板材測厚應(yīng)按板縫線進行，沒有明顯銹蝕情況下每塊板5個點，否則按現(xiàn)場驗船師要求進行;

3)骨材在沒有明顯銹蝕的情況下每根測2點，否則按現(xiàn)場驗船師要求進行;

4)測厚結(jié)果板厚超標后應(yīng)換板，最終測厚報告一律按新?lián)Q板后的數(shù)據(jù)填寫。

2.1.2 測厚范圍具體要求

通過此案例平臺的現(xiàn)場檢驗、檢測計劃可以看出，其測厚、探傷范圍和數(shù)量較特檢要求增加了很多，主要是考慮為了滿足結(jié)構(gòu)強度校核所必需的數(shù)據(jù)以及最大程度的保證老齡平臺的結(jié)構(gòu)完整、安全性(見表1)。

表1 測厚范圍Tab.1 Scope of Thickness Measurement

2.2 平臺結(jié)構(gòu)強度校核

根據(jù)對案例平臺的實際勘驗，CCS海工審圖中心對此老齡移動平臺的在位整體性能、平臺船體、圍阱區(qū)以及樁靴4個主要結(jié)構(gòu)進行了強度分析。對于懸臂梁、鉆臺、直升機甲板及設(shè)備底座等結(jié)構(gòu)，由于狀況良好，本次結(jié)構(gòu)強度校核沒有包括在內(nèi)。

2.2.1 在位整體性能分析

自升式鉆井平臺的在位性能分析主要是考核站立工作狀態(tài)下的整體安全表現(xiàn)［4］，主要包括樁腿強度、升降系統(tǒng)承載性能、樁靴承載性能、抗傾穩(wěn)性、預(yù)壓載性能及預(yù)壓時升降齒輪的保持能力。在位性能將直接影響到平臺操作安全及作業(yè)能力，是平臺使用者最為關(guān)注的重點。

表2 計算工況及分析結(jié)果Tab.2 Design condition and analysis results

根據(jù)該平臺結(jié)構(gòu)特點，使用有限元軟件SACS建立如圖1所示的有限元模型，所有結(jié)構(gòu)由梁單元模擬。坐標原點位于靜水面，x方向指向船首，y方向指向左舷，z向豎直向上。

計算工況主要選取操作手冊規(guī)定的工況，樁腿構(gòu)件尺寸按實際測厚數(shù)據(jù)模擬，模型重量、重心位置由最近傾斜試驗結(jié)果得到，計算工況及分析結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，此案例平臺的樁腿強度、升降系統(tǒng)能力、樁靴承載能力、預(yù)壓載能力及升降齒輪保持能力的承載比(載荷與能力比值UC)均小于1.0;抗傾穩(wěn)性安全系數(shù)大于1.3/1.5，因此平臺在位整體性能滿足CCS規(guī)范要求［5］。

2.2.2 平臺體結(jié)構(gòu)強度分析

平臺體是所有設(shè)備及人員操作的承載體，應(yīng)確保具有足夠的強度，抵御環(huán)境載荷及功能載荷產(chǎn)生的不利影響。使用Ansys有限元軟件，建立如圖2所示的船體有限元模型，模型中采用了板殼單元、梁單元及管單元等的適當組合，按實際測厚數(shù)據(jù)將平臺模擬為空間板殼、梁的組合結(jié)構(gòu)。計算工況主要分為作業(yè)和自存兩種工況。

圖1 有限元模型Fig.1 FE model for global performance

圖2 平臺體有限元模型Fig.2 FE model for hull

有限元分析結(jié)果表明，船體結(jié)構(gòu)的最大相當應(yīng)力為202 MPa，小于許用應(yīng)力212 MPa，發(fā)生在懸臂梁固定底座下縱艙壁處，是由于懸臂梁外伸載荷引起。因此船體主要結(jié)構(gòu)屈服強度滿足要求;選取受壓或剪應(yīng)力較大的板格按CCS規(guī)范［5］進行屈曲分析，計算結(jié)果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲強度滿足要求。

作業(yè)工況、環(huán)境條件90°入射下，船體的相當應(yīng)力云圖如圖3所示。

2.2.3 圍阱區(qū)結(jié)構(gòu)強度分析

圍阱區(qū)主要包括升降室、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、固樁支撐結(jié)構(gòu)及部分圍阱艙室，是船體與樁腿的連接部位，其結(jié)構(gòu)安全是平臺安全作業(yè)的保障。使用Ansys有限元軟件，建立如圖4所示的圍阱區(qū)有限元模型。計算工況主要分為拖航、作業(yè)及自存三種工況。

圖3 船體應(yīng)力云圖Fig.3 Von mises stress plot for hull

圖4 圍阱區(qū)有限元模型Fig.4 FE model for leg well

有限元分析結(jié)果表明，風暴工況下，固樁垂向支撐型材應(yīng)力超過許用應(yīng)力320 MPa，不滿足強度要求，因此建議增加10 mm的加強板，即可滿足規(guī)范要求，如圖5所示。圍阱區(qū)其它結(jié)構(gòu)屈服強度均滿足要求;選取受壓或剪應(yīng)力較大的板格屈曲分析，計算結(jié)果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲強度滿足要求。

作業(yè)工況、環(huán)境條件90°入射下，圍阱區(qū)的相當應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 加強的垂向支撐構(gòu)件Fig.5 Strengthened vertical support member

圖6 圍阱區(qū)應(yīng)力云圖Fig.6 Von mises stress plot for leg well

2.2.4 樁靴結(jié)構(gòu)強度分析

樁靴是支撐平臺站立的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)強度應(yīng)能抵抗各種工況下載荷的作用。使用Ansys有限元軟件，按實際測厚數(shù)據(jù)建立如圖7所示的樁靴有限元模型。按CCS規(guī)范要求，樁靴強度分析工況主要有4種:①載荷均勻分布作用在樁靴與海底的初始接觸面上;②載荷均布作用在樁靴底面50%的區(qū)域;③載荷均布作用在樁靴底面整個區(qū)域;④載荷線性分布作用在樁靴底面整個區(qū)域，一端為0，一端為2倍。

有限元分析結(jié)果表明，樁靴結(jié)構(gòu)的最大相當應(yīng)力為186 MPa，小于許用應(yīng)力212 MPa，發(fā)生在徑向輻射板處，因此樁靴屈服強度滿足要求;選取受壓或剪應(yīng)力較大的板格進行屈曲分析，計算結(jié)果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲強度滿足要求。

作業(yè)工況、環(huán)境條件90°入射下，樁靴的相當應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 樁靴有限元模型Fig.7 FE model for spud can

圖8 樁靴應(yīng)力云圖Fig.8 Von mises stress plot for spud can

2.3 平臺結(jié)構(gòu)安全狀況評價

CCS對案例老齡自升式鉆井平臺的加強檢驗，一方面通過現(xiàn)場檢測、檢驗，對腐蝕超標的板材進行換新，對出現(xiàn)裂紋的位置進行修理;另一方面通過結(jié)構(gòu)強度校核，對結(jié)構(gòu)強度不足的位置進行加強，最終評價此案例平臺結(jié)構(gòu)安全狀況良好。因此正常簽發(fā)了5年的法定及入級證書，并且通過此期間建立的有限元分析模型，為平臺下一次進塢評估奠定了基礎(chǔ)，從而有力地保證了此老齡平臺的安全運營。

3 結(jié)語

介紹了中國船級社對老齡海上移動平臺加強檢驗的管理要求，并通過一個實際案例平臺，詳細論述了加強檢驗的方法和流程。此管理手段已被證明適用于我國海洋工程裝備的安全監(jiān)管方式，有效地填補了超期服役老齡移動平臺的安全監(jiān)管空白，但在以下幾個方面仍需進一步探討和完善:

1)規(guī)范、標準問題。目前老齡移動平臺的計算校核按新建平臺對待，所依據(jù)的規(guī)范、標準仍按建造規(guī)范、標準，此處理是否合理、準確仍需進一步討論;

2)疲勞問題。移動平臺經(jīng)常在海上變換作業(yè)區(qū)域，如何統(tǒng)計、計算其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞損傷成為一個難點;

3)對老齡移動平臺的結(jié)構(gòu)計算校核受到原始設(shè)計資料、歷次改造資料及結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀等的影響，為了準確評價老齡移動平臺的結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀，必須獲取完整、準確的平臺結(jié)構(gòu)資料，建議從設(shè)計階段開始采用結(jié)構(gòu)完整性管理方法管理新建平臺。

［1］國際海事組織.海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則［M］.北京:人民交通出版社，1989:1-2.

［2］中華人民共和國交通部.老舊運輸船舶管理規(guī)定［S］.2006年8號令.

［3］中國船級社海工營運處.關(guān)于加強老齡移動平臺檢驗管理的規(guī)定［S］.中國船級社，2009.

［4］Li Hong-tao，Yang Qing-xia，Li Ye.Study on general performance of jack-up under elevated condition［J］.China Ocean Engineering，2009，23(3):577-584.

［5］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2005:45-49.

Discussion on structure safety management of aged mobile offshore drilling unit

LI Hong-tao
(Offshore Engineering Plan Approval Center of CCS，Tianjin 300457，China)

CCS circular of enhanced survey for aged MODU is introduced in this paper.The circular requests that the CCS class MODU whose age is older than 30 years needs special site survey and structure strength assessments according to actual thickness measurement by which the platform safety status is decided whether to satisfy government’s requirements.As an example，the site survey plan for an aged jack-up and structure strengthening plan by structural analysis are recommended.By these measures，the operation safety should be ensured for the example MODU.The CCS method is a new manner for aged MODU safety management and is of great significance for safety of domestic offshore engineering equipment.

aged MODU;enhanced survey;structure strength assessment;safety management

P752

A

1005-9865(2012)02-0123-06

2011-07-21

李紅濤 (1976－)，男，天津人，博士，高級工程師，從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作。E-mail:htli@ccs.org.cn