劉大輝， 白 勇， 阮偉東， 程 鵬

1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058

2.中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺(tái) 264670

基于有限元的自升式平臺(tái)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(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058

2.中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺(tái) 264670

自升式平臺(tái)是進(jìn)行海上油氣資源開發(fā)、海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)等海上工程的重要裝備。自升式平臺(tái)事故一般會(huì)造成平臺(tái)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(tái)盡快恢復(fù)作業(yè)能力成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)?；仡櫫私陙?lái)自升式平臺(tái)的穿刺事故情況，簡(jiǎn)要介紹了自升式平臺(tái)穿刺事故的成因，探討了平臺(tái)事故后的檢驗(yàn)、檢測(cè)手段和常規(guī)維修方法。以某自升式平臺(tái)事故后的維修為例，通過(guò)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(fù)方案，并得以驗(yàn)證。研究結(jié)果對(duì)今后自升式平臺(tái)樁腿的維修具有一定的指導(dǎo)意義。

自升式平臺(tái)；樁腿；維修；有限元

目前，自升式移動(dòng)平臺(tái)在移動(dòng)平臺(tái)中所占比例達(dá)70%。自升式平臺(tái)在使用過(guò)程中存在穿刺、基礎(chǔ)滑移等多種事故的風(fēng)險(xiǎn)，這些事故的發(fā)生除了對(duì)平臺(tái)上工作人員的生命安全威脅極大外，對(duì)樁腿和船體結(jié)構(gòu)的損壞也極大，嚴(yán)重影響平臺(tái)的作業(yè)效率。如何高效、安全地對(duì)事故后的樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)值得相關(guān)各方關(guān)注和重視。

近年來(lái)，自升式平臺(tái)發(fā)生事故的概率有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。據(jù)MSL公司統(tǒng)計(jì)（見圖1）[1]，近年來(lái)自升式平臺(tái)發(fā)生的事故中，穿刺破壞（punch-through）引起的平臺(tái)事故占比高達(dá)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(jì)[2]，多數(shù)自升式平臺(tái)事故都導(dǎo)致了平臺(tái)樁腿和固樁區(qū)的損壞，維修費(fèi)用高達(dá)幾百萬(wàn)到幾千萬(wàn)美元[3]，且維修周期長(zhǎng)，延誤平臺(tái)的作業(yè)計(jì)劃；因此，研究自升式平臺(tái)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(tái)事故原因調(diào)查統(tǒng)計(jì)分類

自升式平臺(tái)事故也越來(lái)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(tái)樁腿齒條磨損及裂紋的修補(bǔ)工藝進(jìn)行了探討，李軍[9]介紹了自升式移動(dòng)鉆井平臺(tái)齒條修復(fù)案例，黎劍波[10-11]研究了自升式鉆井平臺(tái)樁靴裂紋分析、處理及修復(fù)和壓載穿刺對(duì)鉆井平臺(tái)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(tái)樁腿齒條焊縫裂紋的修復(fù)。

自升式平臺(tái)可分為三大部分：船體、樁腿和升降機(jī)構(gòu)。作業(yè)時(shí)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(shí)樁腿收起，船體處于漂浮狀態(tài)。自升式平臺(tái)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(tái)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(jì)[13]來(lái)看，自升式平臺(tái)占比近45%。

表1 全球現(xiàn)有海上鉆井裝置數(shù)量統(tǒng)計(jì)

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(tái)的穿刺概念：自升式平臺(tái)操作期間，樁靴基礎(chǔ)突然快速沉降，導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p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(tái)的可操作性嚴(yán)重?fù)p失，定義為“穿刺失效”；自升式平臺(tái)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(jì)數(shù)據(jù)顯示，穿刺主要發(fā)生在自升式平臺(tái)升船、預(yù)壓載或自存期間[15]，而且穿刺時(shí)，多出現(xiàn)某個(gè)樁靴/樁腿的急速下沉，伴隨著樁腿與自升式平臺(tái)船體之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使樁腿及固樁區(qū)結(jié)構(gòu)承載過(guò)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(huì)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(duì)這些區(qū)域展開目測(cè)、激光測(cè)和無(wú)損探傷（NDT）等檢查、檢測(cè)，其準(zhǔn)確的結(jié)果是制訂合理可行修復(fù)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(huì)最嚴(yán)重，然后檢查升降裝置，看其是否可以正常運(yùn)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(duì)樁腿進(jìn)行精確測(cè)繪，獲得準(zhǔn)確的變形數(shù)據(jù)，尤其對(duì)齒條直線度與拱度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)所有齒條的齒形和齒面進(jìn)行目測(cè)檢查，并選擇變形的齒面進(jìn)行大規(guī)模探傷。對(duì)樁腿上的沖樁管道等附件進(jìn)行檢查。

2.2 固樁區(qū)的檢查

對(duì)固樁區(qū)的檢查以目測(cè)、全面焊縫探傷及尺寸測(cè)量為主要手段，其覆蓋范圍需達(dá)到100%。包括導(dǎo)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(diǎn)檢查。通常其檢查的手段分為3個(gè)層次：目檢，聽運(yùn)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(cè)檢查樁腿圍井結(jié)構(gòu)（耐磨板、船底及其對(duì)應(yīng)艙室內(nèi)部框架等結(jié)構(gòu)）并對(duì)相關(guān)焊縫進(jìn)行探傷以判斷是否有損傷。

2.5 樁靴結(jié)構(gòu)的檢查

通過(guò)目檢、氣密性試驗(yàn)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(tái)的穿刺事故通常發(fā)生在離岸較遠(yuǎn)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(yán)重，則需要拖航到維修碼頭或船塢進(jìn)行檢測(cè)維修?？梢愿鶕?jù)事故過(guò)程的平臺(tái)檢測(cè)記錄數(shù)據(jù)開展自升式平臺(tái)整體的穿刺過(guò)程結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[15]；或根據(jù)事故后的檢查及檢測(cè)結(jié)果，建立有限元模型，施加變形載荷進(jìn)行靜態(tài)分析，確定樁腿各個(gè)變形構(gòu)件的應(yīng)力情況，根據(jù)應(yīng)力情況來(lái)確定維修方案。如果平臺(tái)需要拖航至碼頭或船塢內(nèi)進(jìn)行修復(fù)，還需要對(duì)變形樁腿拖航時(shí)的受力情況進(jìn)行評(píng)估。

本文研究的平臺(tái)穿刺事故屬于“不可控制的插樁”，根據(jù)插樁過(guò)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(cè)檢查發(fā)現(xiàn)船首樁腿的齒條、導(dǎo)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(wú)明顯變化，升降系統(tǒng)仍可以運(yùn)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(cè)繪三個(gè)樁腿的主弦管的變形，并搭設(shè)腳手架對(duì)變形樁腿進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，獲得精確變形數(shù)據(jù)（見圖5）。

圖2 自升式平臺(tái)插樁過(guò)程的三個(gè)樁腿支反力的時(shí)間歷程曲線

圖3 齒條與導(dǎo)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(cè)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(yīng)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(fù)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(cè)結(jié)果

圖5 樁腿結(jié)構(gòu)變形（最大值）測(cè)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(jìn)行校核，確定變形樁腿是否滿足近海拖航強(qiáng)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(jìn)行維修。

經(jīng)過(guò)校核，強(qiáng)度不滿足拖航要求。隨后提出了先切斷變形嚴(yán)重的撐管，采用焊接扶強(qiáng)板來(lái)加強(qiáng)撐管的方案（見圖6）。采用solid單元運(yùn)用有限元計(jì)算，結(jié)果顯示該種方法可以有效起到加強(qiáng)撐管的作用，進(jìn)而起到近海拖航臨時(shí)加強(qiáng)的作用。

4 維修方案確定及維修效果

圖6 撐管切斷后的補(bǔ)強(qiáng)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(jì)算結(jié)果判斷，①～⑧號(hào)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(dá)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(tái)離岸距離較近，且平臺(tái)樁腿變形不是很嚴(yán)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(cè)基本無(wú)變形且運(yùn)行正常，所以創(chuàng)新性地提出利用平臺(tái)結(jié)構(gòu)自身的回復(fù)力進(jìn)行樁腿修復(fù)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(wú)法恢復(fù)。因此計(jì)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(xì)的塑性變形撐管的切割順序：中等應(yīng)力水平撐桿→高應(yīng)力水平撐桿→低應(yīng)力水平撐桿。全部切割結(jié)束后，重新進(jìn)行弦管和撐管的精度測(cè)量（見圖8，括號(hào)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(cè)量結(jié)果顯示：弦管間距基本恢復(fù)正常，但是局部的弦管弧度和平整度仍需調(diào)整。針對(duì)這個(gè)情況，創(chuàng)新性提出采用升降裝置、鎖緊裝置和導(dǎo)向板等進(jìn)行二次裝置外力扶正，在升降過(guò)程中發(fā)現(xiàn)樁腿有一定程度的恢復(fù)，但仍存在局部的弦管弧度和平整度要恢復(fù)。采用圍井結(jié)構(gòu)的頂部架焊更高導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，通過(guò)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)向性糾正，來(lái)恢復(fù)弦管結(jié)構(gòu)弧度和平整度。導(dǎo)向后經(jīng)檢測(cè)效果理想，達(dá)到了要求的精度。對(duì)切斷的撐管進(jìn)行替換，替換過(guò)程中通過(guò)貼應(yīng)變片等方式控制焊接前后的熱處理、殘余應(yīng)力及殘余變形，隨時(shí)注意不要產(chǎn)生新的變形。焊接替換工作后對(duì)整個(gè)樁腿進(jìn)行精度測(cè)量和全方位無(wú)損探傷，滿足船級(jí)社的要求。至此維修工作基本結(jié)束。

5 結(jié)論

本文通過(guò)利用有限元分析的方法對(duì)自升式平臺(tái)穿刺后樁腿修復(fù)方案進(jìn)行研究，通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)證了該方法的有效性，希望能夠達(dá)到交流和參考的目的。

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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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新型極地冰區(qū)半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2016YFC0303400）的子課題“極地冰區(qū)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)、防凍技術(shù)及建造技術(shù)研究”。

劉大輝（1980-），男，山東煙臺(tái)人，工程師，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)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