摘" " 要：自升式鉆井平臺在插樁、升船、預壓載或降船作業(yè)等工況下，當遇到環(huán)境載荷過大、海底地質(zhì)不佳等情況，會引起樁腿RPD（齒條相位差）值偏大，甚至有可能造成巨大的經(jīng)濟損失及人員傷亡。在介紹了RPD的定義、分類、計算原理、受力分析、測量方法、成因、超標危害等基礎上，對某平臺RPD超標進行詳細的分析，描述了案例平臺RPD設定值、定位插樁過程、樁腿受損調(diào)查、RPD值超標的原因分析、平臺的修理等。最后指出，平臺在定位插樁、升船、降船、預壓載作業(yè)時應做好海調(diào)報告、地調(diào)報告、插樁壓載方案、RPD超標風險控制預案等工作；平臺插樁遇到“雞蛋殼”地層時，壓載作業(yè)應采用單樁多組壓載或漂浮壓載，做好存在穿刺風險的樁腿傾斜RPD超標、平臺傾斜超標的應對措施。

關鍵詞：自升式鉆井平臺；齒條相位差；樁腿屈曲失效；變形

Application of leg RPD of jack-up drilling platform

WANG Baihe1， LU Shan1， WANG Qinglian2， ZHAO Yunlong1， GUO Yanxin1，LI Huiyan1

1.Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

2.China Classification Society， Dalian Branch， Dalian 116013， China

Abstract：Excessive legrack phase difference（RPD） value of jack-up drilling platform can lead to huge losses and casualties， due to excessive environmental load and poor seabed geological conditions under the working conditions of pile insertion， jacking， pre-ballast or jacking down.Based on introducing the definition， classification， calculation principle， force analysis， measuring method， causes， and over-standard hazard of RPD， this paper analyzed the over-standard RPD of a platform in detail and illustrated RPD setting value， positioning and pile insertion process， leg damage investigation， cause analysis of over-standard RPD value， and repairment of a case platform. At last， it was pointed out that the marine investigationreport， geologic investigationreport， pile insertion， and ballast scheme，as well as RPD risk control plan should be done before the platform was in positioning and pile insertion operation， jacking， jacking down， or preloading. In the case of “egg-shell” formation， single leg and multiple ballast or floating ballast should be adopted in ballast operation. Besides， effective measuresshould betaken about punch-through risk caused by excessive leginclination RPD and excessive platform inclination.

Keywords：jack-up drilling platform; rack phase difference; legbuckling failure; deformation

近年來，隨著海洋油氣田的開發(fā)和利用，自升式鉆井平臺的作業(yè)安全，尤其是自身的結構安全，越來越受到各方的關注。自升式鉆井平臺在插樁、升船、預壓載或降船作業(yè)等工況下，由于環(huán)境載荷（風、浪、流等）過大、海底地質(zhì)（海底不平坦、海底地質(zhì)過硬等）條件惡劣，引起樁腿受附加彎矩和剪力作用而發(fā)生垂向位移，嚴重時將使樁腿結構失效破壞，導致平臺傾覆，影響平臺的總體安全，有可能造成巨大的經(jīng)濟損失及人員傷亡。

自升式鉆井平臺樁腿的類型主要分為圓筒式和桁架式，桁架式樁腿已成為當前最為常見的樁腿結構形式。經(jīng)過對近些年一些自升式鉆井平臺定位插樁事故的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)樁腿支撐管結構（包括主弦管、水平支撐、斜支撐等）在平臺升降過程中較易發(fā)生局部的屈曲失效，例如2002年工作在北海南部的GSFMonarch平臺，發(fā)生了支撐管失效事故[1-3]。圖1所示為某自升式鉆井平臺斜支撐管屈曲失效示例。為了避免支撐管屈曲失效的事故發(fā)生，目前國際先進的自升式平臺均通過監(jiān)測RPD值來預測防范，通過設定有效RPD值的電子監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)測樁腿支撐管結構的安全與穩(wěn)定性已成為一種公認的可行手段。本文對桁架式自升式平臺樁腿RPD值的應用進行了細致研究與分析探討，以供平臺操船人員及設計人員參考。

1" " RPD定義

齒條相位差RPD（Rack Phase Difference）是指同一樁腿不同主弦管上相同標高的齒條位置節(jié)點相對于同一水平參考平面的垂向位移偏差，如圖2所示。

當弦管B相對于弦管A發(fā)生向上的位移時，撐管A1-B2承受拉力，撐管B1-A2承受壓力。該樁腿的三個RPD值分別為：RPD（face AB）=ΔA-ΔB；RPD（face AC）=ΔA-ΔC；RPD（face BC）=ΔB-ΔC。

自升式鉆井平臺在定位插樁、升船或預壓載作業(yè)時，如果作業(yè)地點存在海底不平整、地層強度不均勻、土層強度較低、老樁靴腳印、環(huán)境載荷過大、樁靴海底沖刷、沖刷面海底基礎削弱等情況，都會導致樁腿受很大的附加彎矩和剪力作用，使樁腿發(fā)生變形，從而產(chǎn)生齒條相位差RPD。RPD不僅可以表征樁腿相對于主體的傾斜姿態(tài)，即樁腿的傾斜程度與傾斜方向，也可以有效地表征支撐管載荷的大小。該齒條相位差可以通過平臺RPD電子測量監(jiān)控系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

2" " RPD分類

樁腿的RPD主要分為以下兩類。

1）無限制RPD（Free RPD）。無限制RPD為平臺自身結構形式產(chǎn)生的，不產(chǎn)生附加的外力。例如，齒條導向板間隙或者導向板表面的磨損，都允許樁腿相對于主船體產(chǎn)生一定的傾斜，而不產(chǎn)生支撐管內(nèi)的應力。在設計時，平臺主體的導向板與樁腿之間有一定的裝配間隙（一般為5～15 mm），允許平臺主體與樁腿之間產(chǎn)生一定的相對轉動，這種轉動不產(chǎn)生附加的支撐管載荷。尤其對于老齡平臺，齒條板和導向板之間因磨損存在一定間隙，從而使樁腿相對于主船體產(chǎn)生一定的初始傾斜，但不會產(chǎn)生樁腿應力[4]。

2）實際RPD（Actual RPD）。實際RPD產(chǎn)生支撐管軸向力，造成樁腿的支撐管屈曲。當實際RPD超過無限制RPD后，樁腿與平臺主體之間將產(chǎn)生附加彎矩，樁腿支撐管將由于受附加彎矩作用而受壓或受拉，這種類型RPD會導致平臺樁腿屈曲失效。實際RPD是指可導致支撐管受到軸向載荷的RPD，以下稱為RPD。

3" " 計算原理及受力分析

按照RPD定義，測量齒條相位差RPD時，需要記錄不同主弦管上具有相同標高的齒節(jié)點距離參考平面的垂直距離，即齒條相位值RPV（Rack Phase Value），再經(jīng)計算得到樁腿上的RPD值[4]，其計算公式為：

RPD＝max（｜RPVｉ－RPVｊ｜） （１）

式中：ｉ、ｊ為任意兩根相鄰弦管。

在常規(guī)情況下，平臺的極限RPD值表征樁腿可容許的最大彎矩，與樁腿支撐桿的軸向屈曲密切相關。其理論計算方法一般為：建立樁腿的有限元模型，模擬升降系統(tǒng)、上下導向結構作為邊界條件，在樁腿底部位置加載垂向載荷；下導向位置施加彎矩，此彎矩值應使樁腿弦管或支撐桿發(fā)生屈曲（應力比接近1.0），此時可計算得到３個弦管的垂向位移，即可計算得到極限RPD值[4]，其計算公式為：

RPD＝（ΔZmax－ΔZ０）/UCＬ＋ΔZ０" （２）

式中：ΔZmax為計算得到的弦管垂向位移差值，ΔZ０為樁腿初始傾斜產(chǎn)生的垂向位移差值，UCＬ為樁腿構件的最大名義應力與許用應力的比值。

當自升式平臺在舊腳印附近就位時極易引起樁腿滑移，樁腿滑移不但對樁腿結構構成危害，還對導向板產(chǎn)生擠壓，甚至使升降系統(tǒng)過載。自升式平臺“踩腳印”過程極限RPD的計算應綜合考慮樁腿結構、船體結構及升降系統(tǒng)極限承載能力等３方面的因素，進而推算出適用于樁腿側向滑移的極限RPD值[4]，其計算公式為：

RPD＝（ΔZmax－ΔZ０）/UCmax＋ΔZ０ （３）

UCmax＝max（UCＬ，UCＨ，UCＪ） （４）

式中：UCＨ為船體構件（包括圍肼區(qū)及固樁架結構）的最大名義應力與許用應力的比值，UCＪ為升降系統(tǒng)最大受載與升降能力的比值，UCmax為取三者中的最大值。

橫向載荷以及海底對平臺的作用是影響自升式鉆井平臺升降過程中RPD的主要影響因素，受力分析如圖3～圖5所示[3]。

4" " 測量方法

樁腿RPD的測量方法有RPD電子測量監(jiān)控系統(tǒng)測量和人工測量兩種。

4.1" " RPD電子測量監(jiān)控系統(tǒng)

平臺每個樁腿弦管各配有一套齒條測量傳感器（見圖6）用于測量RPV，傳感器安裝在升降基礎面上樁腿齒條附近，其輸入齒輪與樁腿齒條嚙合，隨著升降操作旋轉。齒條測量傳感器測量裝置的輸出端產(chǎn)生由接近開關感應出的電脈沖信號，脈沖信號送入PLC模塊，計算出平臺底部相對基準（樁靴底部）的位置。齒條相位差（RPD）是各樁腿三根弦管上的升降齒條之間的高度差，即每個樁腿的各個弦管相對于樁腿標高的偏差，由RPD測量監(jiān)控系統(tǒng)（見圖7）獲取并監(jiān)控，最終在中控室的升降操作臺上顯示RPV值和RPD值。RPD值是樁腿至關重要的參數(shù)，該差值會在樁腿上產(chǎn)生額外的負載，一旦RPD超過允許值，額外負載可能導致結構故障或受損，在RPD測量監(jiān)控系統(tǒng)中設定RPD報警值，便于及時發(fā)現(xiàn)和預警異常情況，極大減小和降低作業(yè)風險[5]。

當前的自升式鉆井平臺（例如Famp;.G公司JU-2000E平臺、大連船廠DSJ300平臺/CP300平臺、GuStOMSC公司 CJ46/CJ50平臺）船型上都安裝了類似的RPD電子測量監(jiān)控系統(tǒng)。在平臺定位插樁、升降平臺、預壓載作業(yè)時，樁腿的RPD測量監(jiān)控系統(tǒng)非常重要，對樁腿齒條相位差RPD進行實時監(jiān)控[6]。例如JU-2000E平臺，在RPD超過120 mm時會發(fā)出通告（notification），在RPD超過150 mm時會發(fā)出警示（warning），在RPD超過165 mm時會發(fā)出警報（alarm）；又如DSJ300平臺，在RPD超過50 mm時會發(fā)出警報，在RPD超過60 mm時升降會自動停止。樁腿RPD達到報警值時，平臺操船人員需要謹慎升降操作且必要時必須停止操作，根據(jù)升降操作規(guī)程對平臺主體進行調(diào)平后才能繼續(xù)升降操作。升降系統(tǒng)由于RPD到達高高限而停止時，如需要應急操作，則可把保護模式調(diào)到超越“OVERRIDE”模式，樁腿能夠升降移動，但聲光警報不能停止。

4.2" " RPD人工測量

當出現(xiàn)RPD電子測量監(jiān)控系統(tǒng)故障、校核RPD值及需要人工檢驗RPD值的情況時，使用如圖8所示嵌入齒條的模板工具，在樁腿的上導向板的人行走道處，采用水平參考面測量。測量時記錄的數(shù)據(jù)是不同主弦管上具有相同標高的齒節(jié)點距離參考平面的垂直距離（RPV值）。然后再通過RPV依據(jù)式（1）可以計算得到每個樁腿RPD，如圖9所示。

5" " RPD成因

平臺在定位插樁、升船、預壓載或降船作業(yè)時，可引起使樁腿支撐管受軸向載荷的RPD，其根本成因是環(huán)境載荷及樁靴載荷導致樁腿和平臺主體部位產(chǎn)生剪力和彎矩。樁靴處所受的剪力及彎矩在平臺主體和樁腿的接觸部位得到平衡，這一過程可能產(chǎn)生令樁腿支撐管產(chǎn)生載荷屈曲失效的重大RPD。能引起樁靴受力并產(chǎn)生RPD的原因主要有以下幾個方面。

1）海底不平整、海底傾斜、海底地層強度不均勻、上次插樁作業(yè)留下樁靴老腳印、海底發(fā)生沖刷等情況造成樁靴受偏心力，如圖10～圖13所示[1]。樁靴所受偏心力的程度受海底地質(zhì)堅硬程度以及樁靴自身結構類型的影響。

2）升降平臺時，某一樁靴的側移或某一樁腿相對于其他樁腿發(fā)生了滑移，尤其是跌入上次插樁作業(yè)時留下的樁靴老腳印。

3）平臺作業(yè)時所受到的環(huán)境載荷，如風載荷、流載荷等，在一定程度上會增大平臺主體和樁腿接觸部位的載荷，也會引起RPD超標，導致支撐管屈曲失效。

4）樁腿建造過程中，三個主弦管在高度方向上存在較大的公差，導致在升降過程中三個主弦管受力不均。

6" " RPD值超標危害

平臺在定位插樁、升船、預壓載或降船作業(yè)時，樁腿傾斜會引起明顯的RPD變化，在操船期間，升降時控制RPD值變化趨勢，若其加劇或達到報警值時應立即停止升降作業(yè)并及時調(diào)整平臺，否則會因RPD值超標導致以下幾方面的危害。

1）樁腿的支撐管（包括主弦管、水平支撐、斜支撐等）因屈曲失效而受損變形，如圖14所示。

2）樁靴因受偏心力作用而受損變形，如圖15所示。

3）樁腿變形段的齒條受損變形、磨損、折斷，如圖16所示[2]。

4）平臺主船體接觸部位升降固樁區(qū)的上下導向板耐磨板，受樁腿齒條擠壓造成偏磨受損，嚴重時導致主船體結構受損。

5）平臺升降系統(tǒng)的爬升齒輪，因受力過大或偏心力作用產(chǎn)生偏磨、裂紋、折斷而受損，或齒輪箱因受力過大而導致齒輪、軸承、軸等損壞，如圖17、圖18所示。

6）平臺樁腿發(fā)生“穿刺”或者“滑移”現(xiàn)象，RPD值超標嚴重時，平臺可能發(fā)生整體傾覆，導致平臺受損及人員傷亡，如圖19所示。

7" " "RPD值超標案例分析及修理

7.1" " RPD設定值

針對300 ft（1 ft=304.8 mm）自升式桁架，某鉆井平臺升降說明書中關于RPD值的要求見表1。

7.2" " 定位插樁過程描述

2018年10月22日，某平臺在黃海區(qū)域定位插樁、升降平臺時，RPD值觸發(fā)系統(tǒng)報警，現(xiàn)場實際測量RPD為47 mm（接近50 mm），升降調(diào)整平臺和拔樁釋放樁腿應力后RPD無變化。平臺開始預壓載，逐步注入約7 000 t壓載水、吃水0.5 m時，平臺預壓載過程中左舷樁腿發(fā)生異響，同時平臺傾斜0.3°，立即下降其他兩個樁腿進行平臺調(diào)平。降船調(diào)平過程中，左舷樁腿仍有少許間歇聲響。檢查發(fā)現(xiàn)樁腿傾斜，左樁腿B/C弦管靠船首側齒條與下導板之間嚴重接觸，隨即排放壓載水。排水結束后，計劃開始降平臺到吃水4.5 m，做拔樁以釋放樁腿應力。下降過程中異響較為嚴重（此時的平臺吃水為2.3 m），RPD報警后立即停止升降?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)爬升小齒輪以下附近2個斜支撐管和2個水平橫撐管有不同程度的彎曲變形。降平臺拔活樁腿，回收樁腿后檢查樁腿情況，發(fā)現(xiàn)支撐管變形位置在28.7 m橫梁周圍，附近的弦管有細微變形。平臺預壓載作業(yè)無法順利進行。

7.3" " 樁腿受損調(diào)查和RPD值超標原因分析

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平臺左舷樁腿的2個斜支撐管、2個水平橫撐管、1個主弦管有不同程度的變形，左舷樁靴底部有2個局部區(qū)域內(nèi)凹現(xiàn)象。

經(jīng)綜合分析判定導致RPD值超標、預壓載無法開展的原因主要有：其一，左舷樁腿下方地層不平整，地質(zhì)存在堅硬石塊，樁靴受力不均，樁腿樁靴受偏心力導致其傾斜偏轉，造成RPD值超標；其二，弦管齒條與耐磨板之間的導向間隙超標，導致樁腿偏轉時B/C舷管齒條與耐磨板已經(jīng)貼合，A舷管齒條與耐磨板存在間隙，引起B(yǎng)/C舷管受力負荷大，A舷管受力負荷??；其三，樁腿RPD初始值比較大，測量值存在偏差或誤差[7]。

7.4" " "平臺修理

平臺進船塢開展了左舷樁腿的22 m樁腿弦管切除更換、樁靴的底板局部更換修復。樁腿受損及修理流程如圖20、圖21所示。

8" " 關于RPD的思考及建議

平臺在定位插樁、升船、降船、預壓載作業(yè)時，遇到復雜海底地質(zhì)情況可能影響平臺的作業(yè)安全，嚴重時造成重大財產(chǎn)及人員損失，因此在就位前應做好海調(diào)報告、地調(diào)報告、插樁壓載方案、RPD超標風險控制預案等工作。

樁腿傾斜會引起明顯的RPD變化，操船人員在操船期間，需掌握平臺與樁腿的水平狀態(tài)，實時做好RPD監(jiān)控，如遇RPD變化趨勢加劇或達到報警值，應立即停止升降作業(yè)并及時調(diào)整平臺，應急必要時把保護模式調(diào)到超越“OVERRIDE”模式，避免發(fā)生事故。

平臺插樁遇到斜坡或者老樁靴腳印地層時存在側滑風險，關注平臺傾斜角度及RPD值，需要反復上提、下放樁腿并噴沖，直至樁靴接觸區(qū)域受力均勻。預壓載升平臺前做好拔樁、樁腿扭矩釋放，確保RPD值到達理想狀態(tài)。

平臺插樁遇到“雞蛋殼”地層時存在穿刺風險，壓載作業(yè)應采用單樁多組壓載或漂浮壓載，做好存在穿刺風險的樁腿傾斜RPD超標、平臺傾斜超標的應對措施。自升式鉆井平臺預壓載時，穿刺事故約占歷年事故總數(shù)的53%，經(jīng)濟損失巨大，甚至導致樁腿受損，平臺傾斜入海下沉。2009年5月，“HYSY941”在中國南海海域進行探井作業(yè)時，艏部樁腿發(fā)生穿刺，導致船首傾斜6.2°，樁腿4根斜撐、2根內(nèi)水平撐發(fā)生變形。因此，在有穿刺風險區(qū)域進行插、預壓載作業(yè)時需格外小心，應時刻監(jiān)控樁腿傾斜RPD值和平臺傾斜角度。

對于自升式鉆井平臺樁腿傾斜RPD，雖已開展相關研究，但目前還沒有相關規(guī)范要求。建議設計人員對樁腿受力狀態(tài)、升降邊界條件等進行分析研究，確立極限RPD值，優(yōu)化RPD監(jiān)測系統(tǒng)、預警方案，并規(guī)范操作程序。

操船人員在插樁、升降平臺、預壓載作業(yè)時要注重RPD值監(jiān)測，做好現(xiàn)場載荷分配、樁腿齒條與耐磨板潤滑、RPD值監(jiān)測、樁腿齒條與耐磨板間隙調(diào)整等工作。樁腿RPD控制流程如圖22所示。

9" " 結束語

在定位插樁、升船、預壓載或降船作業(yè)時，合理運用RPD知識將有助于及時掌握平臺升降作業(yè)狀態(tài)，避免事故發(fā)生。本文詳細闡述了自升式鉆井平臺上RPD的工作原理、計算、測量、成因、超標危害等，分析探討了RPD的超標案例并給出建議，對平臺操船人員及設計人員具有一定的借鑒作用。但對于RPD監(jiān)測系統(tǒng)、預警方案和超值解決措施等，還需要不斷地深入研究和優(yōu)化。

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作者簡介：

王柏和（1983—），男，湖北鄂州人，高級工程師，2006年畢業(yè)于長江大學機械設計及其自動化專業(yè)，主要從事海上鉆井平臺機械及壓載研究工作。Email：wangbh.cpoe@cnpc.com.cn

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