黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北燕郊 065200)

自升式鉆井平臺(tái)樁靴裂紋分析、處理及修復(fù)研究

黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北燕郊 065200)

樁靴是自升式平臺(tái)的重要組成部分，主要作用是支撐整個(gè)平臺(tái)，將平臺(tái)所受的載荷傳遞到海床。一旦樁靴失效，將導(dǎo)致樁腿下沉，平臺(tái)無(wú)法保持水平。文章利用有限元方法研究了自升式平臺(tái)樁靴在出現(xiàn)裂紋后的應(yīng)力水平，并研究相關(guān)的應(yīng)對(duì)措施與修復(fù)方法。

自升式平臺(tái);樁靴;裂紋;有限元分析

1 裂紋的發(fā)現(xiàn)和修理嘗試

某平臺(tái)建造于1976年，截至裂紋發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)營(yíng)運(yùn)32年。2008年初進(jìn)行水下檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋，其中500～1 000 mm長(zhǎng)度的裂紋多達(dá)14處、1 000 mm以上為9處。經(jīng)過(guò)初步修復(fù)嘗試后，情況反而向更加惡劣的方向發(fā)展。由于該平臺(tái)屬于在水下檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的裂紋，其樁靴外表面處于海水包圍之中，將樁靴內(nèi)部海水抽空后才能進(jìn)行樁靴內(nèi)結(jié)構(gòu)探傷。雖然發(fā)現(xiàn)的裂紋并沒(méi)有直接處于海水中，但由于鋼結(jié)構(gòu)非常優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，樁靴內(nèi)裂紋根本無(wú)法進(jìn)行常規(guī)焊接工藝前的預(yù)熱，如果強(qiáng)行加熱，由于受熱面和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的溫度梯度加大，將直接導(dǎo)致裂紋明顯擴(kuò)展。

在當(dāng)前修理工藝與條件的情況下分析，如果繼續(xù)嘗試很可能導(dǎo)致更加惡劣的效果，因此工程師們做出了暫停修理的決定，從技術(shù)層面上明確了只有在該平臺(tái)進(jìn)入干塢后才有可能具備全面修理的前提。而縱觀2008年整個(gè)中國(guó)海域沿岸，適合該平臺(tái)使用的干塢，都已經(jīng)沒(méi)有了塢期。

如果不進(jìn)行修復(fù)，鉆井平臺(tái)停止作業(yè)會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而要決定讓該平臺(tái)繼續(xù)到海上進(jìn)行運(yùn)行則面臨著更加巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。如何抉擇成了工程師們的重大挑戰(zhàn)。

經(jīng)過(guò)當(dāng)時(shí)項(xiàng)目參與各方資深技術(shù)和管理人員進(jìn)行的多次討論和思考，以及各方高層的協(xié)調(diào)，仍然無(wú)法定下結(jié)論。為了盡快拿出相應(yīng)支持決策的數(shù)據(jù)，工程技術(shù)人員考慮了多種備選方案，包括:制作可以在碼頭將自升式鉆井平臺(tái)樁靴提離水面的水中塢墩，搜索國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的激光焊接技術(shù)、最先進(jìn)的無(wú)損探傷技術(shù)，搜索周邊合適船塢等方案。但這些方案均無(wú)法達(dá)到馬上修復(fù)裂紋的效果。

傳統(tǒng)的無(wú)損探傷技術(shù)包括磁粉、超聲波、射線3大類［1］，磁粉探傷主要探測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的表面裂紋，超聲波和射線類技術(shù)能探測(cè)到鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，比如氣孔夾渣等缺陷。但是這3種技術(shù)均無(wú)法探測(cè)到裂紋究竟有多深，無(wú)法判斷裂紋是否已經(jīng)完全穿透。此時(shí)，一個(gè)最先進(jìn)的無(wú)損探測(cè)新技術(shù):渦流檢測(cè)技術(shù)和相控陣檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)入了工程技術(shù)人員的視野。通過(guò)對(duì)渦流檢測(cè)技術(shù)和相控陣檢測(cè)技術(shù)的原理與可實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行深入的研究，加之工程師們對(duì)該平臺(tái)的樁靴結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常熟悉，工程師們做出了一個(gè)大膽而又謹(jǐn)慎的應(yīng)對(duì)方案:首先利用最新技術(shù)對(duì)裂紋深度進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，判斷其裂紋深度，對(duì)裂紋的形式進(jìn)行分析。其次利用獲得的裂紋深度數(shù)據(jù)，對(duì)樁靴存在裂紋情況下的應(yīng)力進(jìn)行分析，掌握存在裂紋的位置及其周邊的應(yīng)力情況。最后，根據(jù)應(yīng)力情況判斷，制定臨時(shí)的預(yù)防措施，盡最大可能降低真實(shí)應(yīng)力，同時(shí)制定定期檢查裂紋深度和長(zhǎng)度發(fā)展的計(jì)劃。如果裂紋深度和應(yīng)力允許，則可以考慮在有嚴(yán)格限定條件和緊密跟蹤的情況下進(jìn)行操作。

2 裂紋深度的探測(cè)

這項(xiàng)新技術(shù)的名稱為渦流檢測(cè)技術(shù)和相控陣檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)的主要原理是:利用由很多小探頭線圈按特定的結(jié)構(gòu)類型密布在敞開(kāi) (或封閉)的平面或曲面上構(gòu)成的陣列組成的特種探頭，采用電子學(xué)的方法按照設(shè)定的邏輯程序，對(duì)陣列單元分時(shí)切換，將各單元獲取的渦流響應(yīng)信號(hào)接入儀器的信號(hào)處理系統(tǒng)中去，完成一個(gè)陣列的巡回檢測(cè)。相控陣渦流探頭的一次檢測(cè)過(guò)程相當(dāng)于傳統(tǒng)的單個(gè)渦流探頭 (ECP)對(duì)部件受檢面 (平面或曲面)的反復(fù)往返步進(jìn)掃描的檢測(cè)過(guò)程。由于該技術(shù)具有檢測(cè)裂紋深度的能力，工程師們決定使用這種最新技術(shù)對(duì)裂紋深度進(jìn)行檢測(cè)嘗試。

裂紋檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 裂紋檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)

首先根據(jù)磁粉探傷的結(jié)果，對(duì)發(fā)現(xiàn)表面裂紋存在的部位，使用最新技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。檢測(cè)基于渦流檢測(cè)技術(shù)和相控陣檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行:超聲波相控陣(PA)、渦流檢測(cè)技術(shù) (ET)和計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù) (CITs)。先通過(guò)渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊縫表面及母材表面進(jìn)行粗檢，然后通過(guò)相控陣技術(shù)對(duì)焊縫位置進(jìn)行復(fù)檢，通過(guò)計(jì)算機(jī)成像技術(shù)顯示最終結(jié)果，讀取缺陷的具體參數(shù)。

通過(guò)與結(jié)構(gòu)原始厚度、焊縫厚度的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大部分裂紋的深度并沒(méi)有貫穿。因此，需要分析在這個(gè)裂紋深度的情況下樁靴能承載的應(yīng)力是多少。

3 存在裂紋的樁靴應(yīng)力分析

案例平臺(tái)的最大作業(yè)水深91 m(300英尺)，設(shè)計(jì)的作業(yè)環(huán)境條件遠(yuǎn)比經(jīng)常作業(yè)的20～40 m水深的條件惡劣，其預(yù)壓載量和可變負(fù)荷也是按最大作業(yè)水深和極限風(fēng)暴狀態(tài)設(shè)計(jì)的。因此，即使樁靴在水下檢驗(yàn)探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，在無(wú)法及時(shí)修理的情況下，如果對(duì)平臺(tái)的插拔樁載荷和操作程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，也有可能實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)海域 (該平臺(tái)經(jīng)常作業(yè)的區(qū)域)進(jìn)行有限制的鉆井作業(yè)。

根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，樁靴上的裂紋主要是在插拔樁過(guò)程中產(chǎn)生的，在作業(yè)過(guò)程中樁腿反力使裂紋附近疲勞損傷加劇，長(zhǎng)期的循環(huán)應(yīng)力可能使裂紋擴(kuò)展。由于該平臺(tái)最終必須進(jìn)塢修復(fù)裂紋，此次的研究分析只是在找到干塢以前能否讓該平臺(tái)在限制條件下進(jìn)行臨時(shí)作業(yè)提供技術(shù)依據(jù)，將主要考慮插拔樁對(duì)裂紋和平臺(tái)安全的影響。因此，需要利用大型有限元計(jì)算軟件ANSYS，提出一種方便可行的計(jì)算方法，分析裂紋對(duì)整個(gè)樁靴的影響。

4 裂紋模擬方法

由于裂紋擴(kuò)展的分析在世界上都是一個(gè)技術(shù)難題，從各種裂紋研究理論來(lái)看，裂紋分析的相關(guān)因素非常多，事實(shí)上無(wú)法對(duì)裂紋是否會(huì)擴(kuò)展進(jìn)行研究，只有通過(guò)定期超聲波技術(shù)探傷來(lái)測(cè)量裂紋深度來(lái)評(píng)估裂紋是否擴(kuò)展。此處只對(duì)出現(xiàn)裂紋后在實(shí)際作業(yè)情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足使用要求進(jìn)行分析。由于裂紋的尖端效應(yīng)分析等技術(shù)理論目前并無(wú)成熟可靠的理論來(lái)模擬，且本次不研究裂紋擴(kuò)展的可能等情況，因此本分析理論假定裂紋部位已經(jīng)被掏空，基于鋼板厚度受裂紋影響，鋼板的有效板厚會(huì)減少，有效板厚等于原鋼板厚度減去裂紋深度后的板厚。

5 有限元模型

根據(jù)樁靴實(shí)際結(jié)構(gòu)，模型選用 shell63，beam188和solid45單元進(jìn)行模擬。對(duì)所有樁靴結(jié)構(gòu) (底板和頂板的扶強(qiáng)材)采用4節(jié)點(diǎn)板單元shell63進(jìn)行模擬，每個(gè)板單元都有6個(gè)自由度，盡可能真實(shí)模擬各受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài);對(duì)與樁靴連接的樁腿結(jié)構(gòu)分2部分模擬，與樁靴連接的部分樁腿采用4節(jié)點(diǎn)板單元shell63和8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元solid45進(jìn)行模擬，其他部分采用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧猙eam188進(jìn)行模擬，2部分的連接采用Rigid Region實(shí)現(xiàn)。

6 樁靴載荷

樁靴設(shè)計(jì)時(shí)最大垂向載荷為55 340 kN(5 534 t)，其設(shè)計(jì)環(huán)境條件為:水深，40 m;風(fēng)速，36 m/s; 浪高，11.89 m; 表面流速，0.51 m/s。計(jì)算工況按CCS規(guī)范要求［2］選取。

7 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果表明所有裂紋均小于屈服強(qiáng)度 (355 MPa)，最小安全系數(shù)為1.24，因此，平臺(tái)樁靴在目前檢測(cè)出的裂紋的情況下，其應(yīng)力水平是可以接受的。

從文獻(xiàn)上獲得的資料顯示，裂紋的擴(kuò)展速度不是恒定的［3］，它與裂紋尺寸和應(yīng)力變化相關(guān)。因此，雖然保持低應(yīng)力變化狀態(tài)對(duì)樁靴的安全性是有好處的，但仍然要經(jīng)常檢查裂紋情況來(lái)保證結(jié)構(gòu)安全。

本樁靴帶裂紋作業(yè)可行性評(píng)估的方法基于彈性理論。對(duì)于受損結(jié)構(gòu)，本方法將其受損后的強(qiáng)度及剛度代入有限元計(jì)算進(jìn)行分析，以確定整體結(jié)構(gòu)是否安全。從整個(gè)分析情況看，即使考慮了相對(duì)惡劣的環(huán)境條件來(lái)模擬，其總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍未超標(biāo)。因此只要采取足夠的安全措施，就可以讓該平臺(tái)帶裂紋臨時(shí)進(jìn)入作業(yè)，以等待合適的進(jìn)塢修理機(jī)會(huì)。

8 臨時(shí)作業(yè)安全措施的選擇

安全措施指定的第一步是分析整個(gè)作業(yè)流程環(huán)節(jié)中，每個(gè)環(huán)境樁腿受力情況的變化，然后有針對(duì)性的對(duì)相應(yīng)可能引起裂紋擴(kuò)張的步驟進(jìn)行限制性操作，盡最大可能避免裂紋擴(kuò)展。第二步則是利用每次平臺(tái)移位的機(jī)會(huì)對(duì)裂紋進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，確認(rèn)其是否有繼續(xù)擴(kuò)展的跡象，以判斷總體安全風(fēng)險(xiǎn)情況，指定下一步的應(yīng)對(duì)措施。

自升式鉆井平臺(tái)的整個(gè)作業(yè)流程可以分為拖航就位、插樁、壓載、升船 (鉆井)、降船拔樁、拖航這樣一個(gè)封閉環(huán)節(jié)。根據(jù)綜合分析，制定出了一系列的臨時(shí)安全措施。管理上的另外一個(gè)核心安全措施也需要非常重視，那就是定期跟蹤裂紋的狀況，看裂紋有沒(méi)有在長(zhǎng)度或深度上繼續(xù)發(fā)展。因此規(guī)定每一次拖航樁靴漂浮的時(shí)候，都要對(duì)樁靴裂紋跟蹤檢測(cè)。

9 臨時(shí)作業(yè)期間的定期跟蹤

隨著該平臺(tái)到海上進(jìn)行作業(yè)，其安全措施都有該平臺(tái)操作層面完成，在該平臺(tái)發(fā)現(xiàn)裂紋后的第二次拖航移位過(guò)程中，組織了對(duì)裂紋是否發(fā)展的后續(xù)跟蹤檢測(cè)。首先將樁靴收到平臺(tái)體的樁腳井內(nèi)，抽干樁靴內(nèi)部的海水。組織相關(guān)技術(shù)單位進(jìn)去對(duì)存在的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，并與第一次檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中大部分裂紋長(zhǎng)度方向并沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)展，僅有個(gè)別裂紋發(fā)生從焊縫向母材的擴(kuò)展。因此需要假定，該處裂紋萬(wàn)一完全裂透后，是否會(huì)導(dǎo)致整個(gè)樁靴結(jié)構(gòu)出現(xiàn)崩潰式損壞，這需要對(duì)該裂紋完全裂開(kāi)進(jìn)行評(píng)估。于是在這個(gè)基礎(chǔ)上，對(duì)上述有限元模型進(jìn)行了修改，計(jì)算出即使本處裂紋完全裂開(kāi)的情況下，該平臺(tái)樁靴強(qiáng)度仍能滿足目標(biāo)井位作業(yè)的海況條件要求。

10 裂紋的最終修理

該平臺(tái)在經(jīng)過(guò)一次拖航移位以后，終于在其作業(yè)區(qū)域附近找到了合適進(jìn)塢修理的船廠。因此就在第二次拖航移位時(shí)直接將該平臺(tái)送到了船塢內(nèi)進(jìn)行裂紋修理工程，恢復(fù)了其原始設(shè)計(jì)性能。

［1］API RP 2X［M］.API，1996.

［2］中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范 ［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structure［M］.DNV Rp－C203，2000.

The spudcan is of special structure in jack-up platform design.It is connected to leg-structures to transfer the loading from legs to seafloor.The spudcan normally has the intended purpose to provide the vertical support and moment restraint at the base of legs.Should the spudcan fail there is a potential for the leg to settle，putting the unit out of level.Based on Finite Element Analysis the general dealing with of cracks on spudcan is performed including temp safety actions，periodically inspection on spudcan，structure analysis，and final repair is performed to evaluate the integrity of spudcan with cracks and a way to deal with cracks is found.

jack-up unit;spudcan;crack;Finite Element Analysis(FEA)

TE95

C

1001－8328(2012)05－0052－03

黎劍波 (1976-)，男，廣西容縣人，工程師，學(xué)士，主要從事海洋移動(dòng)鉆井平臺(tái)裝備運(yùn)營(yíng)和管理工作。

2012－05－07