趙景芳

（中海油田服務(wù)股份有限公司）

自升式平臺(tái)樁靴滑移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究
——以羅布雷300型平臺(tái)為例

趙景芳

（中海油田服務(wù)股份有限公司）

以發(fā)生損傷的羅布雷300型平臺(tái)為例，建立了自升式平臺(tái)的整體有限元模型和樁腿-導(dǎo)向板接觸區(qū)的局部模型，分析了樁靴滑移產(chǎn)生的樁腿結(jié)構(gòu)各處的位移、傾斜角度及船體上下導(dǎo)向板處的載荷、升降裝置載荷和樁腿半圓板的應(yīng)力接近或達(dá)到材料彈性極限時(shí)導(dǎo)向板各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，提出了監(jiān)測(cè)平臺(tái)樁靴滑移的位移測(cè)量和應(yīng)變測(cè)量技術(shù)。結(jié)果表明，樁靴滑移時(shí)下導(dǎo)板以下樁腿發(fā)生明顯傾斜，升降裝置載荷超過額定載荷，在導(dǎo)向板肋板處有應(yīng)變變化較為緩慢的區(qū)域，可以通過應(yīng)變反算樁腿-導(dǎo)向板接觸載荷。

自升式平臺(tái)；樁靴滑移；樁腿；導(dǎo)向板；位移測(cè)量；應(yīng)變測(cè)量；羅布雷300型平臺(tái)

對(duì)于一些老的海上油田，頻繁的作業(yè)使自升式平臺(tái)的“踩腳印”問題日益突出，嚴(yán)重影響作業(yè)時(shí)效及平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)安全［1-2］。國外BP、ENI、Ensco、Keppel等十幾家公司曾聯(lián)合進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)研究，共同應(yīng)對(duì)舊腳印困擾；國內(nèi)渤海油田發(fā)生過多次因踩腳印而導(dǎo)致的險(xiǎn)情，羅布雷300型平臺(tái)在進(jìn)塢檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)部分樁腿半圓板發(fā)生變形，最大凹陷變形43 mm，最大凸出變形22 mm，沿樁腿變形長度達(dá)25 m。通過調(diào)查分析該平臺(tái)以前的作業(yè)井位數(shù)據(jù)，認(rèn)為樁腿損傷的原因是平臺(tái)在渤海某井插樁時(shí)遇到舊腳印而多次發(fā)生樁靴滑移，插樁時(shí)間長達(dá)7 d，導(dǎo)致平臺(tái)半圓板受力過大而產(chǎn)生變形。本文以發(fā)生損傷的羅布雷300平臺(tái)為例，建立了平臺(tái)的整體模型和樁腿與導(dǎo)向板接觸區(qū)的局部模型，分析了樁靴滑移產(chǎn)生的樁腿結(jié)構(gòu)處的位移、傾斜角及平臺(tái)上下導(dǎo)板處的載荷，以及樁腿半圓板的應(yīng)力接近或達(dá)到材料彈性極限時(shí)導(dǎo)向板各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，提出了監(jiān)測(cè)平臺(tái)樁靴滑移的位移測(cè)量技術(shù)和應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，以幫助平臺(tái)安全、高效地完成插樁就位作業(yè)。

1 樁靴滑移監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

發(fā)生損傷的羅布雷300型平臺(tái)的主平臺(tái)為三角形，在站立狀態(tài)下由3條三角形桁架式樁腿支撐，每條樁腿的底部設(shè)有樁靴提供支撐，每條樁腿通過升降齒輪與主平臺(tái)連接。升級(jí)改造后，該平臺(tái)總共有54套升降裝置，每條樁腿的弦桿上配有3套升降裝置；平臺(tái)上設(shè)有上下2組導(dǎo)向板，導(dǎo)向板為120°圓弧形厚板，并通過3條肋板支撐在平臺(tái)上，每條樁腿周圍的6個(gè)導(dǎo)向板可保持樁腿上下移動(dòng)過程中的正直度。假設(shè)平臺(tái)首部、右舷、左舷樁腿分別為1＃、2＃、3＃樁腿，每條樁腿的3根弦管分別為A、B、C，則3＃樁腿的A弦管簡稱為3 A。羅布雷300型平臺(tái)樁腿和導(dǎo)向板相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 羅布雷300型平臺(tái)樁腿-導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)示意圖

為全面分析半圓板損傷原因，形成樁靴滑移檢測(cè)方法，按照?qǐng)D2所示流程，開展以下幾方面的研究：

1）建立平臺(tái)整體模型，設(shè)定不同的樁靴滑移方向及距離，計(jì)算平臺(tái)各部分結(jié)構(gòu)的位移及上下導(dǎo)向板處的載荷；

2）建立上下導(dǎo)向板處樁腿和導(dǎo)向板接觸的局部模型，局部模型的邊界條件來自于整體模型；

3）以半圓板最大應(yīng)力達(dá)到其材料的彈性強(qiáng)度為評(píng)定指標(biāo)，確定各樁靴在沿不同方向滑移時(shí)許可的滑移距離、樁腿結(jié)構(gòu)變形量、導(dǎo)板與樁腿接觸壓力、導(dǎo)板及其肋板的應(yīng)變值，以此為依據(jù)優(yōu)化檢測(cè)方法。

圖2 自升式平臺(tái)樁腿滑移分析流程圖

2 平臺(tái)整體模型和樁腿與導(dǎo)向板接觸區(qū)局部模型的建立

2.1 平臺(tái)整體模型

建立羅布雷300型平臺(tái)整體有限元模型［3］，整體坐標(biāo)原點(diǎn)為船體重心位置，x軸方向?yàn)榇w首向，同時(shí)考慮該模型的以下特點(diǎn)：

1）樁腿和導(dǎo)向板的約束，在水平方向?yàn)轳詈霞s束，同時(shí)可釋放垂直方向的自由度。

2）根據(jù)插樁及“試踩”特點(diǎn)，一般1＃樁腿最安全，而平臺(tái)及2＃、3＃樁腿對(duì)稱，因此假設(shè)3＃樁發(fā)生滑移，1＃、2＃樁插樁到一定深度且未發(fā)生滑移。

3）樁靴約束按彈性約進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)滑移樁靴的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度按照SNAME規(guī)范取許可值的1／4，另外2個(gè)樁靴取許可值的1／2，約束剛度系數(shù)按照文獻(xiàn)［4］方法選取。

4）作業(yè)水深為25～88 m，氣隙為0～20 m。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檎惩翆訕堆ゼs束剛度系數(shù)較小，氣隙越大樁腿傾斜對(duì)弦桿的影響越小，因此后期計(jì)算中氣隙按0計(jì)算；但對(duì)于砂土和不排水抗剪切模量較大的粘土，因?yàn)闃堆サ撞考s束較強(qiáng)，氣隙增大時(shí)樁腿傾斜對(duì)弦桿的影響增大，需要按實(shí)際作業(yè)氣隙建模。

5）滑移距離按0～3.5 m試算，滑移方向取與船首0～180°方向，每隔15°計(jì)算一次；樁腿應(yīng)力超過材料彈性極限后停止該工況的試算。

6）考慮樁靴滑移后發(fā)生下沉（滑入樁坑）的情況，下沉量分別按0.5 m和1.5 m對(duì)比計(jì)算。結(jié)果表明樁靴下沉量對(duì)導(dǎo)板壓力影響不大。

7）考慮空船質(zhì)量及漂浮可變載荷。

8）不考慮環(huán)境載荷的影響。

圖3為羅布雷300型平臺(tái)整體有限元模型，分析時(shí)取水深及入泥深度之和為50 m，氣隙為0 m，土體為粘土，不排水抗剪切強(qiáng)度為30 k Pa，滑移距離為2.2 m。

圖3 羅布雷300型平臺(tái)整體有限元模型

2.2 樁腿與導(dǎo)向板接觸區(qū)局部模型

為確定監(jiān)測(cè)的定量指標(biāo)，建立樁腿與導(dǎo)向板接觸區(qū)局部模型。局部模型包括下導(dǎo)板結(jié)構(gòu)及導(dǎo)板以下5 m、導(dǎo)板以上10 m樁腿結(jié)構(gòu)，導(dǎo)板與樁腿接觸部位按接觸建模。

從整體模型中提取模型涉及樁腿部分的位移和轉(zhuǎn)角，施加到局部模型相關(guān)部位，作為樁腿約束的邊界條件，導(dǎo)向板的邊界條件為橫支撐板及肋板末端取全約束。

3 位移監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 位移分析

羅布雷300型平臺(tái)3條樁腿的變形如圖4所示。由圖4可見，當(dāng)平臺(tái)樁靴發(fā)生滑移時(shí)，主要是下導(dǎo)向板以下樁腿發(fā)生傾斜，斜度超過1.5°；如果導(dǎo)板與樁腿的間隙保持為設(shè)計(jì)值，且平臺(tái)保持基本水平，則樁腿在上下導(dǎo)向板之間保持垂直；樁腿在上導(dǎo)向板以上保持了傾斜的趨勢(shì)，但傾斜角只有0.4°左右，所以監(jiān)測(cè)平臺(tái)滑移的方法之一是測(cè)量下導(dǎo)板以下樁腿的變化。以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了樁腿傾斜監(jiān)測(cè)裝置，即在樁靴上部的撐管處設(shè)置了信號(hào)發(fā)射器、信號(hào)反射器和姿態(tài)傳感器，可根據(jù)信號(hào)在水中的發(fā)射、接收的時(shí)間判斷樁腿之間的距離，同時(shí)借助于姿態(tài)傳感器判斷樁腿傾角［5］。利用圖2所示流程分析不同水深樁靴許可滑移距離，結(jié)果如圖5所示。

圖4 羅布雷300型平臺(tái)樁腿偏移角度

圖5 羅布雷300型平臺(tái)不同水深樁靴許可滑移距離

雖然監(jiān)測(cè)平臺(tái)樁靴滑移的位移測(cè)量能夠最直觀地反映插樁過程中是否滑移及滑移量大小，且適合于所有的平臺(tái)類型，但是位移測(cè)量需要復(fù)雜和昂貴的水下測(cè)量和聲波水下傳送設(shè)備，且經(jīng)過初步試驗(yàn)認(rèn)為其水下無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч艿蕉喾N因素的影響不穩(wěn)定，因此該方法的推廣使用將受到一定限制。

3.2 樁腿接觸載荷分析

取不同滑移方向時(shí)羅布雷300型平臺(tái)3條樁腿的9根弦桿在下導(dǎo)向板處的載荷，如圖6所示。模型中假設(shè)3＃樁腿樁靴發(fā)生了滑移，因此3＃樁各弦桿-導(dǎo)向板的接觸載荷最大；計(jì)算得出樁靴向105～135°方向滑移時(shí)導(dǎo)板對(duì)半圓板的壓力最大，這與實(shí)際發(fā)生變形的弦桿是一致的。

圖6 不同滑移方向時(shí)羅布雷300型平臺(tái)樁腿-導(dǎo)向板接觸載荷

3.3 樁腿升降裝置載荷分析

羅布雷300型平臺(tái)的升降裝置為齒輪輪系，為彈性體組合，在平臺(tái)基本設(shè)計(jì)中每套升降裝置承受的載荷是不同的［6］。當(dāng)平臺(tái)承受環(huán)境載荷、作業(yè)載荷或發(fā)生樁靴滑移時(shí)，部分升降裝置承受的載荷可能大于其額定升降載荷，因此需要進(jìn)行各樁腿升降載荷分析。圖7為羅布雷300型平臺(tái)3＃樁腿沿135°方向滑移時(shí)3B弦桿的上、中、下等3套升降裝置的載荷圖，可以看出：當(dāng)滑移距離接近0.8 m時(shí)，該弦桿下部升降裝置的載荷超標(biāo)（為400 kips）；而當(dāng)滑移距離到達(dá)1.5 m時(shí)，該弦桿的3套升降裝置載荷都超標(biāo)，雖然沒有達(dá)到極限升降載荷（為800 kips），但依然可對(duì)電機(jī)、齒輪齒條等造成損傷。因此，在插樁和升降過程中監(jiān)測(cè)每套升降裝置的電流或輸出扭矩，可以在一定程度上預(yù)測(cè)樁靴滑移，及時(shí)采取措施保護(hù)升降裝置和樁腿結(jié)構(gòu)。

圖7 羅布雷300型平臺(tái)3＃樁腿沿135°方向滑移時(shí)升降裝置載荷

4 應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)

4.1 樁腿弦桿與導(dǎo)向板的二維平面應(yīng)變模擬分析

為明確半圓板變形原因，首先建立了羅布雷300型平臺(tái)樁腿弦桿與導(dǎo)向板的二維平面應(yīng)變有限元模型，按接觸模式進(jìn)行模擬。

弦桿半圓板的材料為ASTM 514，其彈性極限取為690 MPa，按雙彈性模式模擬材料的彈塑性。模型中假設(shè)導(dǎo)向板為剛性并對(duì)其施加全約束，在弦桿的齒條板處施加x、y方向載荷，計(jì)算半圓板的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。隨著載荷增大，半圓板發(fā)生局部的塑性變形，如圖8所示。通過對(duì)結(jié)構(gòu)、計(jì)算迭代過程和結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為該羅布雷300型平臺(tái)半圓板變形是結(jié)構(gòu)屈服所致，即樁靴滑移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超載。

圖8 羅布雷300型平臺(tái)樁腿半圓板塑性變形圖

4.2 導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D分析

根據(jù)各工況導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?cè)茍D（圖9）可知，肋板上的應(yīng)變要高于導(dǎo)向板背面的應(yīng)變，在肋板處有應(yīng)變變化較為緩慢的區(qū)域，因此可以通過在肋板貼應(yīng)變片來分辨半圓板的應(yīng)力變化，從而判別導(dǎo)向板對(duì)樁腿的壓力及樁腿傾斜程度。根據(jù)有限元分析，當(dāng)羅布雷300型平臺(tái)導(dǎo)向板兩側(cè)肋板應(yīng)變達(dá)到－0.8×10－3或中間肋板應(yīng)變達(dá)到－0.5×10－3時(shí)樁靴滑移達(dá)到警戒線，此時(shí)應(yīng)停止插樁壓載并采取相應(yīng)措施（現(xiàn)場作業(yè)時(shí)通常采取更保守的控制指標(biāo)）。

圖9 羅布雷300型平臺(tái)導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)束語

海上油田老腳印的存在使得平臺(tái)在附近位置插樁就位時(shí)存在極大的滑移風(fēng)險(xiǎn)，樁靴滑移將嚴(yán)重影響樁腿及平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全，因此“踩腳印”插樁作業(yè)時(shí)應(yīng)采取措施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁靴滑移。通過對(duì)羅布雷300型平臺(tái)“踩腳印”作業(yè)實(shí)施有限元模擬，定量考察樁腿結(jié)構(gòu)的變形、船體上下導(dǎo)向板處的載荷及升降裝置載荷，提出了監(jiān)測(cè)樁靴滑移的位移檢測(cè)和應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)，并給出了定量的判別參數(shù)。目前應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)已在羅布雷300型平臺(tái)取得成功應(yīng)用，并將逐漸推廣到其他能夠安裝應(yīng)變測(cè)量裝置的平臺(tái)。

［1］ HSE（Health and Safety Executive）．Guidelines for jack-up rigs with particular reference for foundation integrity［R］．Research Report 289，2004．

［2］ GAN C T，LEUNG C F，CHOW Y K．A study on spudcan footprint1［R］．6th Southeast Asia Geotechnical Conf．，Kuala Lumpur，2007，735-740．

［3］ 宋林松，王建軍，黎劍波．自升式平臺(tái)壓載量的準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算方法應(yīng)用研究［J］．中國海上油氣，2010，22（3）：193-196．

［4］ 王建軍，宋林松，黎劍波．自升式平臺(tái)作業(yè)適應(yīng)性分析［J］．船舶工程，2010，32（5）：63-66．

［5］ 趙景芳，王建軍，宋林松．一種自升式平臺(tái)樁腿傾斜監(jiān)測(cè)裝置：中國，201120561305．1［P］．2012-08-15．

［6］ SNAME（2002）：Guidelines for site specific assessment of mobile jackup units［R］．T＆R Bulletin 5-5 A，1st Edition-Rev．2，Society of Naval Architects and Marine Engineers，New Jersey．

Real time monitoring method research on jack-up spudcan sliding：a case of RobrayR300 rig

zhao Jingfang
（China Oilfield Services Limited，Hebei，065201）

To mitigate the potential risk of structure damage by spudcan sliding，real time sliding monitoring method is studied．Global finite element model of RobrayR300 rig is constructed to analyze the leg displacement and rotation，loads on the leg-guides and on the elevating gears induced by the sliding．Local models on contact zones of leg-guide are also established to calculate strain distribution on guides when stress on legs reaches its material elastic limit．Accordingly，methodology on displacement monitoring of legs and strain measurement of guides is put forward．The calculation demonstrates the obvious leg tilt under the lower guides，over-high loads on elevating gears and strain smooth transition area on the ribs of the guide，which could be used to invert calculating and provide the monitoring criterions of spudcan sliding．

jack-up；spudcan sliding；leg；guide；displacement measurement；strain measurement；Robray R300 rig

趙景芳，男，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)任中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部副總經(jīng)理，一直從事海洋石油鉆井作業(yè)、管理及技術(shù)研究工作。地址：河北三河市燕郊開發(fā)區(qū)海油大街18號(hào)（郵編：065201）。E-mail：zhaojingf＠cosl．com．cn。

2013-04-21改回日期：2013-06-22

（編輯：葉秋敏）