程偉俊

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 廊坊 065201)

自升式鉆井平臺是指具有活動樁腿，且其主體能沿著支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進(jìn)行作業(yè)，并能將主體降回海面和回收樁腿的鉆井平臺[1]。目前，自升式鉆井平臺的數(shù)量占各類型的鉆井平臺總數(shù)量的70%。自升式鉆井平臺在就位時(shí)，由于海底地質(zhì)條件探摸不準(zhǔn)，偶爾會發(fā)生穿刺、劈腿等事故。發(fā)生此類事故，不但威脅平臺上工作人員的生命安全，而且樁腿和船體結(jié)構(gòu)也會發(fā)生嚴(yán)重的損壞，甚至報(bào)廢。安全、高效、高精度的進(jìn)行樁腿結(jié)構(gòu)修復(fù)，一直以來受到船東、設(shè)計(jì)單位、船檢等的關(guān)注。

近年來，自升式平臺穿刺事故多發(fā)，導(dǎo)致樁腿和固樁區(qū)受損，而對樁腿和固樁區(qū)的維修必須進(jìn)船廠修理，根據(jù)受損程度不同，費(fèi)用少則幾百萬美元，高的甚至達(dá)到幾千萬美元。此類修理項(xiàng)目的施工周期不受控，影響平臺正常的作業(yè)計(jì)劃，造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億記。此外，修復(fù)時(shí)部分損壞撐管須割除換新，樁腿的變形情況不明確，若換新后樁腿沒達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求，也不能滿足作業(yè)要求。因此，研究高效、可行、精確的自升式平臺樁腿修復(fù)方案，具有重要的指導(dǎo)意義。

趙廣景[2]深入研究了自升式鉆井平臺樁腿齒條磨損及裂紋的修補(bǔ)工藝，黎劍波[3-4]研究了自升式鉆井平臺樁靴裂紋分析、處理及修復(fù)和壓載穿刺對鉆井平臺結(jié)構(gòu)的影響及處置方案，張傳信[5]等也深入研究了自升式鉆井平臺樁腿齒條焊縫裂紋的修復(fù)，李軍[6]介紹了自升式移動鉆井平臺齒條修復(fù)案例。

1 樁腿受損情況

某自升式鉆井平臺就位時(shí)，1號樁腿發(fā)生穿刺，在高度105 m 處，A-B 面斜撐管(D298.5 mm×25 mm)經(jīng)測量距離主弦管連接處端部約3 m處最大變形約132 mm。在高度位置約107 m處，A-C 面內(nèi)2條斜撐管連接交叉點(diǎn)有擠扁和裂紋，斜撐管無明顯變形。

2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)變形分析

依據(jù)平臺樁腿平面圖紙采用Genie軟件進(jìn)行三維建模。模型中所有結(jié)構(gòu)均采用桿件模擬。鑒于齒輪的復(fù)雜性，建模對于半圓管和齒輪部分進(jìn)行了簡化。僅將齒根和半圓管聯(lián)系在一起進(jìn)行剖面模數(shù)等效。其中內(nèi)弦管和齒輪等效為D650.0 mm×63 mm，外弦管和齒輪等效為D650.0 mm×42 mm。考慮到上部結(jié)構(gòu)對變形結(jié)構(gòu)的影響，模型范圍從BAY18(98.7 m)至樁腿頂端，B-C面與Y軸平行，具體1號樁腿內(nèi)外弦管分布、模型和坐標(biāo)分布如圖1所示。

圖1 樁腿編號及內(nèi)外弦管示意圖

結(jié)構(gòu)材料詳情如下。內(nèi)弦管：D650.0 mm×63 mm，屈服應(yīng)力為690 MPa；外弦管：D650.0 mm×42 mm ，屈服應(yīng)力為690 MPa；斜撐管：D298.5 mm×25 mm，屈服應(yīng)力為690 MPa；斜拉筋：D152.4 mm×10 mm，屈服應(yīng)力為460 MPa。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，斜撐管變形和交叉點(diǎn)裂紋發(fā)生在BAY20 之間。因此可認(rèn)為距這個(gè)區(qū)域下方約12 m處的變形為0。因此在模型邊界采用固定約束條件，即(0,0,0,0,0,0)，頂端為自由狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)場觀察和測量，A-B 面內(nèi)約105 m處的斜撐變形為132.0 mm，且變形方向朝上和朝內(nèi)(三角形面)。根據(jù)其變形分布，在變形最大處加載荷嘗試讓斜撐管變形，斜撐管變形約132.0 mm。

通過加載得到105 m處A-B 面內(nèi)斜撐管最大變形約為132.4 mm。根據(jù)模型顯示，因斜撐管變形引起的斜拉筋最大變形為39.0 mm，引起弦管最大變形為20.2 mm，位于B弦管。計(jì)算軟件中對于桿件的屈曲采用APIWSD 2005 規(guī)范進(jìn)行校核，得出變形最大的斜撐管和相連的2根斜拉筋的UC 值大于1.0，說明這3根桿件已被破壞，建議割換,其他桿件UC 值仍滿足規(guī)范條件。

3 割換方案及整體結(jié)構(gòu)的影響分析

通過上述分析可知，A-B 面內(nèi)的斜撐管變形引起的影響較大，需要割換。A-C面的交叉點(diǎn)裂紋已經(jīng)失效，也同樣需要割換。采取先割除最大變形斜撐的原則，割換方案如下：因A-C面內(nèi)的變形小，先考慮割除A-B 面內(nèi)105 m處最大變形斜撐。當(dāng)A-B內(nèi)斜撐割除和換新完成后，再割除A-C內(nèi)交叉點(diǎn)裂紋斜撐，切割長度分別為距交叉點(diǎn)約1 m。

割除A-B面內(nèi)的受損桿件時(shí)，先割除A-B 面內(nèi)105 m 處最大變形斜撐，再割除相應(yīng)地受損斜拉筋。將A-B 面內(nèi)的受損桿件割除后，經(jīng)過計(jì)算得出弦管的變形有所恢復(fù)。受損桿件割除后弦管的最大變形為2.7 mm，斜拉筋的最大變形為3.0 mm，斜撐管的最大變形為2.9 mm；割除后其他所有桿件的UC值均小于1.0，最大值僅為0.04，說明將變形斜撐割除后，不僅對弦管的變形恢復(fù)有所幫助，而且對整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響很小。

A-C 面內(nèi)受損桿件的割除和更換是在A-B面內(nèi)受損桿件割換完成后進(jìn)行。A-C面內(nèi)BAY20區(qū)域內(nèi)的交叉點(diǎn)裂紋需要割換。將A-C 面內(nèi)割除受損桿件后弦管的最大變形為2.8 mm，斜拉筋的最大變形為21.0 mm，斜撐管的最大變形為4.4 mm，割除后其他所有桿件的UC值均小于1.0，最大值為0.11。說明將變形斜撐和受損斜撐割除，對整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響很小。

4 施工結(jié)果測量

為了樁腿在割換過程中不出現(xiàn)新的變形失穩(wěn)，按以上分析，分2批進(jìn)行割換，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析出A-C 面變形較小，A-B 面變形相對較大，按照先釋放應(yīng)力較大的約束原則，第1批先把A-B 面變形的斜撐管進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后把塑性變形的斜撐管進(jìn)行割換，完成焊接報(bào)驗(yàn)。第2批對A-C面有裂紋的斜撐管進(jìn)行割裝，完成焊接。如圖2和圖3所示。

圖2 A-B面割換位置示意圖

圖3 A-C面割換位置示意圖

平臺樁腿的每一根主弦管由上下2組耐磨板起限位作用，平臺能否順利升降，就取決于每一根樁腿主弦管能否順利通過上下耐磨板的限位位置。從平臺的原始圖紙發(fā)現(xiàn)每根樁腿相同高度處的主弦管齒條板中心距滿足設(shè)計(jì)要求(12 000 mm)，樁腿就可以自由通過上下耐磨板限位位置，即平臺可以順利升降。由于樁腿主弦管齒條中心距不便于測量，經(jīng)分析齒條和耐磨板的配合節(jié)點(diǎn)圖后，改為測量相鄰兩根主弦管上齒條的齒根距離。外齒根距及其允許變形值示意圖如圖4所示。

由于樁腿A-B面斜撐管變形和A-C面舷管裂紋失效，引起舷管部分區(qū)域外齒根距變形超過允許的18 mm，利用上述數(shù)值分析方法指導(dǎo)分批次施工步驟，經(jīng)現(xiàn)場測量，修復(fù)前后樁腿舷管的測量數(shù)據(jù)如表1所示，說明修復(fù)后的樁腿完全滿足平臺原始設(shè)計(jì)精度。樁腿修復(fù)后，平臺進(jìn)行了全程的升降試驗(yàn)，在修復(fù)區(qū)域升降平穩(wěn)，達(dá)到預(yù)期修復(fù)效果。

圖4 外齒根距及允許變形值示意圖

表1 1號樁腿測量數(shù)據(jù)對比表mm