張 勇，張明飛，張大勇

（1. 中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心，廣東深圳 518067；2. 大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧盤錦 124221）

0 引言

海洋平臺(tái)在服役期間長(zhǎng)期遭受風(fēng)、浪、流等交變載荷作用。隨著服役年限的增加，平臺(tái)節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件處產(chǎn)生疲勞裂紋的可能性愈發(fā)增大。尤其是對(duì)于超期服役的老齡平臺(tái)，裂紋缺陷已經(jīng)是最常見(jiàn)的檢出缺陷之一。如不及時(shí)處理裂紋缺陷，裂紋將在外載荷作用下繼續(xù)擴(kuò)展，甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂問(wèn)題，嚴(yán)重影響平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全[1]。另一方面，海洋結(jié)構(gòu)物修理費(fèi)用高昂，提出合理可行的修理加固方案需要建立在精確評(píng)估平臺(tái)缺陷及修復(fù)效果的基礎(chǔ)之上。因此，如何提出經(jīng)濟(jì)合理，施工簡(jiǎn)單易行的裂紋修復(fù)方案成為各海洋石油作業(yè)者的一個(gè)重要課題，而修復(fù)方案的提出和評(píng)估是其中最核心的技術(shù)環(huán)節(jié)。

1 概況

本文研究對(duì)象為南海東部海域某平臺(tái)，該平臺(tái)于1995年服役，設(shè)計(jì)壽命10年，目前已屬于超期服役狀態(tài)，該平臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1，平臺(tái)SACS 3D力學(xué)模型圖參見(jiàn)圖1a)。

表1 南海東部海域某平臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

a) 目標(biāo)平臺(tái)SACS 3D模型圖

2018年，在針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行的例行檢驗(yàn)過(guò)程中，檢測(cè)方發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)(+) 12.5ft水平層主管節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)編號(hào)：N707，N701，N705，N703）處存在大量裂紋缺陷（見(jiàn)圖1b)～d)）。

圖1 目標(biāo)導(dǎo)管架平臺(tái)模型及缺陷檢出示意

此次發(fā)現(xiàn)的裂紋多數(shù)位于該水平層導(dǎo)管架腿柱主節(jié)點(diǎn)處，撐桿側(cè)及弦桿側(cè)均有發(fā)現(xiàn)。其中多數(shù)裂紋尺寸較小，裂紋深度在1 mm～3 mm，已經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)打磨消除處理完畢，但仍有部分裂紋尺寸較大，深度較深，無(wú)法通過(guò)打磨處理。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，剩余未處理的部分裂紋缺陷見(jiàn)表2。

表2 未消除裂紋統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，該平臺(tái)剩余未處理的裂紋缺陷大多位于N703節(jié)點(diǎn)，其中，最大裂紋尺寸為29 mm ×8.2 mm。因此，后續(xù)修復(fù)方案的提出和評(píng)估分析也基于該現(xiàn)狀進(jìn)行。

2 修復(fù)方案

API RP 2SIM 《海上固定式平臺(tái)完整性管理推薦作法》[3]從平臺(tái)完整性管理的角度對(duì)在役平臺(tái)總結(jié)出了一系列常用的修復(fù)建議，國(guó)內(nèi)其他文獻(xiàn)如參考文獻(xiàn)[2]等也有提及實(shí)際導(dǎo)管架缺陷損傷修復(fù)案例。本文從該作法推薦的修復(fù)方法出發(fā)，用幾種常用的修復(fù)方案對(duì)本平臺(tái)的適用性做了對(duì)比分析，對(duì)比分析結(jié)果如表3所示。

表3 導(dǎo)管架常見(jiàn)修復(fù)方案對(duì)該平臺(tái)的適用性對(duì)比分析

根據(jù)表3對(duì)比分析結(jié)果，選擇缺陷區(qū)域局部修復(fù)策略進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)，最終選擇的設(shè)計(jì)方案是，在出現(xiàn)裂紋的水平層撐桿節(jié)點(diǎn)處增加8個(gè)小短節(jié)，從而提高局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，該方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 修復(fù)方案評(píng)估

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)海洋平臺(tái)的修復(fù)評(píng)估并未形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和做法，本文參考《海上固定式平臺(tái)完整性管理推薦作法》[3]以及目前國(guó)內(nèi)在役海洋平臺(tái)的通用評(píng)估方法，提出評(píng)估思路如下：

1）分析修復(fù)后導(dǎo)管架整體強(qiáng)度水平，確保導(dǎo)管架整體仍處于相對(duì)安全的服役狀態(tài)；

2）對(duì)局部修復(fù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部強(qiáng)度有限元分析以及疲勞分析確保修復(fù)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度及疲勞壽命滿足使用要求；

圖2 節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)修復(fù)設(shè)計(jì)

3）導(dǎo)管架整體結(jié)構(gòu)非線性極限強(qiáng)度分析，論證修復(fù)后平臺(tái)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性抵抗外載荷，不會(huì)發(fā)生倒塌。

3.1 導(dǎo)管架整體強(qiáng)度水平分析

利用SACS建立目標(biāo)平臺(tái)整體分析模型（見(jiàn)圖1b)）。出于保守考慮，對(duì)加強(qiáng)短節(jié)與現(xiàn)有撐桿組成的復(fù)合截面簡(jiǎn)化處理，如圖3所示，不考慮加強(qiáng)短節(jié)與現(xiàn)有撐桿之間的截面積對(duì)復(fù)合截面截面模量等的貢獻(xiàn)。從圖3可以看出，修復(fù)后該復(fù)合截面的整體剛度依然大于修復(fù)前的撐桿剛度。

圖3 簡(jiǎn)化的復(fù)合截面

對(duì)節(jié)點(diǎn)修復(fù)前后進(jìn)行平臺(tái)整體強(qiáng)度分析，考慮了2類工況：1年一遇操作工況以及100年一遇極端條件。桿件及該水平層節(jié)點(diǎn)沖剪結(jié)果如表4和表5所示。

以上結(jié)果表明，修復(fù)前后桿件與節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力比接近，這主要是因?yàn)樵擁?xiàng)目中選用的局部加強(qiáng)修復(fù)方案對(duì)結(jié)構(gòu)整體影響較小，平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部載荷傳遞路徑并沒(méi)有發(fā)生大的變化。

表4 桿件沖剪校核

表5 節(jié)點(diǎn)沖剪校核

3.2 修復(fù)節(jié)點(diǎn)局部強(qiáng)度有限元分析

為更精確地考察修復(fù)節(jié)點(diǎn)的局部應(yīng)力水平，采用有限元軟件ANSYS對(duì)節(jié)點(diǎn)局部進(jìn)行了有限元分析，由于N703節(jié)點(diǎn)殘余裂紋較多，因此，有限元分析主要針對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，力學(xué)模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。

圖4 N703節(jié)點(diǎn)ANSYS有限元模型及網(wǎng)格劃分

提取SACS模型計(jì)算結(jié)果100年一遇分析工況的力學(xué)邊界條件對(duì)該節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行局部分析，有限元應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 N703節(jié)點(diǎn)ANSYS有限元應(yīng)力分析結(jié)果

結(jié)果表明，在100年一遇極端工況下，修復(fù)節(jié)點(diǎn)局部等效應(yīng)力超過(guò)了屈服極限，這一現(xiàn)象主要是由于模型局部網(wǎng)格奇異所致，修復(fù)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平控制在280 MPa以下，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 管節(jié)點(diǎn)疲勞分析

為考察修復(fù)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命以及修復(fù)節(jié)點(diǎn)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的服役適用性，本文利用SACS軟件進(jìn)一步分析了修復(fù)前后該水平層節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，分析結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，修復(fù)后節(jié)點(diǎn)疲勞壽命顯著提升，該方案修復(fù)效果明顯。

表6 節(jié)點(diǎn)疲勞分析結(jié)果

3.4 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)整體非線性極限強(qiáng)度倒塌分析

裂紋擴(kuò)展分析表明未處理的裂紋在平臺(tái)未來(lái)服役過(guò)程中可能發(fā)生擴(kuò)展，非線性極限強(qiáng)度分析的目的在于證明平臺(tái)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性抵抗外載荷，通常采用平臺(tái)的極限承載能力可由儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)（RSR）來(lái)表達(dá)，儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)（RSR）的定義如下：

在考慮裂紋擴(kuò)展的情況下，本文利用SACS對(duì)平臺(tái)整體進(jìn)行了導(dǎo)管架整體非線性極限強(qiáng)度分析，分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)分析結(jié)果

倒塌分析結(jié)果表明，該平臺(tái)整體儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)均大于1.5，滿足使用要求。

4 結(jié)論

針對(duì)南海東部某平臺(tái)飛濺區(qū)水平層管節(jié)點(diǎn)檢出的裂紋缺陷，本文提出了一種可行的修復(fù)方案，并對(duì)該修復(fù)方案進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算分析，分析過(guò)程中考慮了平臺(tái)整體強(qiáng)度和疲勞、平臺(tái)極限強(qiáng)度等。通過(guò)本文分析，可以得出如下結(jié)論：

1）本文基于API RP 2SIM分析對(duì)比了不同修復(fù)方案對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的修復(fù)效果，提出了一種適合目標(biāo)平臺(tái)的修復(fù)方案，并針對(duì)該修復(fù)方案提出了修復(fù)后效果評(píng)估方法。評(píng)估分析結(jié)果表明，經(jīng)修復(fù)后，目標(biāo)平臺(tái)能夠滿足未來(lái)一定年限內(nèi)的生產(chǎn)和鉆修井服務(wù)需求。

2）本文提出的評(píng)估老齡平臺(tái)裂紋缺陷及修復(fù)的方法已成功應(yīng)用于南海東部某平臺(tái)實(shí)際工作修復(fù)作業(yè)中，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3）隨著國(guó)內(nèi)海上平臺(tái)逐漸步入老齡化，本文的方法為國(guó)內(nèi)其他平臺(tái)提供了一套可行的修復(fù)理論和分析工具，可以起到借鑒作用。