自升式鉆井平臺樁腿弦管修復分析

陳若泰，李子凡

(招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226116)

隨著對沿海及近海海洋的不斷開發利用，越來越多的自升式鉆井平臺(以下簡稱平臺)和風電安裝平臺相繼投入使用，用于近海以及沿海石油鉆井勘探、風電安裝以及拆卸維修服務。平臺由主體結構、樁腿和樁靴組成。平臺樁腿是一種柱形或桁架式結構，其借助電動機械、液壓機械或電動與液壓相結合的機械，與平臺主體結構做預定相對運動，樁腿可插入海床并將平臺主體結構抬出海面到一定高度。三角形桁架式樁腿由齒條板弦管、斜撐管、水平橫撐管以及跨距間撐管組成。由于三角形桁架式樁腿的結構重量輕，抬升設備布置比較合理，目前建造的很多平臺采用三角形樁腿。

平臺在下放或拔起樁腿以及升起或下降主體結構過程中，容易受到海底巖石、淤泥沖擊以及海洋洋流的影響，操作不當的情況下，樁靴底部承受瞬間集中載荷過大會使樁腿結構應力超過材料屈服應力而產生塑性變形，導致樁腿發生穿刺事故[1]，樁腿屈曲變形甚至斷裂，使平臺主船體結構受損。樁腿齒條板弦管、橫撐管或斜撐管出現變形或斷裂需要維修更換時，首先要現場測量樁腿弦管變形或斷裂位置的變形數據，還要通過現場測量變形數據進行有限元模擬計算。由于三角形桁架樁腿結構每根撐管是互相支撐受力，不確定樁腿變形或斷裂的地方是否會對其他相鄰斜撐管產生影響，要通過現場測量變形數據與有限元模擬計算結果，來判斷是否需要更換已經變形的斜撐管以及相關聯的支撐管。

1 樁腿受損位置及變形描述

平臺進廠后，首先對樁腿、樁靴結構表面進行沖洗，檢查是否出現焊接裂紋，核實樁腿受損變形的位置，然后進行變形測量[2]。樁腿損傷位置示意圖見圖1。測量樁腿斜管彎曲變形量采用的方法是拉鋼絲測量平面。鋼絲兩端固定在受損變形的樁腿斜管或弦管的端部，拉成一條直線，鋼絲與斜撐管之間的最大垂直距離就是該樁腿管的變形量。經過現場勘查測量，JU2000E型自升式鉆井平臺3號樁腿受損地方有2處。①位置一。位于高度123.5 m處、第15橫檔(Bay15)，距離船中內弦管連接處端部約3 m，L-R面內橫撐管有向內側凹約90 mm的最大彎曲變形量。②位置二。位于第16～17橫檔(Bay16～Bay17)之間，高度132.0 m處，O-R面斜撐距離主弦管連接處端部約3 m處，最大彎曲變形量約為170 mm。

2 樁腿模型和邊界條件

根據樁腿結構平面圖提供的尺寸，采用Genie計算軟件進行有限元分析。模型中所有樁腿結構均采用桿單元模擬。鑒于齒條板主弦管形狀的復雜性，對于2個半圓管和齒條板焊接組成的主弦管部分結構進行了計算簡化，僅建立了齒條板根部，忽略了咬合齒牙結構，由于齒牙面積較小，因此這種簡化對于整個半圓管和齒條板的剛度不會產生大的影響。將齒條板和2個半圓管合并在一起進行剖面模數等效，其中，內弦管和齒條板合并后的剖面模數等效為圓管D620×56， 外弦管和齒條板合并后剖面模數等效為圓管D620×36。考慮到損傷位置以上的樁腿結構才會影響分析結果，所以建立的三維模型范圍是從第13橫檔(Bay13)至樁腿頂端，樁腿有限元模型見圖2。其中樁腿結構材料的彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，樁腿各結構尺寸及屈服應力見表1。

圖2 樁腿有限元模型

表1 樁腿各結構尺寸及屈服應力

根據現場測量數據，斜撐管變形發生在Bay15～Bay17之間，為了簡化計算，認為模型底部的樁腿變形量為0。因此，模型底部邊界處采用固定約束條件，樁腿頂端可以不約束，為自由狀態。

3 載荷情況

根據現場測量結果，R-L面內約123.5 m處的水平橫撐向內側凹陷90 mm。R-O面約132 m處的斜撐向下凹陷約170 mm。根據其變形分布情況，在橫撐管變形最大的位置施加點載荷，載荷大小需經過多次嘗試，最終使橫撐管變形達到90 mm狀態。在斜撐管變形位置分別施加位移及點載荷，使其變形量達到170 mm狀態。具體處理措施為：首先對斜撐施加點載荷使得齒條板弦管變形量基本符合實際變形量，這個過程是一個彈性變形過程；然后在此基礎上對斜撐管進行位移加載，加載方向同斜撐管實際變形方向一致，這個過程通過局部坐標系控制，此時斜撐管的變形是塑性變形過程，這個過程對于樁腿弦管和齒條板的變形影響極小，也滿足于樁腿實際工作狀態下的受力環境。通過這兩步的處理，最終既實現了樁腿弦管變形預制，又滿足了斜撐管的變形要求。

4 變形結果和桿件分析

經過加載，計算得到所有損傷位置的變形量和現場實際測量數據近似。校核標準按照計算軟件Genie中對于桿件的屈曲API WSD 2005《Working stress design》規范進行校核，采用UC值表示構件的參與度。UC值大于1時，認為結構失效，需要更換已產生塑性變形的桿件，而與之相連接的桿件也可能發生屈曲，產生永久或不可恢復的破壞，殘存較大的內應力，也需進行更換。經計算，損傷的水平橫撐管的UC值為3.54，與之相連的2根跨距間撐管的UC值分別為9.01和12.05，受損傷的斜撐管UC值為4.32，UC值均大于1，需要進行割除并更換；其他桿件的UC值均小于1，滿足規范要求，理論上不需更換。

5 弦管切割方案及整體結構的影響分析

經過現場勘查測量，JU2000E型自升式鉆井平臺3#樁腿變形、受損高度主要在120～140 m區間，靠近樁腿頂部，受損區域以上的主弦管結構重量比較輕。目前，平臺有部分樁靴已經入泥，對平臺穩定性有利，受風浪影響比較小，樁腿基本沒有晃動，樁腿不會產生額外壓彎力矩，而且變形斜管較分散，跨距較小，綜合評估認為可以同時切割更換撐管。采取先割除最大變形撐管的原則，首先在軟件中模擬割除Bay16～Bay17的O-R面處變形的斜撐管，割除斜撐管后模型示意圖見圖3。經計算，主弦管變形回復至3mm，損傷的水平橫撐管的UC值為3.53，與之相連的2根跨距間撐管的UC值分別為8.33和9.42，樁腿結構的UC值較割除前整體變小。說明了這根斜撐管已經產生了塑性變形，割除變形的斜撐管對整個樁腿結構有利。

繼續在軟件中模擬割除Bay15的L-R跨距間撐管及水平橫撐管，割除橫撐管及間撐管后模型示意圖見圖4，經計算，樁腿主弦管的變形有所減小，割除后主弦管的最大變形回復為2.7 mm，水平橫撐管和跨距間撐管的最大變形為5.2 mm，斜撐管的最大變形為17 mm，且其他所有桿件的UC值均小于1.00、最大值為0.09。受損桿件割除前后數據對比見表2。說明將變形的橫撐管以及與之相連的間撐管割除后，不僅對弦管的變形回復有所幫助，而且對樁腿整體結構的強度影響很小[3]。

圖3 割除斜撐管后模型示意圖

圖4 割除橫撐管及間撐管后模型示意圖

表2 受損桿件割除前后數據對比

6 結束語

本文采用有限元分析方法，通過適當的加載來模擬受損構件的變形，對樁腿結構進行分析，發現橫撐管、斜撐管發生變形以及與橫撐管相連的跨距間撐管已經屈曲，產生了塑性變形，需要切割更換。而其他構件雖有變形，但仍然滿足規范的要求，屬于彈性變形，不需要更換。

通過分析割換弦管對整體結構的影響，得知在齒條板弦管不發生塑性變形的前提下，切割并更換發生較大變形的支撐管的修復方法是可行的，基本能夠實現齒條板弦管以及各個支撐管變形的恢復。