自升式钻井平台桩腿弦管修复分析

陈若泰，李子凡

(招商局邮轮制造有限公司，江苏 南通 226116)

随着对沿海及近海海洋的不断开发利用，越来越多的自升式钻井平台(以下简称平台)和风电安装平台相继投入使用，用于近海以及沿海石油钻井勘探、风电安装以及拆卸维修服务。平台由主体结构、桩腿和桩靴组成。平台桩腿是一种柱形或桁架式结构，其借助电动机械、液压机械或电动与液压相结合的机械，与平台主体结构做预定相对运动，桩腿可插入海床并将平台主体结构抬出海面到一定高度。三角形桁架式桩腿由齿条板弦管、斜撑管、水平横撑管以及跨距间撑管组成。由于三角形桁架式桩腿的结构重量轻，抬升设备布置比较合理，目前建造的很多平台采用三角形桩腿。

平台在下放或拔起桩腿以及升起或下降主体结构过程中，容易受到海底岩石、淤泥冲击以及海洋洋流的影响，操作不当的情况下，桩靴底部承受瞬间集中载荷过大会使桩腿结构应力超过材料屈服应力而产生塑性变形，导致桩腿发生穿刺事故[1]，桩腿屈曲变形甚至断裂，使平台主船体结构受损。桩腿齿条板弦管、横撑管或斜撑管出现变形或断裂需要维修更换时，首先要现场测量桩腿弦管变形或断裂位置的变形数据，还要通过现场测量变形数据进行有限元模拟计算。由于三角形桁架桩腿结构每根撑管是互相支撑受力，不确定桩腿变形或断裂的地方是否会对其他相邻斜撑管产生影响，要通过现场测量变形数据与有限元模拟计算结果，来判断是否需要更换已经变形的斜撑管以及相关联的支撑管。

1 桩腿受损位置及变形描述

平台进厂后，首先对桩腿、桩靴结构表面进行冲洗，检查是否出现焊接裂纹，核实桩腿受损变形的位置，然后进行变形测量[2]。桩腿损伤位置示意图见图1。测量桩腿斜管弯曲变形量采用的方法是拉钢丝测量平面。钢丝两端固定在受损变形的桩腿斜管或弦管的端部，拉成一条直线，钢丝与斜撑管之间的最大垂直距离就是该桩腿管的变形量。经过现场勘查测量，JU2000E型自升式钻井平台3号桩腿受损地方有2处。①位置一。位于高度123.5 m处、第15横档(Bay15)，距离船中内弦管连接处端部约3 m，L-R面内横撑管有向内侧凹约90 mm的最大弯曲变形量。②位置二。位于第16～17横档(Bay16～Bay17)之间，高度132.0 m处，O-R面斜撑距离主弦管连接处端部约3 m处，最大弯曲变形量约为170 mm。

2 桩腿模型和边界条件

根据桩腿结构平面图提供的尺寸，采用Genie计算软件进行有限元分析。模型中所有桩腿结构均采用杆单元模拟。鉴于齿条板主弦管形状的复杂性，对于2个半圆管和齿条板焊接组成的主弦管部分结构进行了计算简化，仅建立了齿条板根部，忽略了咬合齿牙结构，由于齿牙面积较小，因此这种简化对于整个半圆管和齿条板的刚度不会产生大的影响。将齿条板和2个半圆管合并在一起进行剖面模数等效，其中，内弦管和齿条板合并后的剖面模数等效为圆管D620×56， 外弦管和齿条板合并后剖面模数等效为圆管D620×36。考虑到损伤位置以上的桩腿结构才会影响分析结果，所以建立的三维模型范围是从第13横档(Bay13)至桩腿顶端，桩腿有限元模型见图2。其中桩腿结构材料的弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，桩腿各结构尺寸及屈服应力见表1。

图2 桩腿有限元模型

表1 桩腿各结构尺寸及屈服应力

根据现场测量数据，斜撑管变形发生在Bay15～Bay17之间，为了简化计算，认为模型底部的桩腿变形量为0。因此，模型底部边界处采用固定约束条件，桩腿顶端可以不约束，为自由状态。

3 载荷情况

根据现场测量结果，R-L面内约123.5 m处的水平横撑向内侧凹陷90 mm。R-O面约132 m处的斜撑向下凹陷约170 mm。根据其变形分布情况，在横撑管变形最大的位置施加点载荷，载荷大小需经过多次尝试，最终使横撑管变形达到90 mm状态。在斜撑管变形位置分别施加位移及点载荷，使其变形量达到170 mm状态。具体处理措施为：首先对斜撑施加点载荷使得齿条板弦管变形量基本符合实际变形量，这个过程是一个弹性变形过程；然后在此基础上对斜撑管进行位移加载，加载方向同斜撑管实际变形方向一致，这个过程通过局部坐标系控制，此时斜撑管的变形是塑性变形过程，这个过程对于桩腿弦管和齿条板的变形影响极小，也满足于桩腿实际工作状态下的受力环境。通过这两步的处理，最终既实现了桩腿弦管变形预制，又满足了斜撑管的变形要求。

4 变形结果和杆件分析

经过加载，计算得到所有损伤位置的变形量和现场实际测量数据近似。校核标准按照计算软件Genie中对于杆件的屈曲API WSD 2005《Working stress design》规范进行校核，采用UC值表示构件的参与度。UC值大于1时，认为结构失效，需要更换已产生塑性变形的杆件，而与之相连接的杆件也可能发生屈曲，产生永久或不可恢复的破坏，残存较大的内应力，也需进行更换。经计算，损伤的水平横撑管的UC值为3.54，与之相连的2根跨距间撑管的UC值分别为9.01和12.05，受损伤的斜撑管UC值为4.32，UC值均大于1，需要进行割除并更换；其他杆件的UC值均小于1，满足规范要求，理论上不需更换。

5 弦管切割方案及整体结构的影响分析

经过现场勘查测量，JU2000E型自升式钻井平台3#桩腿变形、受损高度主要在120～140 m区间，靠近桩腿顶部，受损区域以上的主弦管结构重量比较轻。目前，平台有部分桩靴已经入泥，对平台稳定性有利，受风浪影响比较小，桩腿基本没有晃动，桩腿不会产生额外压弯力矩，而且变形斜管较分散，跨距较小，综合评估认为可以同时切割更换撑管。采取先割除最大变形撑管的原则，首先在软件中模拟割除Bay16～Bay17的O-R面处变形的斜撑管，割除斜撑管后模型示意图见图3。经计算，主弦管变形回复至3mm，损伤的水平横撑管的UC值为3.53，与之相连的2根跨距间撑管的UC值分别为8.33和9.42，桩腿结构的UC值较割除前整体变小。说明了这根斜撑管已经产生了塑性变形，割除变形的斜撑管对整个桩腿结构有利。

继续在软件中模拟割除Bay15的L-R跨距间撑管及水平横撑管，割除横撑管及间撑管后模型示意图见图4，经计算，桩腿主弦管的变形有所减小，割除后主弦管的最大变形回复为2.7 mm，水平横撑管和跨距间撑管的最大变形为5.2 mm，斜撑管的最大变形为17 mm，且其他所有杆件的UC值均小于1.00、最大值为0.09。受损杆件割除前后数据对比见表2。说明将变形的横撑管以及与之相连的间撑管割除后，不仅对弦管的变形回复有所帮助，而且对桩腿整体结构的强度影响很小[3]。

图3 割除斜撑管后模型示意图

图4 割除横撑管及间撑管后模型示意图

表2 受损杆件割除前后数据对比

6 结束语

本文采用有限元分析方法，通过适当的加载来模拟受损构件的变形，对桩腿结构进行分析，发现横撑管、斜撑管发生变形以及与横撑管相连的跨距间撑管已经屈曲，产生了塑性变形，需要切割更换。而其他构件虽有变形，但仍然满足规范的要求，属于弹性变形，不需要更换。

通过分析割换弦管对整体结构的影响，得知在齿条板弦管不发生塑性变形的前提下，切割并更换发生较大变形的支撑管的修复方法是可行的，基本能够实现齿条板弦管以及各个支撑管变形的恢复。