自升式钻井平台桩靴裂纹分析、处理及修复研究

黎剑波

(中海油田服务股份有限公司，河北燕郊 065200)

自升式钻井平台桩靴裂纹分析、处理及修复研究

黎剑波

(中海油田服务股份有限公司，河北燕郊 065200)

桩靴是自升式平台的重要组成部分，主要作用是支撑整个平台，将平台所受的载荷传递到海床。一旦桩靴失效，将导致桩腿下沉，平台无法保持水平。文章利用有限元方法研究了自升式平台桩靴在出现裂纹后的应力水平，并研究相关的应对措施与修复方法。

自升式平台;桩靴;裂纹;有限元分析

1 裂纹的发现和修理尝试

某平台建造于1976年，截至裂纹发现时已经营运32年。2008年初进行水下检验发现裂纹，其中500～1 000 mm长度的裂纹多达14处、1 000 mm以上为9处。经过初步修复尝试后，情况反而向更加恶劣的方向发展。由于该平台属于在水下检验时发现的裂纹，其桩靴外表面处于海水包围之中，将桩靴内部海水抽空后才能进行桩靴内结构探伤。虽然发现的裂纹并没有直接处于海水中，但由于钢结构非常优良的导热性能，桩靴内裂纹根本无法进行常规焊接工艺前的预热，如果强行加热，由于受热面和关联结构的温度梯度加大，将直接导致裂纹明显扩展。

在当前修理工艺与条件的情况下分析，如果继续尝试很可能导致更加恶劣的效果，因此工程师们做出了暂停修理的决定，从技术层面上明确了只有在该平台进入干坞后才有可能具备全面修理的前提。而纵观2008年整个中国海域沿岸，适合该平台使用的干坞，都已经没有了坞期。

如果不进行修复，钻井平台停止作业会造成巨大的经济损失，而要决定让该平台继续到海上进行运行则面临着更加巨大的安全风险。如何抉择成了工程师们的重大挑战。

经过当时项目参与各方资深技术和管理人员进行的多次讨论和思考，以及各方高层的协调，仍然无法定下结论。为了尽快拿出相应支持决策的数据，工程技术人员考虑了多种备选方案，包括:制作可以在码头将自升式钻井平台桩靴提离水面的水中坞墩，搜索国内最先进的激光焊接技术、最先进的无损探伤技术，搜索周边合适船坞等方案。但这些方案均无法达到马上修复裂纹的效果。

传统的无损探伤技术包括磁粉、超声波、射线3大类［1］，磁粉探伤主要探测钢结构的表面裂纹，超声波和射线类技术能探测到钢结构内部的缺陷，比如气孔夹渣等缺陷。但是这3种技术均无法探测到裂纹究竟有多深，无法判断裂纹是否已经完全穿透。此时，一个最先进的无损探测新技术:涡流检测技术和相控阵检测技术，进入了工程技术人员的视野。通过对涡流检测技术和相控阵检测技术的原理与可实现性进行深入的研究，加之工程师们对该平台的桩靴结构已经非常熟悉，工程师们做出了一个大胆而又谨慎的应对方案:首先利用最新技术对裂纹深度进行无损探测，判断其裂纹深度，对裂纹的形式进行分析。其次利用获得的裂纹深度数据，对桩靴存在裂纹情况下的应力进行分析，掌握存在裂纹的位置及其周边的应力情况。最后，根据应力情况判断，制定临时的预防措施，尽最大可能降低真实应力，同时制定定期检查裂纹深度和长度发展的计划。如果裂纹深度和应力允许，则可以考虑在有严格限定条件和紧密跟踪的情况下进行操作。

2 裂纹深度的探测

这项新技术的名称为涡流检测技术和相控阵检测技术，该技术的主要原理是:利用由很多小探头线圈按特定的结构类型密布在敞开 (或封闭)的平面或曲面上构成的阵列组成的特种探头，采用电子学的方法按照设定的逻辑程序，对阵列单元分时切换，将各单元获取的涡流响应信号接入仪器的信号处理系统中去，完成一个阵列的巡回检测。相控阵涡流探头的一次检测过程相当于传统的单个涡流探头 (ECP)对部件受检面 (平面或曲面)的反复往返步进扫描的检测过程。由于该技术具有检测裂纹深度的能力，工程师们决定使用这种最新技术对裂纹深度进行检测尝试。

裂纹检测结果如表1所示。

表1 裂纹检测结果数据

首先根据磁粉探伤的结果，对发现表面裂纹存在的部位，使用最新技术进行探测。检测基于涡流检测技术和相控阵检测技术进行:超声波相控阵(PA)、涡流检测技术 (ET)和计算机辅助成像技术 (CITs)。先通过涡流检测技术对焊缝表面及母材表面进行粗检，然后通过相控阵技术对焊缝位置进行复检，通过计算机成像技术显示最终结果，读取缺陷的具体参数。

通过与结构原始厚度、焊缝厚度的对比发现，大部分裂纹的深度并没有贯穿。因此，需要分析在这个裂纹深度的情况下桩靴能承载的应力是多少。

3 存在裂纹的桩靴应力分析

案例平台的最大作业水深91 m(300英尺)，设计的作业环境条件远比经常作业的20～40 m水深的条件恶劣，其预压载量和可变负荷也是按最大作业水深和极限风暴状态设计的。因此，即使桩靴在水下检验探伤时发现裂纹，在无法及时修理的情况下，如果对平台的插拔桩载荷和操作程序进行优化设计，也有可能实现在目标海域 (该平台经常作业的区域)进行有限制的钻井作业。

根据作业经验，桩靴上的裂纹主要是在插拔桩过程中产生的，在作业过程中桩腿反力使裂纹附近疲劳损伤加剧，长期的循环应力可能使裂纹扩展。由于该平台最终必须进坞修复裂纹，此次的研究分析只是在找到干坞以前能否让该平台在限制条件下进行临时作业提供技术依据，将主要考虑插拔桩对裂纹和平台安全的影响。因此，需要利用大型有限元计算软件ANSYS，提出一种方便可行的计算方法，分析裂纹对整个桩靴的影响。

4 裂纹模拟方法

由于裂纹扩展的分析在世界上都是一个技术难题，从各种裂纹研究理论来看，裂纹分析的相关因素非常多，事实上无法对裂纹是否会扩展进行研究，只有通过定期超声波技术探伤来测量裂纹深度来评估裂纹是否扩展。此处只对出现裂纹后在实际作业情况下结构强度是否满足使用要求进行分析。由于裂纹的尖端效应分析等技术理论目前并无成熟可靠的理论来模拟，且本次不研究裂纹扩展的可能等情况，因此本分析理论假定裂纹部位已经被掏空，基于钢板厚度受裂纹影响，钢板的有效板厚会减少，有效板厚等于原钢板厚度减去裂纹深度后的板厚。

5 有限元模型

根据桩靴实际结构，模型选用 shell63，beam188和solid45单元进行模拟。对所有桩靴结构 (底板和顶板的扶强材)采用4节点板单元shell63进行模拟，每个板单元都有6个自由度，尽可能真实模拟各受力构件的应力状态;对与桩靴连接的桩腿结构分2部分模拟，与桩靴连接的部分桩腿采用4节点板单元shell63和8节点实体单元solid45进行模拟，其他部分采用2节点梁单元beam188进行模拟，2部分的连接采用Rigid Region实现。

6 桩靴载荷

桩靴设计时最大垂向载荷为55 340 kN(5 534 t)，其设计环境条件为:水深，40 m;风速，36 m/s; 浪高，11.89 m; 表面流速，0.51 m/s。计算工况按CCS规范要求［2］选取。

7 计算结果与分析

计算结果表明所有裂纹均小于屈服强度 (355 MPa)，最小安全系数为1.24，因此，平台桩靴在目前检测出的裂纹的情况下，其应力水平是可以接受的。

从文献上获得的资料显示，裂纹的扩展速度不是恒定的［3］，它与裂纹尺寸和应力变化相关。因此，虽然保持低应力变化状态对桩靴的安全性是有好处的，但仍然要经常检查裂纹情况来保证结构安全。

本桩靴带裂纹作业可行性评估的方法基于弹性理论。对于受损结构，本方法将其受损后的强度及刚度代入有限元计算进行分析，以确定整体结构是否安全。从整个分析情况看，即使考虑了相对恶劣的环境条件来模拟，其总体结构强度仍未超标。因此只要采取足够的安全措施，就可以让该平台带裂纹临时进入作业，以等待合适的进坞修理机会。

8 临时作业安全措施的选择

安全措施指定的第一步是分析整个作业流程环节中，每个环境桩腿受力情况的变化，然后有针对性的对相应可能引起裂纹扩张的步骤进行限制性操作，尽最大可能避免裂纹扩展。第二步则是利用每次平台移位的机会对裂纹进行跟踪检测，确认其是否有继续扩展的迹象，以判断总体安全风险情况，指定下一步的应对措施。

自升式钻井平台的整个作业流程可以分为拖航就位、插桩、压载、升船 (钻井)、降船拔桩、拖航这样一个封闭环节。根据综合分析，制定出了一系列的临时安全措施。管理上的另外一个核心安全措施也需要非常重视，那就是定期跟踪裂纹的状况，看裂纹有没有在长度或深度上继续发展。因此规定每一次拖航桩靴漂浮的时候，都要对桩靴裂纹跟踪检测。

9 临时作业期间的定期跟踪

随着该平台到海上进行作业，其安全措施都有该平台操作层面完成，在该平台发现裂纹后的第二次拖航移位过程中，组织了对裂纹是否发展的后续跟踪检测。首先将桩靴收到平台体的桩脚井内，抽干桩靴内部的海水。组织相关技术单位进去对存在的裂纹进行检测，并与第一次检测结果进行对比。其中大部分裂纹长度方向并没有发生扩展，仅有个别裂纹发生从焊缝向母材的扩展。因此需要假定，该处裂纹万一完全裂透后，是否会导致整个桩靴结构出现崩溃式损坏，这需要对该裂纹完全裂开进行评估。于是在这个基础上，对上述有限元模型进行了修改，计算出即使本处裂纹完全裂开的情况下，该平台桩靴强度仍能满足目标井位作业的海况条件要求。

10 裂纹的最终修理

该平台在经过一次拖航移位以后，终于在其作业区域附近找到了合适进坞修理的船厂。因此就在第二次拖航移位时直接将该平台送到了船坞内进行裂纹修理工程，恢复了其原始设计性能。

［1］API RP 2X［M］.API，1996.

［2］中国船级社.海上移动平台入级与建造规范 ［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structure［M］.DNV Rp－C203，2000.

The spudcan is of special structure in jack-up platform design.It is connected to leg-structures to transfer the loading from legs to seafloor.The spudcan normally has the intended purpose to provide the vertical support and moment restraint at the base of legs.Should the spudcan fail there is a potential for the leg to settle，putting the unit out of level.Based on Finite Element Analysis the general dealing with of cracks on spudcan is performed including temp safety actions，periodically inspection on spudcan，structure analysis，and final repair is performed to evaluate the integrity of spudcan with cracks and a way to deal with cracks is found.

jack-up unit;spudcan;crack;Finite Element Analysis(FEA)

TE95

C

1001－8328(2012)05－0052－03

黎剑波 (1976-)，男，广西容县人，工程师，学士，主要从事海洋移动钻井平台装备运营和管理工作。

2012－05－07