自升式鉆井平臺(tái)報(bào)廢后安全適用性研究

成維松

（勝利油田安全環(huán)保處，山東 東營 257000）

自升式鉆井平臺(tái)服役時(shí)間超過設(shè)計(jì)壽命后，通過進(jìn)塢檢測(cè)發(fā)現(xiàn)平臺(tái)故障頻率將不斷提高。其中結(jié)構(gòu)損傷主要體現(xiàn)在腐蝕及裂紋，特別是由于焊接、疲勞載荷、結(jié)構(gòu)改裝等原因?qū)е碌牧鸭y數(shù)量會(huì)不斷增多。在實(shí)際使用過程中主要通過減少作業(yè)負(fù)荷、結(jié)構(gòu)加固、降低鉆井船使用條件等風(fēng)險(xiǎn)控制措施以保證平臺(tái)安全生產(chǎn)作業(yè)。當(dāng)安全措施不足以滿足安全作業(yè)需求時(shí)，為提高資產(chǎn)利用率通常將載荷較大的鉆井模塊報(bào)廢，將平臺(tái)改做他用?，F(xiàn)以某一自升式鉆井平臺(tái)為例，適用有限元軟件，對(duì)其鉆井功能報(bào)廢后的適用性方案進(jìn)行分析。

1.平臺(tái)概況

（1）結(jié)構(gòu)。平臺(tái)主體為典型的尾部開槽自升式鉆井平臺(tái)，由長方形的平臺(tái)主體、四根圓柱形樁腿和齒輪齒條升降系統(tǒng)組成。平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要尺寸如表1所示。

表1 平臺(tái)主體尺寸參數(shù) m

平臺(tái)體自下而上依次為底甲板、主甲板和上部甲板。平臺(tái)底甲板主要承受預(yù)壓載、燃油、淡水等液艙的重量。主甲板首端設(shè)有直升機(jī)平臺(tái)和生活區(qū)，另外主要有泥漿泵、泥漿池以及部分機(jī)械設(shè)備。平臺(tái)體中間兩側(cè)共有吊機(jī)兩座（貝克海洋900型船用起重機(jī)）。上部甲板主要有井架、鉆井設(shè)備、管子堆場(chǎng)等。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用縱橫骨架式結(jié)構(gòu)形式，在固樁圍井區(qū)進(jìn)行特殊加強(qiáng)，圍井四周面板加厚，船體材料為ABS的A級(jí)鋼（屈服極限248MPa），樁腿為ABS的DH36級(jí)鋼。

（2）功能性載荷。功能性載荷包括結(jié)構(gòu)載荷、吊機(jī)載荷、設(shè)備載荷、各類容器及其儲(chǔ)藏物載荷、電纜載荷、管線載荷以及可變載荷等。結(jié)構(gòu)及設(shè)備載荷總重量2 217t，鉆井狀態(tài)可變載荷928t、升船狀態(tài)可變載荷473t、生存狀態(tài)的可變載荷246t。

（3）環(huán)境條件。作業(yè)水深15m。

波流載荷：操作工況最大波高7.62m，波周期12s，海流設(shè)計(jì)流速1.02m/s；自存工況最大波高8.53m，波周期14s。

風(fēng)載荷：操作工況36.0m/s；自存工況51.5m/s。

2.有限元模型（見圖1）

圖1 有限元模型

結(jié)構(gòu)建模時(shí)選用BEAM188、PIPE59、PIPE16、SHELL63、MASS21等ANSYS程序自帶的單元類型，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)資料扣除各構(gòu)件腐蝕，建立有限元模型。

根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》的要求，其邊界條件取泥面以下3m處鉸支承。載荷依據(jù)不同改造方案加載。許用應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力安全系數(shù)為1.11。

3.改造為配套生活支持平臺(tái)

改造為其他平臺(tái)的配套動(dòng)力生活支持平臺(tái)，保留本平臺(tái)泥漿循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、生活樓，去除井架及相應(yīng)的鉆井載荷。去除載荷大小及設(shè)備項(xiàng)目（見表2）。

表2 各工況鉆井載荷

在改造為動(dòng)力生活支持平臺(tái)后功能性載荷大幅減小，考慮到改造后甲板堆放雜物增加載荷的風(fēng)險(xiǎn)，將目前結(jié)構(gòu)進(jìn)行反算，求出允許增加的均布載荷值。計(jì)算工況選取作業(yè)、自存、拔樁工況，計(jì)算結(jié)果見表3，等效應(yīng)力匯總?cè)鐖D2所示。

表3 各工況計(jì)算匯總

圖2 等效應(yīng)力匯總

分析計(jì)算結(jié)果，得出如下結(jié)論。

（1）固樁區(qū)橫縱艙壁處在作業(yè)工況下等效應(yīng)力值較大，已接近許用應(yīng)力值（223MPa），這是由于作業(yè)工況下甲板垂向載荷較大所致，此位置按甲板載荷布置圖已施加8kN/m2的載荷，另加5.33kN/m2共計(jì)13.33kN/m2。

（2）固樁室位置在自存工況下等效應(yīng)力值較大，這是由于自存工況下環(huán)境載荷更加惡劣所致。船體及固樁區(qū)的最大等效應(yīng)力圖見圖3、4。

圖3 船體最大等效應(yīng)力

圖4 固樁區(qū)最大等效應(yīng)力

4.改造為油氣集輸平臺(tái)

為配合生產(chǎn)需要，國內(nèi)某些自升式平臺(tái)被改造為油氣集輸平臺(tái)，做固定平臺(tái)使用?？紤]將此平臺(tái)改造為油氣集輸平臺(tái)進(jìn)行分析。

考慮到平臺(tái)改造后的工作能力，同時(shí)參照其他油氣集輸平臺(tái)的儲(chǔ)油能力，按照配有11.5m直徑儲(chǔ)油罐，液貨及罐630t（均布載荷為61kN/m2）的情況進(jìn)行計(jì)算分析。

改做固定平臺(tái)后按照《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》要求需考慮冰載荷，取設(shè)計(jì)冰厚24cm，極限抗壓強(qiáng)度2 085kPa進(jìn)行計(jì)算。

僅就作業(yè)工況進(jìn)行核算。作業(yè)工況計(jì)算匯總見表4，等效應(yīng)力匯總圖見圖5。

表4 作業(yè)工況計(jì)算匯總

圖5 作業(yè)工況等效應(yīng)力匯總

分析計(jì)算結(jié)果，得出如下結(jié)論。

（1）作業(yè)工況下去除了652t鉆井區(qū)域載荷增加了630t儲(chǔ)罐載荷，由于載荷分布的變化導(dǎo)致距船尾25.47m橫艙壁與距中11.05m縱艙壁部分位置應(yīng)力不滿足要求；

（2）增加儲(chǔ)油罐后改變了平臺(tái)甲板的應(yīng)力分布，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)影響大。

5.結(jié)束語

自升式鉆井平臺(tái)在服役年限超過設(shè)計(jì)壽命后，故障頻率隨之提高，較大的上部載荷及環(huán)境載荷易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效影響作業(yè)安全。筆者研究了將重量載荷較大的鉆井模塊報(bào)廢后，平臺(tái)后續(xù)改造方案的適用性。主要選取了兩種典型方案，改造為其他平臺(tái)的配套生活支持平臺(tái)及油氣集輸平臺(tái)。經(jīng)比較分析給出如下結(jié)論。

（1）老齡平臺(tái)改造為配套生活支持平臺(tái)，設(shè)備載荷明顯減小，船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平有所降低，此方案可行，但考慮到甲板堆放雜物的可能需核算結(jié)構(gòu)的承載能力。

（2）老齡平臺(tái)改造為油氣集輸平臺(tái)，由于儲(chǔ)油罐重量大，對(duì)船體及樁腿的影響顯著，考慮到鋼材腐蝕及累積損傷度，此方案不可行。

[1]張兆德，王德禹.一座海洋平臺(tái)改造的強(qiáng)度分析[J].中國海洋平臺(tái)，2003，18(5)：26-29.

[2]劉林.“自立號(hào)”自升式平臺(tái)延長使用壽命的評(píng)估[J].廣東造船，2010，29(3)：38-40.

[3]竇培林，杜訓(xùn)柏.基于斷裂力學(xué)的老齡化自升式平臺(tái)可靠性分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23(5)：383-386.

[4]楊樹耕，孟昭瑛等.有限元分析軟件ANSYS在海洋工程中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺(tái)，2000，15(2)：41-44.

[5]李潤培，王志農(nóng).海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[6]劉海豐，陳國明，林紅.老齡自升式平臺(tái)極限承載能力分析[J].中國造船，2008，49(A02)：421-426.