老齡海上移動平臺結構安全管理初探

李紅濤

(中國船級社海工審圖中心，天津 300457)

老齡海上移動平臺結構安全管理初探

李紅濤

(中國船級社海工審圖中心，天津 300457)

主要介紹了中國船級社對老齡海上移動平臺加強檢驗的管理要求，對船齡超過30年的老齡移動平臺實行特別現場檢驗和檢測，并根據實際測厚數據進行平臺結構強度校核，最終確定平臺安全狀況是否滿足主管機關要求。以一個實際老齡自升式鉆井平臺為例，介紹了現場檢驗和檢測要求，并通過實際計算分析指導現場進行結構加強，保證了此老齡平臺日后的作業安全。中國船級社對老齡移動平臺的管理手段開創了超期服役海上移動平臺安全管理的新模式，對保障我國海洋工程裝備安全生產具有重要意義。

老齡移動平臺;加強檢驗;結構強度評估;安全管理

海上移動平臺是指根據需要從一個作業地點轉移到另一個作業地點的海上平臺［1］，根據其結構形式可分為自升式平臺、柱穩式平臺、坐底式平臺及水面式平臺。海上移動平臺一般為開采海上油氣，需長期工作在惡劣的海洋環境中，受到波浪抨擊、沖刷、腐蝕、構件損傷變形、疲勞等不利因素的影響，尤其當平臺進入超期服役階段，其結構抗力的衰減、疲勞損傷的加速及安全環保等問題日益突出，存在很大的安全隱患。

目前，國外對于超期服役的老齡移動平臺，沒有形成完善、成熟的監管體系;對于我國營運船舶，交通運輸部2006年下發了《老舊運輸船舶管理規定》［2］，對不同的船舶類別規定了強制報廢船齡;海上移動平臺作為特殊的海上作業設施，和傳統的營運船舶不同，并沒有強制報廢船齡。我國海上移動平臺的擁有者一般為中海油、中石油、中石化等石油公司，其建造或購買的海上移動平臺很大一部分為20世紀70或80年代，海上移動平臺的設計壽命一般為20年或30年，這些早期的移動平臺陸續進入后服役期，因此如何對超期服役的海上移動平臺進行安全管理已經成為主管機關的一個新課題。

主要介紹了中國船級社(以下簡稱CCS)對老齡海上移動平臺加強檢驗的管理要求，對船齡超過30年的老齡移動平臺實行特別現場檢驗和檢測，并根據實際測厚數據進行平臺結構強度校核，最終確定平臺安全狀況是否滿足主管機關要求;以一個實際老齡自升式鉆井平臺為例，介紹了現場檢驗和檢測要求，并通過實際計算分析指導現場進行結構加強，保證了此老齡平臺日后的作業安全。中國船級社對老齡移動平臺的管理手段開創了超期服役海上移動平臺安全管理的新模式，對保障我國海洋工程裝備安全生產具有重要意義。

1 CCS加強老齡移動平臺檢驗規定

CCS于2009年6月下發了《關于加強老齡移動平臺檢驗管理的規定》通函(以下簡稱“通函”)［3］，其中明確規定，對于船齡超過30年以上的老齡平臺，應進行特別檢驗和檢測，主要包括平臺現場結構檢驗和根據實際測厚的平臺結構強度校核。

1.1 平臺結構的現場檢驗和檢測

“通函”規定，老齡移動平臺的現場結構檢驗、檢測應滿足如下要求:

1)平臺結構檢驗、檢測應按特別檢驗(包括相關塢內檢驗)的相應范圍與要求實施，檢測數據的采集應能滿足結構強度校核所必需的要求。

2)首次按本通函要求實施檢驗前，執行檢驗單位應會同海工審圖中心、業主、檢測專業公司(必要時)制訂盡可能詳細的“結構特別檢驗、檢測計劃”:①計劃應滿足規范、規則和審圖中心為結構強度校核建模所需數據采集的需要;②在“結構特別檢驗、檢測計劃”經本社社總部海工營運處批準后，在本次以及隨后的相關檢驗中實施。

3)第二次及以后按照本通函要求實施檢驗時，執行檢驗單位應會同海工審圖中心、業主，根據上次結構校核的結論，修訂前次批準的“結構特別檢驗、檢測計劃”，經本社社總部海工營運處批準后予以實施。

4)上述檢驗實施中，應嚴格實施經批準的“結構特別檢驗、檢測計劃”。必要時，驗船師可根據現場情況，要求對重要構件的尺寸、變形以及全船龍骨基線的測量，并可根據檢驗發現及探傷的情況，要求適當增加無損檢測范圍。

以上是“通函”對老齡移動平臺現場結構檢驗、檢測的主要規定。從“通函”要求可以看出，老齡移動平臺的現場結構檢驗、檢測較常規塢檢、特檢，范圍更廣，探傷、測厚要求更為嚴格，且檢驗、檢測結果應滿足結構強度校核的建模要求。

1.2 平臺結構強度校核

平臺每次進行塢內檢驗和特別檢驗，都需根據現場測厚結果、結構實際狀態進行結構強度校核，找出結構薄弱或危險區域，用以指導驗船師現場檢驗和業主對平臺結構的維護保養。

主要強度校核要求如下:

1)總體性能分析/總體結構強度分析:考察平臺的重量、重心、受風面積及水密完整性，如變化較大，應進行平臺的總體性能/總體結構強度分析，主要包括:平臺的整體結構強度校核;平臺的完整穩性、破艙穩性;自升式平臺的站立穩性;自升式平臺的樁腿屈服、屈曲強度分析;平臺壓載能力校核;自升式平臺的升降系統承載能力校核(如有鎖緊裝置，應進行鎖緊系統承載能力校核);自升式平臺的樁靴承載能力校核;柱穩式平臺的總體結構強度分析(總體模型范圍應涵蓋平臺的所有主體結構，包括整個甲板、上、下殼體、立柱、撐桿以及參與總體強度的主要附屬結構等)。

2)局部結構強度校核:對平臺上的主要結構，或由于使用頻率較多產生嚴重磨損的部位、高應力區域產生應力腐蝕的部位、出現嚴重化學腐蝕的部位，應根據結構實際狀態對如下重點部位進行局部強度校核。

①自升式平臺圍阱區域結構強度校核

主要考慮齒輪齒條(插銷或銷孔)的磨損及結構實際腐蝕，對圍阱區域結構，包括:升降系統基礎、上、下導向結構、鎖緊系統基礎、升降系統間拉緊結構及圍阱艙壁進行屈服、屈曲強度校核等，是否滿足規范要求。

②自升式平臺樁靴結構強度校核

樁靴工作環境惡劣，易產生腐蝕、變形及裂紋，應根據樁靴實際狀態，對樁靴結構按規范要求工況，進行屈服、屈曲強度校核。

③自升式平臺懸臂梁結構強度校核

根據懸臂梁實際狀態，包括重量、變形及最大伸出位置，校核其屈服、屈曲強度是否滿足規范要求。

④大型設備基礎結構強度校核

懸臂梁基礎、鉆臺基礎、吊機基座支撐結構屬于使用頻次高，易產生磨損與變形的主要結構，應根據實際重量和尺寸，結合現場檢驗結果，必要時對其屈服、屈曲強度進行分析;此外，根據實際情況，考慮是否進行承受較重甲板負荷作用的局部甲板結構及其支撐結構、直升機甲板支撐基礎、發電機基座、泥漿泵基座等結構的強度校核。

⑤泥漿池、壓載艙結構強度

泥漿池、壓載艙極易產生腐蝕，應根據實際腐蝕情況，對其結構進行規范強度校核。

3)構件尺寸規范經驗公式校核:自升式平臺船體、沉墊以及柱穩式平臺上殼體、立柱、柱靴、下殼體應按照《海上移動平臺入級與建造規范》(2005)、我社現行有效版《鋼質海船入級規范》中有關的水密艙壁和深艙艙壁構件尺寸經驗公式進行校核。

4)對平臺結構實施連續的監測和強度計算。在平臺每次塢檢時，都要對平臺結構狀況進行計算，并根據本次測厚報告中型材的腐蝕情況和現場勘驗狀況修改模型的相關部分，進行結構計算分析，以確定結構強度、平臺目前的結構狀況、改造或加強的要求。

從“通函”對平臺結構強度校核的要求可以看出，此強度分析的范圍涵蓋了平臺的所有主要結構，根據平臺的實際勘查狀況，通過直接計算確定平臺的安全狀態。

1.3 平臺結構安全狀況評價

CCS依據平臺結構安全狀況初步評估結果，確定平臺保持或縮短特別檢驗和塢內檢驗正常間隔期、或必需的安全措施，以此作為簽發法定及入級證書的基礎。

2 CCS級老齡移動平臺檢驗案例

某一CCS級老齡移動平臺2009年需進塢進行特檢，因其船齡超過30年，此船應按CCS“通函”要求進行檢驗。此船為懸臂梁式自升式鉆井平臺，始建于1976年，采用三角形箱形主船體，配有三個桁架式樁腿，艏一尾二，升降系統為浮動式電動齒輪升降系統，每個樁腿弦桿一套;平臺每個樁腿帶有一個圓形的樁靴，拖航時可收回船底;目前最大作業能力水深為45.72 m(150英尺)。

按“通函”要求，CCS組織相關專業檢驗人員對此老齡平臺進行了實地勘驗，并會同船東共同制定了檢驗、檢測計劃。

2.1 現場檢驗、檢測計劃

2.1.1 測厚、探傷總體要求

1)所有測厚范圍需滿足特檢要求和結構強度校核所必需的數據要求，探傷范圍應滿足特檢要求;

2)板材測厚應按板縫線進行，沒有明顯銹蝕情況下每塊板5個點，否則按現場驗船師要求進行;

3)骨材在沒有明顯銹蝕的情況下每根測2點，否則按現場驗船師要求進行;

4)測厚結果板厚超標后應換板，最終測厚報告一律按新換板后的數據填寫。

2.1.2 測厚范圍具體要求

通過此案例平臺的現場檢驗、檢測計劃可以看出，其測厚、探傷范圍和數量較特檢要求增加了很多，主要是考慮為了滿足結構強度校核所必需的數據以及最大程度的保證老齡平臺的結構完整、安全性(見表1)。

表1 測厚范圍Tab.1 Scope of Thickness Measurement

2.2 平臺結構強度校核

根據對案例平臺的實際勘驗，CCS海工審圖中心對此老齡移動平臺的在位整體性能、平臺船體、圍阱區以及樁靴4個主要結構進行了強度分析。對于懸臂梁、鉆臺、直升機甲板及設備底座等結構，由于狀況良好，本次結構強度校核沒有包括在內。

2.2.1 在位整體性能分析

自升式鉆井平臺的在位性能分析主要是考核站立工作狀態下的整體安全表現［4］，主要包括樁腿強度、升降系統承載性能、樁靴承載性能、抗傾穩性、預壓載性能及預壓時升降齒輪的保持能力。在位性能將直接影響到平臺操作安全及作業能力，是平臺使用者最為關注的重點。

表2 計算工況及分析結果Tab.2 Design condition and analysis results

根據該平臺結構特點，使用有限元軟件SACS建立如圖1所示的有限元模型，所有結構由梁單元模擬。坐標原點位于靜水面，x方向指向船首，y方向指向左舷，z向豎直向上。

計算工況主要選取操作手冊規定的工況，樁腿構件尺寸按實際測厚數據模擬，模型重量、重心位置由最近傾斜試驗結果得到，計算工況及分析結果如表2所示。

由表2可以看出，此案例平臺的樁腿強度、升降系統能力、樁靴承載能力、預壓載能力及升降齒輪保持能力的承載比(載荷與能力比值UC)均小于1.0;抗傾穩性安全系數大于1.3/1.5，因此平臺在位整體性能滿足CCS規范要求［5］。

2.2.2 平臺體結構強度分析

平臺體是所有設備及人員操作的承載體，應確保具有足夠的強度，抵御環境載荷及功能載荷產生的不利影響。使用Ansys有限元軟件，建立如圖2所示的船體有限元模型，模型中采用了板殼單元、梁單元及管單元等的適當組合，按實際測厚數據將平臺模擬為空間板殼、梁的組合結構。計算工況主要分為作業和自存兩種工況。

圖1 有限元模型Fig.1 FE model for global performance

圖2 平臺體有限元模型Fig.2 FE model for hull

有限元分析結果表明，船體結構的最大相當應力為202 MPa，小于許用應力212 MPa，發生在懸臂梁固定底座下縱艙壁處，是由于懸臂梁外伸載荷引起。因此船體主要結構屈服強度滿足要求;選取受壓或剪應力較大的板格按CCS規范［5］進行屈曲分析，計算結果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲強度滿足要求。

作業工況、環境條件90°入射下，船體的相當應力云圖如圖3所示。

2.2.3 圍阱區結構強度分析

圍阱區主要包括升降室、導向結構、固樁支撐結構及部分圍阱艙室，是船體與樁腿的連接部位，其結構安全是平臺安全作業的保障。使用Ansys有限元軟件，建立如圖4所示的圍阱區有限元模型。計算工況主要分為拖航、作業及自存三種工況。

圖3 船體應力云圖Fig.3 Von mises stress plot for hull

圖4 圍阱區有限元模型Fig.4 FE model for leg well

有限元分析結果表明，風暴工況下，固樁垂向支撐型材應力超過許用應力320 MPa，不滿足強度要求，因此建議增加10 mm的加強板，即可滿足規范要求，如圖5所示。圍阱區其它結構屈服強度均滿足要求;選取受壓或剪應力較大的板格屈曲分析，計算結果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲強度滿足要求。

作業工況、環境條件90°入射下，圍阱區的相當應力云圖如圖6所示。

圖5 加強的垂向支撐構件Fig.5 Strengthened vertical support member

圖6 圍阱區應力云圖Fig.6 Von mises stress plot for leg well

2.2.4 樁靴結構強度分析

樁靴是支撐平臺站立的基礎，其結構強度應能抵抗各種工況下載荷的作用。使用Ansys有限元軟件，按實際測厚數據建立如圖7所示的樁靴有限元模型。按CCS規范要求，樁靴強度分析工況主要有4種:①載荷均勻分布作用在樁靴與海底的初始接觸面上;②載荷均布作用在樁靴底面50%的區域;③載荷均布作用在樁靴底面整個區域;④載荷線性分布作用在樁靴底面整個區域，一端為0，一端為2倍。

有限元分析結果表明，樁靴結構的最大相當應力為186 MPa，小于許用應力212 MPa，發生在徑向輻射板處，因此樁靴屈服強度滿足要求;選取受壓或剪應力較大的板格進行屈曲分析，計算結果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲強度滿足要求。

作業工況、環境條件90°入射下，樁靴的相當應力云圖如圖8所示。

圖7 樁靴有限元模型Fig.7 FE model for spud can

圖8 樁靴應力云圖Fig.8 Von mises stress plot for spud can

2.3 平臺結構安全狀況評價

CCS對案例老齡自升式鉆井平臺的加強檢驗，一方面通過現場檢測、檢驗，對腐蝕超標的板材進行換新，對出現裂紋的位置進行修理;另一方面通過結構強度校核，對結構強度不足的位置進行加強，最終評價此案例平臺結構安全狀況良好。因此正常簽發了5年的法定及入級證書，并且通過此期間建立的有限元分析模型，為平臺下一次進塢評估奠定了基礎，從而有力地保證了此老齡平臺的安全運營。

3 結語

介紹了中國船級社對老齡海上移動平臺加強檢驗的管理要求，并通過一個實際案例平臺，詳細論述了加強檢驗的方法和流程。此管理手段已被證明適用于我國海洋工程裝備的安全監管方式，有效地填補了超期服役老齡移動平臺的安全監管空白，但在以下幾個方面仍需進一步探討和完善:

1)規范、標準問題。目前老齡移動平臺的計算校核按新建平臺對待，所依據的規范、標準仍按建造規范、標準，此處理是否合理、準確仍需進一步討論;

2)疲勞問題。移動平臺經常在海上變換作業區域，如何統計、計算其關鍵結構的疲勞損傷成為一個難點;

3)對老齡移動平臺的結構計算校核受到原始設計資料、歷次改造資料及結構現狀等的影響，為了準確評價老齡移動平臺的結構安全現狀，必須獲取完整、準確的平臺結構資料，建議從設計階段開始采用結構完整性管理方法管理新建平臺。

［1］國際海事組織.海上移動式鉆井平臺構造和設備規則［M］.北京:人民交通出版社，1989:1-2.

［2］中華人民共和國交通部.老舊運輸船舶管理規定［S］.2006年8號令.

［3］中國船級社海工營運處.關于加強老齡移動平臺檢驗管理的規定［S］.中國船級社，2009.

［4］Li Hong-tao，Yang Qing-xia，Li Ye.Study on general performance of jack-up under elevated condition［J］.China Ocean Engineering，2009，23(3):577-584.

［5］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范［S］.北京:人民交通出版社，2005:45-49.

Discussion on structure safety management of aged mobile offshore drilling unit

LI Hong-tao
(Offshore Engineering Plan Approval Center of CCS，Tianjin 300457，China)

CCS circular of enhanced survey for aged MODU is introduced in this paper.The circular requests that the CCS class MODU whose age is older than 30 years needs special site survey and structure strength assessments according to actual thickness measurement by which the platform safety status is decided whether to satisfy government’s requirements.As an example，the site survey plan for an aged jack-up and structure strengthening plan by structural analysis are recommended.By these measures，the operation safety should be ensured for the example MODU.The CCS method is a new manner for aged MODU safety management and is of great significance for safety of domestic offshore engineering equipment.

aged MODU;enhanced survey;structure strength assessment;safety management

P752

A

1005-9865(2012)02-0123-06

2011-07-21

李紅濤 (1976－)，男，天津人，博士，高級工程師，從事海洋工程結構設計與研究工作。E-mail:htli@ccs.org.cn