某桁架樁腿自升式平臺穿刺原因及修復

林煥泉，張家茂

（招商局重工（深圳）有限公司，深圳518054）

1 前言

自升式平臺在海洋工程中的應用越來越廣泛。由于海底地質情況復雜，自升式平臺在定位前的預壓載過程中發生穿刺的概率越來越高，穿刺對自升式平臺的主體和樁腿結構及升降裝置造成損壞的型式也越來越多。穿刺事故發生后，需快速地完成檢查和修復，使平臺返回工程作業現場。

本文以某桁架樁腿自升式平臺發生穿刺后的檢查和修復過程為例，用平臺穿刺的經典理論分析平臺壓載穿刺對平臺的主體結構及設備的影響，確定對平臺進行檢驗的途徑，并依據檢測結果制定修復方案及采取的實施手段。

2 穿刺對平臺及設備的損害

2.1 穿刺定義

穿刺是指自升式鉆井平臺到達預定的施工位置后，在定位預壓載過程中遇到上硬下軟的海底地層時，上部硬地層被樁靴刺破后出現的一種無法控制的樁靴快速沉降現象。

2.2 穿刺發生過程及對平臺的損傷機理

鉆井平臺在進行預壓載操作的時候，先將平臺的船底升起離開水面，這時船體重量通過安裝在船體上的升降裝置傳遞給樁腿（樁靴）。由于單靠船體重力無法將樁靴壓到預定的滿足平臺定位要求的深度，樁靴到位后必須往壓載艙內泵入壓載水來增加樁靴對海床的壓力；同時要滿足平臺船體對幾個樁腿在運動過程中的傾斜度的要求，超過一定范圍會使得平臺無法繼續升降，甚至會導致部分船體結構或升降系統出現損壞。

2.2.1穿刺發生過程中船體及樁腿的運動

自升式平臺發生穿刺后，穿刺樁腿下降速度迅速增加，直到海床的承載能力和預壓載荷平衡為止。在此過程中平臺樁井和樁腿結構極容易發生破壞性損傷。由于單個樁腿發生穿刺后平臺重力在各樁腿上的分布不再均等，當樁腿在土體中出現一個較小的滑移時船體重心就會隨之改變，使樁腿與鉆井平臺船體之間發生一定角度的轉動，同時非穿刺樁腿隨著平臺船體的傾斜也開始產生彎曲。

2.2.2 樁腿與船體之間轉動造成的損壞

（1）由于上、下導向板對樁腿主弦管兩側齒條的彎矩過大，造成主弦管變形、導向板損壞或脫落、主船體的耐磨板及其支撐結構變形、樁腿處船底板變形甚至破損等受損現象；

（2）樁腿主弦管變形將引起樁腿斜撐、橫撐的變形；

（3）船體傾斜使升降裝置承受超額載荷，可能對升降裝置的各個零部件造成損傷；

（4）樁腿（樁靴）穿刺及橫向滑移可能使樁靴與樁腿連接區域的焊縫出現裂紋，對于經過改裝的樁靴在樁靴的新老結合部也是如此；

（5）升降裝置的各部件可能發生損壞。

3 某桁架樁腿自升式平臺穿刺后對船體及樁腿的檢查與修復

某桁架樁腿自升式平臺為三角形箱形主船體，配有三個桁架式獨立升降樁腿，樁腿最下面連接樁靴，樁腿與船體之間通過電動齒輪升降系統傳遞垂直載荷，并配置有可轉移負荷的鎖緊裝置，見圖1、圖2 所示。

該平臺在南海作業時，平臺的3#樁腿發生穿刺，導致樁腿及相應的船體結構和設備不同程度的受損。

圖1 平臺樁腿布置圖

圖2 自升式鉆井平臺

在穿刺發生后，對樁靴、樁腿、固樁區、樁腿圍井結構、升降裝置等進行了現場檢查。根據現場檢查的情況，召開了有項目組、ABS 船級社、CCS 船級社、船廠的專家出席的技術評估專家會議，提出了兩個修復方案。

（1）方案1：材料從人孔進入需要修復區域、在受損區域加結構支撐、對受損、變形部位做局部加強；

（2）方案2：在塢內實施更換工作，割除并更換原有的T 型材、更換或矯正樁靴上表面局部變形的鋼板。

鑒于3#樁靴現場檢查的結果：頂部及支撐變形量較大、上部支撐結構失效。對比，專家會議建議進塢之后換新；另外，鑒于現場已經發現的損壞情況尚無法判斷其他相關聯部位（如樁靴加大部分底部結構）是否也存在形變，需要進塢進行徹底檢查并精確測量，根據測量數據進行建模重新計算結構受力情況，在此基礎上出具修復工藝方案。

確定采用方案2 后，該平臺直接從穿刺位置拔樁拖航到船廠進行全面檢查修復。平臺進廠后，船廠立即進塢對樁靴、樁腿、固樁區、樁腿圍井結構等進行了詳細的檢查測量，并根據測量數據進行建模，重新計算結構受力情況，制定修復工藝。

3.1 樁靴的檢查修復

3.1.1 3#樁靴

穿刺現場經水下對2、3 號樁靴探傷，發現2#、3#樁靴外表面正常，沒有出現結構裂紋；為確保樁靴內部正常，平臺進廠后先進入3#樁靴內部進行了徹底的檢查，發現3#樁靴新老結構連接部位有多處變形。

由于該平臺在前次進船廠維修時對樁靴進行了加大改造，故對3#樁靴新老結合部位作為檢查重點，發現新老樁靴連接部位加強T型鋼、T型材及加強三角板、加強支撐板有多處變形和撕裂，變形數量約占樁靴構件總數量的3/4。具體受損狀況如下：

（1）樁靴新老結合部位加強三角板變形、扭曲、撕裂；

（2）樁靴新加大部分T 型材凹陷向樁靴內部；

（3）與T 型材連接的上表面鋼板凹陷向樁靴內部。

根據3#樁靴上述現場勘驗的損壞情況確定其維修方案如下：

（1）對支撐變形量較大、上部支撐結構已經失效的部位，進行構件換新；

（2）3#樁靴加大部分與原樁靴連接部位T 型材、三角板存在變形，進行了更換和局部加強；

（3）由于局部結構加強后平臺重心發生變化，按照修復后的實際情況進行建模計算后修復。

3.1.2 2#樁靴

經過檢查，2#樁靴出現下列斜拉筋彎曲變形：L 角和O角之間斜拉筋變形；L 角和R 角之間斜拉筋；R 角和L 角之間斜拉筋；上部R角和O角之間斜拉筋。

3.1.3 1#樁靴

1#樁靴的受損情況，沒有其它兩個樁靴嚴重。

3.1.4 樁腿的修復

經過現場勘探測量，2#、3#樁腿受損高度主要在樁腿頂部，主要在123～140 m 區間。根據測量變形值和以往經驗，判斷齒條和主弦管的變形釋放在鋼材的彈性變形范圍內，可以通過有順序地割換變形的撐管讓齒條和主弦管回復到接近原始的狀態。由于平臺出塢后，樁靴有部分入泥，樁腿基本沒有晃動，故樁腿不會因為搖晃產生額外的壓彎力矩；另外，變形斜撐管較為分散且跨距較小，故可以采取2#、3#樁腿同時施工，局部變形的實際割換管長度現場確定。具體割換方案，見圖3、圖4。

圖3 2#樁腿割換方案

圖4 3#樁腿割換方案

由于樁腿設計最低溫度為-20 ℃，因此修復材料選用規格如下：

（1）水平撐管和斜撐管，材料為API X75；

（2）跨距間撐管，材料為ASTM A106 GR BOR C；

（3）所有的搭接連接應最少搭接50%；

（4）未注明的所有焊接部位均為全焊透，焊接節點應以ABS/CCS 規范和AWS D1.1為依據。

3.2 固樁區主體結構的檢查與修復

平臺進廠后，對固樁區主體結構的全部焊縫進行探傷檢查，并測量整個固樁區尺寸，發現有以下問題：多數上導向板磨損嚴重，甚至有部分已經脫落；承受垂向力過大的部分結構出現變形。

針對以上問題，采取了以下修復措施：更換磨損嚴重和脫落的上導向板，并按照實際情況決定導向板的厚度，使得其導向間隙滿足原設計要求。

3.3 樁腿圍井結構的檢查與修復

對樁腿圍井結構的耐磨板、船底及其對應艙室內部架結構進行檢查，并對相關焊縫進行探傷、發現問題及修理手段如下：

（1）對于圍井耐磨板結構背后的艙室內框架結構存在明顯變形的構件，進行更換并在對應位置進行加強；

（2）對被剮蹭的船底板的變形及磨損部位，使用火攻校正和填焊方法進行修復。

3.4 升降裝置的調試

由專業生產廠家對升降裝置控制系統進行全面檢查、調試和修理，在車間臺架上進行試運行合格后再回裝到平臺上，并在船廠碼頭對其進行實際升降聯合試驗以檢驗其功能。

根據修復后的平臺實際情況（重量、重心），對影響平臺整體性能參數進行計算、校核，并根據計算結果進行評估。

4 結語

鑒于海底土壤性能參數并不能百分之百符合設計條件，故不能精準確定穿刺發生時樁腿樁靴下降的距離；此外，穿刺時平臺載荷分布也不均勻，因此對自升式鉆井平臺各部的損壞影響程度并不一樣。為確保平臺的總體結構安全，在平臺進廠（進塢）后，應對穿刺可能影響到的部位都進行檢查，對已經發現的隱患進行消除。為減少穿刺對結構的影響，在平臺重新進入工位前應仔細評估工位的地質條件，可在不超出平臺的作業或拔樁能力前提下考慮主動刺穿的方法。