老齡平臺節點裂紋維修及評估方法

張 勇，張明飛，張大勇

（1. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司深水工程建設中心，廣東深圳 518067；2. 大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧盤錦 124221）

0 引言

海洋平臺在服役期間長期遭受風、浪、流等交變載荷作用。隨著服役年限的增加，平臺節點及構件處產生疲勞裂紋的可能性愈發增大。尤其是對于超期服役的老齡平臺，裂紋缺陷已經是最常見的檢出缺陷之一。如不及時處理裂紋缺陷，裂紋將在外載荷作用下繼續擴展，甚至會出現結構斷裂問題，嚴重影響平臺結構的安全[1]。另一方面，海洋結構物修理費用高昂，提出合理可行的修理加固方案需要建立在精確評估平臺缺陷及修復效果的基礎之上。因此，如何提出經濟合理，施工簡單易行的裂紋修復方案成為各海洋石油作業者的一個重要課題，而修復方案的提出和評估是其中最核心的技術環節。

1 概況

本文研究對象為南海東部海域某平臺，該平臺于1995年服役，設計壽命10年，目前已屬于超期服役狀態，該平臺關鍵參數見表1，平臺SACS 3D力學模型圖參見圖1a)。

表1 南海東部海域某平臺結構關鍵參數

a) 目標平臺SACS 3D模型圖

2018年，在針對導管架平臺進行的例行檢驗過程中，檢測方發現該平臺(+) 12.5ft水平層主管節點（節點編號：N707，N701，N705，N703）處存在大量裂紋缺陷（見圖1b)～d)）。

圖1 目標導管架平臺模型及缺陷檢出示意

此次發現的裂紋多數位于該水平層導管架腿柱主節點處，撐桿側及弦桿側均有發現。其中多數裂紋尺寸較小，裂紋深度在1 mm～3 mm，已經由現場打磨消除處理完畢，但仍有部分裂紋尺寸較大，深度較深，無法通過打磨處理。經統計，剩余未處理的部分裂紋缺陷見表2。

表2 未消除裂紋統計表

由表2可知，該平臺剩余未處理的裂紋缺陷大多位于N703節點，其中，最大裂紋尺寸為29 mm ×8.2 mm。因此，后續修復方案的提出和評估分析也基于該現狀進行。

2 修復方案

API RP 2SIM 《海上固定式平臺完整性管理推薦作法》[3]從平臺完整性管理的角度對在役平臺總結出了一系列常用的修復建議，國內其他文獻如參考文獻[2]等也有提及實際導管架缺陷損傷修復案例。本文從該作法推薦的修復方法出發，用幾種常用的修復方案對本平臺的適用性做了對比分析，對比分析結果如表3所示。

表3 導管架常見修復方案對該平臺的適用性對比分析

根據表3對比分析結果，選擇缺陷區域局部修復策略進行修復設計，最終選擇的設計方案是，在出現裂紋的水平層撐桿節點處增加8個小短節，從而提高局部結構強度，該方案設計如圖2所示。

3 修復方案評估

目前，國內外針對海洋平臺的修復評估并未形成一個統一的標準和做法，本文參考《海上固定式平臺完整性管理推薦作法》[3]以及目前國內在役海洋平臺的通用評估方法，提出評估思路如下：

1）分析修復后導管架整體強度水平，確保導管架整體仍處于相對安全的服役狀態；

2）對局部修復節點進行局部強度有限元分析以及疲勞分析確保修復節點的強度及疲勞壽命滿足使用要求；

圖2 節點局部加強修復設計

3）導管架整體結構非線性極限強度分析，論證修復后平臺有足夠的強度和穩定性抵抗外載荷，不會發生倒塌。

3.1 導管架整體強度水平分析

利用SACS建立目標平臺整體分析模型（見圖1b)）。出于保守考慮，對加強短節與現有撐桿組成的復合截面簡化處理，如圖3所示，不考慮加強短節與現有撐桿之間的截面積對復合截面截面模量等的貢獻。從圖3可以看出，修復后該復合截面的整體剛度依然大于修復前的撐桿剛度。

圖3 簡化的復合截面

對節點修復前后進行平臺整體強度分析，考慮了2類工況：1年一遇操作工況以及100年一遇極端條件。桿件及該水平層節點沖剪結果如表4和表5所示。

以上結果表明，修復前后桿件與節點沖剪應力比接近，這主要是因為該項目中選用的局部加強修復方案對結構整體影響較小，平臺結構局部載荷傳遞路徑并沒有發生大的變化。

表4 桿件沖剪校核

表5 節點沖剪校核

3.2 修復節點局部強度有限元分析

為更精確地考察修復節點的局部應力水平，采用有限元軟件ANSYS對節點局部進行了有限元分析，由于N703節點殘余裂紋較多，因此，有限元分析主要針對該節點進行，力學模型及網格劃分見圖4。

圖4 N703節點ANSYS有限元模型及網格劃分

提取SACS模型計算結果100年一遇分析工況的力學邊界條件對該節點模型進行局部分析，有限元應力結果如圖5所示。

圖5 N703節點ANSYS有限元應力分析結果

結果表明，在100年一遇極端工況下，修復節點局部等效應力超過了屈服極限，這一現象主要是由于模型局部網格奇異所致，修復節點應力水平控制在280 MPa以下，節點強度滿足設計要求。

3.3 管節點疲勞分析

為考察修復節點的疲勞壽命以及修復節點未來一段時間內的服役適用性，本文利用SACS軟件進一步分析了修復前后該水平層節點的疲勞壽命，分析結果如表6所示。由表6可以看出，修復后節點疲勞壽命顯著提升，該方案修復效果明顯。

表6 節點疲勞分析結果

3.4 導管架結構整體非線性極限強度倒塌分析

裂紋擴展分析表明未處理的裂紋在平臺未來服役過程中可能發生擴展，非線性極限強度分析的目的在于證明平臺有足夠的強度和穩定性抵抗外載荷，通常采用平臺的極限承載能力可由儲備強度系數（RSR）來表達，儲備強度系數（RSR）的定義如下：

在考慮裂紋擴展的情況下，本文利用SACS對平臺整體進行了導管架整體非線性極限強度分析，分析結果見表7。

表7 儲備強度系數分析結果

倒塌分析結果表明，該平臺整體儲備強度系數均大于1.5，滿足使用要求。

4 結論

針對南海東部某平臺飛濺區水平層管節點檢出的裂紋缺陷，本文提出了一種可行的修復方案，并對該修復方案進行了評估計算分析，分析過程中考慮了平臺整體強度和疲勞、平臺極限強度等。通過本文分析，可以得出如下結論：

1）本文基于API RP 2SIM分析對比了不同修復方案對目標平臺的修復效果，提出了一種適合目標平臺的修復方案，并針對該修復方案提出了修復后效果評估方法。評估分析結果表明，經修復后，目標平臺能夠滿足未來一定年限內的生產和鉆修井服務需求。

2）本文提出的評估老齡平臺裂紋缺陷及修復的方法已成功應用于南海東部某平臺實際工作修復作業中，取得了一定的經濟效益。

3）隨著國內海上平臺逐漸步入老齡化，本文的方法為國內其他平臺提供了一套可行的修復理論和分析工具，可以起到借鑒作用。