半潛式平臺局部切割模擬及施工支撐方案改進

武卓威 劉 俊 寇雨豐 徐勝文

（1.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室 上海 200240； 2.上海交通大學高新船舶與深海開發裝備協同中心 上海 200240）

海洋平臺及相關技術在海洋油氣勘探和開發過程中起到了非常關鍵的作用[1-2]。半潛式平臺憑借其機動性強、甲板面積大、水線面面積小、水動力性能優良等優點[3-4]，能夠完成多種類的任務，具有較強的競爭力，已在海洋工程領域得到了廣泛應用。按有關部門規定，海洋平臺投入使用后，需定期開展特檢工作[5]。平臺特檢通常在干船塢內進行，由于半潛式平臺結構復雜、設備繁多，特檢施工過程難度較大[6]，確保特檢施工過程的安全性具有重要意義。現有研究中，針對半潛式平臺關注的重點往往在于完整平臺結構的拖航、作業、自存等典型工況下的強度問題[7-15]，而針對進塢檢修、部件更換等特殊情況下的結構分析關注較少，對切除了部分替換構件后的非完整平臺結構同樣很少加以考察。

本文針對某半潛式平臺特檢切割施工過程，考察了平臺立柱大肘板構件切割過程的局部結構強度以及施工支撐方案。采用有限元方法，按照特檢切割方案對某半潛式平臺立柱大肘板切割進行了模擬，并通過切割第一階段實測數據驗證了平臺結構以及邊界條件模擬的準確性，考察了大肘板構件完全切割后平臺的應力狀態；針對可能存在的安全隱患區域，提出了支撐改進方案建議。本文研究結果可為半潛式平臺的局部設計、強度校核以及平臺檢修維護過程中具體施工方案的制定提供一定的參考。

1 平臺大肘板切割方案及應力監測

以近年剛完成了5年期特檢工作的某典型半潛式平臺作為研究對象，該平臺在檢修過程中發現立柱與浮體連接區域設置的大肘板構件多處出現嚴重損傷，需進行切除替換，如圖1所示。切割范圍根據平臺特檢要求確定，原則上需包含全部損傷區域，但不宜過大，否則可能對臨近區域產生較大影響。同時，還需要保證切除后立柱-浮體連接區域剩余結構具有足夠的強度。因此，切割前在切除范圍兩側設置了連接立柱外板和浮體外板的型材作為支撐（圖1b）。

圖1 某半潛式平臺大肘板切除結構及支撐構件示意圖Fig.1 Bracket structure to be cut off and the supporting components of a semi-submersible platform

大肘板及鄰近結構的切除分2輪進行。在完整切除前，首先在平臺表面形成數條切割線進行應力釋放，此過程并未切除任何結構，其目的在于降低大肘板區域結構應力水平，從而提高整體切除過程中的安全性，也為后續施工提供一定的便利，在該輪切割中在多個位置布置了傳感器進行應力監測。該輪切割路線的選擇應盡可能使被切割區域結構應力平緩釋放，故單次切割距離不宜過長；同時還應便于實際施工開展。出于上述考慮，設置多段切割路線如圖2所示，按字母a—o的順序進行。第2輪切割中將大肘板及鄰近結構完整切除，該輪切割將顯著改變局部結構，危險程度更高，但缺少實測數據，是本文關注的重點。故首先考察應力釋放切割，通過該階段的實測數據建立可靠的數值計算模型，再借助有限元分析了解第2輪切割后的平臺應力水平及分布情況。

應力釋放切割施工過程共在8個測點布置了傳感器進行應力監測。所有測點處的傳感器在第1輪切割前安裝完畢。每處測點布置4個傳感器，其中3個為應變傳感器，組成3片直角形式的應變花；另一個為溫度傳感器。測點位置的確定基于以下考慮：①需關注結構的關鍵部位，即結構形式顯著變化或不同方向構件交匯導致應力較大的部位；②需關注的主要研究對象，如大肘板上和切割線附近；③為確定切割前的初始應力狀態以校核模型，測點應包含在該輪切割后應力基本釋放的位置；④需在不干擾其他特檢施工工作前提下進行，同時應便于傳感器走線，方便現場數據采集，并確保傳感器能夠快速拆除，不影響后續切割施工。綜合上述考慮，測點布置如圖2數字①～⑧所示。測點①、②、⑤和⑥分別靠近大肘板下、上趾端，該處結構變化顯著，易產生應力集中；測點③、④位于重點關注的大肘板上；測點⑦、⑧則選在距離切割線較近、且靠近立柱內部艙壁與立柱外板連接位置。所有測點均布置在結構外側以便于安裝、走線和拆除。圖3為測點布置現場照片。

分析測點和具體切割線位置可知，測點③、④和⑥在第1輪切割后應力將完全釋放或近似完全釋放，因此這3處在切割前后測得的應力變化能夠真實反映相應位置在切割前的初始應力值。取切割后的真實應力值為0，根據實測數據推得各點在應力釋放切割施工過程中Von Mises應力隨時間變化情況如圖4所示，圖中縱坐標為取結束時刻真實應力值為0的前提下，根據實測數據反推得到的測點③、④、⑥處的Von Mises應力值。由圖4曲線可確定測點③、④、⑥處的初始應力值（表1），作為后續有限元計算的驗證依據。

圖2 第一輪切割路線及測點布置方案Fig.2 Cutting route and measure points arrangement of the first-stage cutting process

圖3 實際施工過程的傳感器布置情況Fig.3 Arrangement of sensors during actual construction process

圖4 測點③、④、⑥真實Von Mises應力變化曲線Fig.4 Recorded Von Mises stress curve at measure points of③、④、⑥

表1 測點③、④、⑥初始等效應力值Table1 Initial Von Mises stress at the measure points of③、④、⑥

2 切割施工前后數值模擬

2.1 切割初始應力實測結果與計算值

目標半潛式平臺的有限元模型如圖5a所示。左前立柱前方大肘板區域是需要切割置換的部位，在此對網格進行了細化，如圖5b所示。采用允許垂直方向位移的單自由度接地彈簧單元模擬船臺對平臺的支撐作用。

圖5 目標半潛式平臺有限元模型Fig.5 FEM model of the target semi-submersible platform

根據平臺檢修實際施工過程的設備布置情況，除上層建筑和平臺固定載重以外，通過質量點模擬了平臺檢修期間浮體外板和立柱外板上臨時安裝的電梯設備和各類支撐加強結構。計算得到切割前測點③、④、⑥處的等效應力水平，將其與實測結果進行對比，結果見表2，可以看出計算值和實測結果較為接近，符合較好，表明所建立的分析模型及計算方法可靠。

表2 切割前測點③、④、⑥處等效應力計算值與實測值的比較Table2 Comparison of calculation results and measured values of Von Mises stress at measure points of③、④、⑥before cutting process

2.2 大肘板整體切除數值模擬

在第2輪切割中，平臺大肘板連同部分周圍結構將一并切除。因此，需要修改模型，按照施工方案刪去切除范圍內的所有單元。根據原切割施工方案，為保護切割過程立柱-浮體連接區域局部結構的安全，在切除范圍兩側設置了支撐型材，其形式如圖6所示。

圖6 大肘板結構切除后的切割區域局部有限元模型示意圖Fig.6 Local FEM model of the cutting area with the bracket cut off

圖7為計算得到的切除大肘板及附近構件后的立柱-浮體連接區域應力分布，結果顯示在切除范圍底部后方，切割線拐角點附近存在等效應力值超過300 MPa的高應力區域。顯然，原施工方案中設置的支撐結構無法很好地緩解此處的應力集中，可能產生安全隱患，須在施工過程中給予關注。

圖7 切除范圍底部后方切割線拐角點附近區域應力分布Fig.7 Stress distribution around the bottom right corner of the cutting area

3 切割支撐改進方案設計及效果驗證

3.1 支撐改進方案設計

有限元計算結果表明現有支撐方案對切割區域底部后方高應力區域的支撐保護效果不佳，應加以改進。設計改進方案前，須對該高應力區域的形成原因進行分析。

從構件傳力分析，底部后方切割線拐角點處應力集中的主要原因在于該處切割后結構形式變化，拐角點后部結構（即圖8中的子區域1）直接承受立柱傳導而來的重力，該處底部會有較大的向下位移；拐角點前部結構（即圖8中的子區域2）由于構件切割不直接承受立柱傳遞過來的重力，拐角點處前后結構存在相對位移的趨勢，導致該處受到較強的剪切作用。盡管施工中設置了施工支撐（圖6），但設置區域離應力集中處較遠，同時不能直接承受或傳遞剪切作用，無法有效改善應力集中。

圖8 拐角點前后結構子區域劃分示意圖Fig.8 Sub-regions of structures front and behind the corner point

根據上述分析，支撐方案的改進可從以下2個方向進行：1）設置加強構件幫助承擔拐角點處承受的剪切作用，從而緩解拐角點處的應力集中，從整體上減小該區域的應力值；2）減輕切割拐角點處幾何形式的突變程度，避免在切割后結構邊緣在拐角點處形成直角，從而降低應力集中。相應地，本文提出了2種切割支撐改進方案。

方案一：在切割區域底部后方拐角點外側的縱艙壁上設置斜向加強構件。構件兩端與艙壁通過焊接連接，加強構件跨越圖8所示的2個子區域，總長度約2.9 m，與水平方向呈約40°，兩端分別固定于立柱下方的肋板和浮體內部縱向桁材；構件采用工字形截面，截面高度為0.6 m，材料為高強鋼，如圖9a所示。加強構件能夠起到支撐作用，抑制2個子區域的相對位移趨勢，從而降低角部應力集中程度。

方案二：在切割線拐角點處臨時設置保護肘板。肘板近似直角三角形，兩直角邊分別固定在縱艙壁切口的垂直段和水平段上，肘板厚度方向上的中面應與縱艙壁板厚度方向上的中面保持共面，支撐改進位置如圖9b所示；肘板的材料取為高強鋼，直角邊長約為250 mm，厚度與立柱縱艙壁保持一致。設置肘板后，原直角切口的幾何形式得到改進，有助于緩解拐角點處的應力集中。

圖9 支撐改進方案修改位置Fig.9 Position to be modified based on the improved supporting schemes

3.2 支撐改進方案效果驗證

按照上述確定的2種改進方案，對平臺有限元模型進行修改，開展數值模擬驗證上述方案的實際效果。對于改進方案一，通過添加梁單元的方式模擬斜向加強構件；對于改進方案二，通過在拐角點處添加板單元的方式模擬保護肘板。分別計算無支撐措施、原支撐方案和2種支撐改進方案共計4種情況下大肘板切除前后的應力分布情況，結果如圖10、11所示。

由圖10、11可以看出，在大肘板區域切除前，添加各方案的支撐結構均不會顯著影響原結構的應力分布，該區域的最大等效應力值保持在110 MPa左右。大肘板區域切除后，切割區域底部后方出現上述的高應力區域。通過對比可以看出，原支撐方案對該區域影響很小，無法改善此處的應力集中。而2種改進方案則會較為明顯改變該區域應力分布情況。

圖10 無支撐措施及原支撐方案時大肘板切割前后應力分布對比Fig.10 Stress distribution before and after the bracket has been cut off（without supporting and with original supporting scheme）

圖11 改進支撐方案一、二的大肘板切割前后應力分布對比Fig.11 Stress distribution before and after the bracket has been cut off（with improved supporting schemeⅠandⅡ）

圖12為2種改進支撐方案下切割后底部后方高應力區域的詳細應力分布情況。圖中471900、471899、471906號單元為原支撐方案下拐角點處應力最高的3個單元，能夠突出反映該區域的應力水平。上述3個單元在無支撐措施、原支撐方案和2種支撐改進方案下的應力值見表3。

由表3可知，有限元計算結果表明在拐角點附近設置幫助承擔剪切作用的加強構件（對應方案一）和改善切口幾何形式（對應方案二）均能夠改善因切割產生的應力集中現象，都具有一定參考價值。方案二中拐角點處應力值下降更為顯著，但高應力區域轉移至圖12b所示的支撐肘板上，且應力值仍然較高。而方案一能夠從整體上減小拐角點區域的應力值，且斜向加強構件的安裝在施工過程中更易實現。同時從經濟性角度考慮，方案一的加強構件總長度僅為原方案支撐型材的30%左右，可以節省材料、降低成本。

圖12 改進方案一、二有限元模型及計算結果Fig.12 FEM model and calculation results of improved supporting schemeⅠandⅡ

表3 不同支撐方案的高應力單元平均等效應力對比Table3 Comparison of average Von Mises Stress of the elements with high stress in different supporting scheme

4 結論

針對半潛式平臺立柱-浮體連接處大肘板切割施工過程，基于有限元分析方法，結合現場監測數據對平臺大肘板構件切除后的局部結構強度進行了分析，結果表明原施工支撐方案下大肘板結構切除后將產生顯著的高應力區域，存在一定的安全隱患。為此，設計了2套改進支撐方案，即在拐角點附近設置能夠幫助承擔剪切作用的加強構件（方案一）和改善切口幾何形式（方案二），計算結果表明2個方案均能夠改善因切割產生的應力集中現象，但改進方案一能夠從整體上減小拐角點區域的應力值，且斜向加強構件的安裝在施工過程中更易實現且經濟性更優。本文研究結果可為半潛式平臺的局部切割施工方案的制定提供一定的參考。