“勘探三号”半潜式钻井平台总强度评估

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“勘探三号”半潜式钻井平台是由中国船舶及海洋工程设计研究院设计，1984年在上海船厂建造完成并投入生产。目前，已使用近30年，根据测厚数据显示主要结构腐蚀率接近10%左右，对立柱及上部主甲板的腐蚀超标区域在近几年的修理过程中进行了更换，但对平台横撑、斜撑等撑杆系统，由于目前已经具有永久变形，担心整体更换存在风险。考虑到当年设计时对主要结构均采用了手工计算的保守设计，业主希望中国船级社能够采用目前更为准确的评估技术，考核横撑、斜撑等撑杆系统外板在一定假设腐蚀量下是否仍能满足强度的要求，根据校核结果为平台结构维修提出经济合理的建议。

技术要点

总体强度分析中需要解决的技术要点如下：

一是对平台的设计资料、改造情况、服役情况、以及维护修理资料进行梳理，力求最终的模型能够反映目前平台的实际状况，特别是在结构和重量重心方面；

二是对该平台将来的服役地区环境载荷等进行分析，如其不高于平台原设计环境条件，则可按照原平台设计环境条件进行校核，如高于平台设计环境条件，则应采用更新后的更高环境条件；

三是根据与业主确定的要求，对平台撑杆系统的外板分别扣掉原板厚的8%、10%及12%，然后进行平台在原设计条件下的整体强度校核；

四是对平台关键节点进行基于S-N曲线的全概率谱疲劳分析，并对采用谱疲劳方法计算的疲劳寿命不满足继续使用年限要求的节点，结合特检资料，进行基于断裂力学的裂纹扩展寿命预报（该部分内容将另文阐述）；

五是依据评估结果，对平台结构关键节点的安全状况进行分级，结合其拟继续使用的寿命，在保证平台结构安全性前提下，为结构维修制订更加经济合理的计划。

计算模型

用于半潜式平台整体强度分析的有限元模型采用空间板梁组合结构（谱疲劳分析的子模型全部采用薄壳单元，对基于断裂力学的裂纹扩展分析模型则全部采用三维实体单元）。其中，平板结构用4节点或3节点薄壳单元模拟，平台的骨架结构包括纵桁、加强筋、肋骨和肋板面板等采用2节点梁单元模拟。整个模型共包括213992个壳单元和11574个梁单元。除使用上述结构单元模拟平台结构之外，固定设备及压载水等主要重量使用0维质量点单元模拟，平台井架、燃烧臂等大型设备使用MPC点模拟。

由于需要校核横撑和斜撑腐蚀后的强度，因此建立了四个模型，一个模型的骨材尺寸及板厚根据图纸资料而来（初始模型），另外三个模型在初始模型的基础上，将撑杆系统外板厚分别腐蚀8%、10%和12%而来。

载荷工况

整体强度分析的载荷工况包含了静水工况、迁移工况、正常作业工况和自存工况4种状态。半潜式平台在迁移、正常作业和自存工况下主要受环境载荷和静载荷作用。环境载荷取操作手册中允许的最大风、浪、流载荷以及定位系泊的载荷，静载荷包括平台重量、固定装置、供应品、压载重量、作业载荷和浮力。

但在平台整体强度评估中，由于环境载荷中的风载、流载和系泊载荷相对于波浪载荷而言所占比重很小，因此在本平台整体强度评估中仅考虑波浪载荷对平台的作用。此外，从2009年该平台的计算报告可知，迁移工况对平台整体强度评估不起控制作用，因此本次整体强度评估中不考虑迁移工况。

对于静水工况，不考虑环境载荷的效应。对于正常作业工况和自存工况的波浪载荷，分别考虑以下7项控制载荷特征量对应的子工况：下壳体间的分离力；下壳体间的纵向剪切力；关于水平横轴的扭矩；下壳体上的垂向波浪弯矩；甲板质量的纵向加速度；甲板质量的横向加速度；甲板质量的垂向加速度。

应力计算和强度评估

本平台为钢制结构物，次要构件使用3C级别钢材，主要和特殊构件使用5C（相当于E级钢）级别钢材，钢材屈服应力均为σs=248 MPa。

（1）屈服强度评估：根据CCS《海上移动平台入级规范》，对静水工况，结构许用应力σs/1.43（173.6MPa），对于正常作业和风暴自存工况，结构许用应力为σs/1.11（223.2MPa）。根据上述CCS规范要求，对平台的屈服强度进行评估，并比较分析撑杆系统外板腐蚀前后，结构强度变化。

（2）屈曲强度评估：按照CCS规范要求，对平台进行了屈曲强度评估，结果显示UC值最大的0.988，发生在自存工况下上壳体主甲板靠近井口区域（波浪载荷为横向分离力最大时），但是绝大部分区域的UC值都比较低，这与本平台采用了普通强度钢建造有关。

分析结果表明，平台整体屈服和屈曲强度满足CCS规范要求。横撑、斜撑外板最大应力值为214Mpa，最大应力值对应的工况为风暴自存状态下的垂向加速度工况。撑杆系统外板按照上述比例腐蚀后，撑杆系统的应力没有明显变化，所受应力略有下降。这表明整个平台载荷传递科学，受力比较均匀，当撑杆刚度降低后，其载荷通过其他路径进行传递，从而使得与撑杆相邻的结构不连续处（原来撑杆系统的高应力处）实际受力变小，应力水平略有降低。撑杆系统厚度折减后，撑杆以外的其他区域结构应力有所提高但仍在可接受范围，计算结果表明，撑杆系统外板按照本文要求腐蚀后对其他结构屈服和屈曲强度影响较小。

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