半潜式平台局部切割模拟及施工支撑方案改进

武卓威 刘 俊 寇雨丰 徐胜文

（1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室 上海 200240； 2.上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同中心 上海 200240）

海洋平台及相关技术在海洋油气勘探和开发过程中起到了非常关键的作用[1-2]。半潜式平台凭借其机动性强、甲板面积大、水线面面积小、水动力性能优良等优点[3-4]，能够完成多种类的任务，具有较强的竞争力，已在海洋工程领域得到了广泛应用。按有关部门规定，海洋平台投入使用后，需定期开展特检工作[5]。平台特检通常在干船坞内进行，由于半潜式平台结构复杂、设备繁多，特检施工过程难度较大[6]，确保特检施工过程的安全性具有重要意义。现有研究中，针对半潜式平台关注的重点往往在于完整平台结构的拖航、作业、自存等典型工况下的强度问题[7-15]，而针对进坞检修、部件更换等特殊情况下的结构分析关注较少，对切除了部分替换构件后的非完整平台结构同样很少加以考察。

本文针对某半潜式平台特检切割施工过程，考察了平台立柱大肘板构件切割过程的局部结构强度以及施工支撑方案。采用有限元方法，按照特检切割方案对某半潜式平台立柱大肘板切割进行了模拟，并通过切割第一阶段实测数据验证了平台结构以及边界条件模拟的准确性，考察了大肘板构件完全切割后平台的应力状态；针对可能存在的安全隐患区域，提出了支撑改进方案建议。本文研究结果可为半潜式平台的局部设计、强度校核以及平台检修维护过程中具体施工方案的制定提供一定的参考。

1 平台大肘板切割方案及应力监测

以近年刚完成了5年期特检工作的某典型半潜式平台作为研究对象，该平台在检修过程中发现立柱与浮体连接区域设置的大肘板构件多处出现严重损伤，需进行切除替换，如图1所示。切割范围根据平台特检要求确定，原则上需包含全部损伤区域，但不宜过大，否则可能对临近区域产生较大影响。同时，还需要保证切除后立柱-浮体连接区域剩余结构具有足够的强度。因此，切割前在切除范围两侧设置了连接立柱外板和浮体外板的型材作为支撑（图1b）。

图1 某半潜式平台大肘板切除结构及支撑构件示意图Fig.1 Bracket structure to be cut off and the supporting components of a semi-submersible platform

大肘板及邻近结构的切除分2轮进行。在完整切除前，首先在平台表面形成数条切割线进行应力释放，此过程并未切除任何结构，其目的在于降低大肘板区域结构应力水平，从而提高整体切除过程中的安全性，也为后续施工提供一定的便利，在该轮切割中在多个位置布置了传感器进行应力监测。该轮切割路线的选择应尽可能使被切割区域结构应力平缓释放，故单次切割距离不宜过长；同时还应便于实际施工开展。出于上述考虑，设置多段切割路线如图2所示，按字母a—o的顺序进行。第2轮切割中将大肘板及邻近结构完整切除，该轮切割将显著改变局部结构，危险程度更高，但缺少实测数据，是本文关注的重点。故首先考察应力释放切割，通过该阶段的实测数据建立可靠的数值计算模型，再借助有限元分析了解第2轮切割后的平台应力水平及分布情况。

应力释放切割施工过程共在8个测点布置了传感器进行应力监测。所有测点处的传感器在第1轮切割前安装完毕。每处测点布置4个传感器，其中3个为应变传感器，组成3片直角形式的应变花；另一个为温度传感器。测点位置的确定基于以下考虑：①需关注结构的关键部位，即结构形式显著变化或不同方向构件交汇导致应力较大的部位；②需关注的主要研究对象，如大肘板上和切割线附近；③为确定切割前的初始应力状态以校核模型，测点应包含在该轮切割后应力基本释放的位置；④需在不干扰其他特检施工工作前提下进行，同时应便于传感器走线，方便现场数据采集，并确保传感器能够快速拆除，不影响后续切割施工。综合上述考虑，测点布置如图2数字①～⑧所示。测点①、②、⑤和⑥分别靠近大肘板下、上趾端，该处结构变化显著，易产生应力集中；测点③、④位于重点关注的大肘板上；测点⑦、⑧则选在距离切割线较近、且靠近立柱内部舱壁与立柱外板连接位置。所有测点均布置在结构外侧以便于安装、走线和拆除。图3为测点布置现场照片。

分析测点和具体切割线位置可知，测点③、④和⑥在第1轮切割后应力将完全释放或近似完全释放，因此这3处在切割前后测得的应力变化能够真实反映相应位置在切割前的初始应力值。取切割后的真实应力值为0，根据实测数据推得各点在应力释放切割施工过程中Von Mises应力随时间变化情况如图4所示，图中纵坐标为取结束时刻真实应力值为0的前提下，根据实测数据反推得到的测点③、④、⑥处的Von Mises应力值。由图4曲线可确定测点③、④、⑥处的初始应力值（表1），作为后续有限元计算的验证依据。

图2 第一轮切割路线及测点布置方案Fig.2 Cutting route and measure points arrangement of the first-stage cutting process

图3 实际施工过程的传感器布置情况Fig.3 Arrangement of sensors during actual construction process

图4 测点③、④、⑥真实Von Mises应力变化曲线Fig.4 Recorded Von Mises stress curve at measure points of③、④、⑥

表1 测点③、④、⑥初始等效应力值Table1 Initial Von Mises stress at the measure points of③、④、⑥

2 切割施工前后数值模拟

2.1 切割初始应力实测结果与计算值

目标半潜式平台的有限元模型如图5a所示。左前立柱前方大肘板区域是需要切割置换的部位，在此对网格进行了细化，如图5b所示。采用允许垂直方向位移的单自由度接地弹簧单元模拟船台对平台的支撑作用。

图5 目标半潜式平台有限元模型Fig.5 FEM model of the target semi-submersible platform

根据平台检修实际施工过程的设备布置情况，除上层建筑和平台固定载重以外，通过质量点模拟了平台检修期间浮体外板和立柱外板上临时安装的电梯设备和各类支撑加强结构。计算得到切割前测点③、④、⑥处的等效应力水平，将其与实测结果进行对比，结果见表2，可以看出计算值和实测结果较为接近，符合较好，表明所建立的分析模型及计算方法可靠。

表2 切割前测点③、④、⑥处等效应力计算值与实测值的比较Table2 Comparison of calculation results and measured values of Von Mises stress at measure points of③、④、⑥before cutting process

2.2 大肘板整体切除数值模拟

在第2轮切割中，平台大肘板连同部分周围结构将一并切除。因此，需要修改模型，按照施工方案删去切除范围内的所有单元。根据原切割施工方案，为保护切割过程立柱-浮体连接区域局部结构的安全，在切除范围两侧设置了支撑型材，其形式如图6所示。

图6 大肘板结构切除后的切割区域局部有限元模型示意图Fig.6 Local FEM model of the cutting area with the bracket cut off

图7为计算得到的切除大肘板及附近构件后的立柱-浮体连接区域应力分布，结果显示在切除范围底部后方，切割线拐角点附近存在等效应力值超过300 MPa的高应力区域。显然，原施工方案中设置的支撑结构无法很好地缓解此处的应力集中，可能产生安全隐患，须在施工过程中给予关注。

图7 切除范围底部后方切割线拐角点附近区域应力分布Fig.7 Stress distribution around the bottom right corner of the cutting area

3 切割支撑改进方案设计及效果验证

3.1 支撑改进方案设计

有限元计算结果表明现有支撑方案对切割区域底部后方高应力区域的支撑保护效果不佳，应加以改进。设计改进方案前，须对该高应力区域的形成原因进行分析。

从构件传力分析，底部后方切割线拐角点处应力集中的主要原因在于该处切割后结构形式变化，拐角点后部结构（即图8中的子区域1）直接承受立柱传导而来的重力，该处底部会有较大的向下位移；拐角点前部结构（即图8中的子区域2）由于构件切割不直接承受立柱传递过来的重力，拐角点处前后结构存在相对位移的趋势，导致该处受到较强的剪切作用。尽管施工中设置了施工支撑（图6），但设置区域离应力集中处较远，同时不能直接承受或传递剪切作用，无法有效改善应力集中。

图8 拐角点前后结构子区域划分示意图Fig.8 Sub-regions of structures front and behind the corner point

根据上述分析，支撑方案的改进可从以下2个方向进行：1）设置加强构件帮助承担拐角点处承受的剪切作用，从而缓解拐角点处的应力集中，从整体上减小该区域的应力值；2）减轻切割拐角点处几何形式的突变程度，避免在切割后结构边缘在拐角点处形成直角，从而降低应力集中。相应地，本文提出了2种切割支撑改进方案。

方案一：在切割区域底部后方拐角点外侧的纵舱壁上设置斜向加强构件。构件两端与舱壁通过焊接连接，加强构件跨越图8所示的2个子区域，总长度约2.9 m，与水平方向呈约40°，两端分别固定于立柱下方的肋板和浮体内部纵向桁材；构件采用工字形截面，截面高度为0.6 m，材料为高强钢，如图9a所示。加强构件能够起到支撑作用，抑制2个子区域的相对位移趋势，从而降低角部应力集中程度。

方案二：在切割线拐角点处临时设置保护肘板。肘板近似直角三角形，两直角边分别固定在纵舱壁切口的垂直段和水平段上，肘板厚度方向上的中面应与纵舱壁板厚度方向上的中面保持共面，支撑改进位置如图9b所示；肘板的材料取为高强钢，直角边长约为250 mm，厚度与立柱纵舱壁保持一致。设置肘板后，原直角切口的几何形式得到改进，有助于缓解拐角点处的应力集中。

图9 支撑改进方案修改位置Fig.9 Position to be modified based on the improved supporting schemes

3.2 支撑改进方案效果验证

按照上述确定的2种改进方案，对平台有限元模型进行修改，开展数值模拟验证上述方案的实际效果。对于改进方案一，通过添加梁单元的方式模拟斜向加强构件；对于改进方案二，通过在拐角点处添加板单元的方式模拟保护肘板。分别计算无支撑措施、原支撑方案和2种支撑改进方案共计4种情况下大肘板切除前后的应力分布情况，结果如图10、11所示。

由图10、11可以看出，在大肘板区域切除前，添加各方案的支撑结构均不会显著影响原结构的应力分布，该区域的最大等效应力值保持在110 MPa左右。大肘板区域切除后，切割区域底部后方出现上述的高应力区域。通过对比可以看出，原支撑方案对该区域影响很小，无法改善此处的应力集中。而2种改进方案则会较为明显改变该区域应力分布情况。

图10 无支撑措施及原支撑方案时大肘板切割前后应力分布对比Fig.10 Stress distribution before and after the bracket has been cut off（without supporting and with original supporting scheme）

图11 改进支撑方案一、二的大肘板切割前后应力分布对比Fig.11 Stress distribution before and after the bracket has been cut off（with improved supporting schemeⅠandⅡ）

图12为2种改进支撑方案下切割后底部后方高应力区域的详细应力分布情况。图中471900、471899、471906号单元为原支撑方案下拐角点处应力最高的3个单元，能够突出反映该区域的应力水平。上述3个单元在无支撑措施、原支撑方案和2种支撑改进方案下的应力值见表3。

由表3可知，有限元计算结果表明在拐角点附近设置帮助承担剪切作用的加强构件（对应方案一）和改善切口几何形式（对应方案二）均能够改善因切割产生的应力集中现象，都具有一定参考价值。方案二中拐角点处应力值下降更为显著，但高应力区域转移至图12b所示的支撑肘板上，且应力值仍然较高。而方案一能够从整体上减小拐角点区域的应力值，且斜向加强构件的安装在施工过程中更易实现。同时从经济性角度考虑，方案一的加强构件总长度仅为原方案支撑型材的30%左右，可以节省材料、降低成本。

图12 改进方案一、二有限元模型及计算结果Fig.12 FEM model and calculation results of improved supporting schemeⅠandⅡ

表3 不同支撑方案的高应力单元平均等效应力对比Table3 Comparison of average Von Mises Stress of the elements with high stress in different supporting scheme

4 结论

针对半潜式平台立柱-浮体连接处大肘板切割施工过程，基于有限元分析方法，结合现场监测数据对平台大肘板构件切除后的局部结构强度进行了分析，结果表明原施工支撑方案下大肘板结构切除后将产生显著的高应力区域，存在一定的安全隐患。为此，设计了2套改进支撑方案，即在拐角点附近设置能够帮助承担剪切作用的加强构件（方案一）和改善切口几何形式（方案二），计算结果表明2个方案均能够改善因切割产生的应力集中现象，但改进方案一能够从整体上减小拐角点区域的应力值，且斜向加强构件的安装在施工过程中更易实现且经济性更优。本文研究结果可为半潜式平台的局部切割施工方案的制定提供一定的参考。