惠州32-3导管架裂纹群结构安全评估及维修方案研究

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司深水工程建设中心 广东深圳 518000）

海上导管架平台结构服役期间长期受风、浪、流及腐蚀等海洋环境的作用，平台结构抗力将发生衰减，尤其是在周期性波浪载荷作用下可能出现节点累积疲劳损伤，而且累积到一定程度时会使节点发生失效。我国南海东部油田现有的28座导管架平台中已有14座超过了原设计寿命，其中有一部分平台已超出设计服役年限，在检测中发现了节点疲劳裂纹。一般而言，疲劳裂纹首先表现为在应力集中系数较高的管节点热应力区域的单道疲劳裂纹[1]，此类裂纹失稳扩展的后果是结构件与节点相脱离，影响结构安全。因此，工程上首选采用基于断裂力学的详细疲劳评估方法对其裂纹扩展趋势和剩余疲劳寿命进行评估，判断是否满足强度要求，若不满足，则采取裂纹修复或节点加强措施[2-6]。然而，近期发现一些超期服役的导管架管节点出现的裂纹不仅仅是单个裂纹，而是以多个甚至几十个浅表裂纹形成的裂纹群，如惠州32-3导管架裂纹群。

本文针对惠州32-3导管架裂纹群情况，依据相关行业规范标准，对导管架结构安全进行了全面评估，优选出维修实施方案，并最终完成了该导管架的裂纹群修复，确保了老旧平台在超期服役时仍处于可接受的安全水平。

1 惠州32-3导管架裂纹群概况

惠州32-3导管架平台位于南海东部珠江口盆地某区块，作业水深约110 m，是一座4腿8裙桩钻采综合平台，1995年6月投产，设计寿命10年。2018年4月对该平台导管架进行特检时发现图1所示的蜘蛛甲板EL（+）365.76 cm处节点有54条裂纹，最大深度6.7 mm。2018年9月超强台风“山竹”正面袭击后，该蜘蛛甲板处节点又新增了6条裂纹，最大深度6.5 mm，裂纹基本情况见表1。

通过对该导管架结构特点及原设计报告分析，判断惠州32-3导管架出现的裂纹群为疲劳裂纹，主要表现在：①蜘蛛甲板处发现的缺陷均为浅表性裂纹且位置相似，所在位置与原疲劳设计的最薄弱位置吻合；②导管架结构工作点位于蜘蛛甲板主节点处，且其特有的呈倒K结构型式造成主节点应力偏高；③2018年强台风“山竹”过后已有裂纹经现场复检后未发现明显扩展现象。

图1 惠州32-3导管架蜘蛛甲板节点示意图Fig.1 Node sketch of spider deck of HZ32-3 jacket

表1 惠州32-3导管架蜘蛛甲板处裂纹情况Table1 Cracks of HZ32-3 jacket spider deck

从表1可知，惠州32-3导管架节点出现以多个甚至几十个浅表裂纹形式的裂纹群，在南海为首次发现甚至在业界也甚为罕见。为保障该导管架平台的运行安全，须对该导管架结构安全进行整体评估，并制定合理的维修实施方案。

2 导管架裂纹群结构安全评估

依据API RP 2A-WSD规范[7]，对老旧导管架平台进行延寿评估，可采用3步评估法：首先进行设计水平分析；如导管架部分杆件的强度不满足设计要求，可进行极限强度分析；若发现疲劳裂纹，则应进一步进行基于断裂力学的详细疲劳裂纹扩展分析，以验证平台的总体强度和关键节点疲劳寿命，使平台满足在极端工况下不会发生倒塌的规范要求。

参考API规范、中国海油企业标准[8-9]以及惠州油田最新环境条件数据，对惠州32-3导管架平台结构依次进行设计水平分析、极限强度分析（倒塌分析）和基于断裂力学的裂纹扩展分析，综合评估导管架带裂纹节点现状及裂纹发展状态的结构安全水平。

2.1 计算模型建立

平台结构分析采用海洋工程结构分析和设计专业软件SACS进行，通过整理原平台设计资料、历年维修改造数据等建立SACS分析模型。在局部节点裂纹扩展分析中，为获取节点应力集中系数，则采用通用有限元分析软件ABAQUS对蜘蛛甲板水平层上的4个节点进行有限单元模型模拟。为全面评估裂纹对平台结构整体强度的影响，依据API RP 2SIM规范[10]，在SACS评估模型中对裂纹处的杆件端部壁厚进行了合理折减。虽然疲劳裂缝形状一般为半椭圆形，但考虑到测量点的深度不一定是裂缝最深处，因此疲劳裂缝的面积按矩形计算。若裂纹位于主腿一侧的焊脚，则对主腿节点加厚段全长进行壁厚等效折减；若裂纹位于撑杆一侧的焊脚，则对杆件端部60.96 cm范围内对壁厚进行等效折减。为评估裂纹群当前状态及可能的不利或扩展状况，在评估中考虑了以下3种裂纹。

1）裂纹损伤当前状况。考虑了2018年特检期间在EL（+）365.76 cm蜘蛛甲板节点上发现的所有裂纹，SACS分析模型如图2所示。考虑到单根杆件因裂缝造成的截面损失比例最大为4%（表1），裂纹实际检测也可能存在一定误差，按保守选择将杆件壁厚均匀折减10%。在杆件截面总损失比例较小时，各方位截面损失的不均衡导致的抗弯能力的变化可忽略不计，裂纹造成的面积损失对杆件的抗拉抗压能力影响有限，足以对带裂纹杆件进行合理准确评估。

图2 惠州32-3导管架裂纹损伤SACS模型Fig.2 SACS model of HZ32-3 jacket cracking

2）裂纹损伤不利状况。平台结构原设计报告显示低疲劳寿命节点主要集中于导管架顶部3层，为考虑该平台结构水下区域有可能出现类似裂纹，假定导管架顶部3层所有节点都存在与EL（+）365.76 cm蜘蛛甲板处相似的结构疲劳裂纹，所有主腿节点和其他杆件端部60.96 cm范围内的壁厚都按均匀折减10%考虑。

3）裂纹损伤扩展状况。为评估裂纹损伤未来的可能扩展工况对平台结构的整体影响，假定EL（+）365.76 cm蜘蛛甲板处的所有裂纹暂时不进行维修而发生进一步扩展，所有主腿节点和其他杆件端部60.96 cm范围内壁厚都按均匀折减50%考虑。

2.2 平台结构整体评估

2.2.1 设计水平分析

平台结构设计水平分析包括整体结构静力分析、疲劳分析等。静力分析主要关注结构杆件和节点是否满足设计水平强度要求，疲劳分析则主要关注管节点等疲劳敏感部位是否满足疲劳设计寿命要求。设计水平分析一般采用波谱疲劳分析方法，因惠州32-3导管架蜘蛛甲板处的4个主节点均出现裂纹，疲劳分析直接采用疲劳裂纹扩展分析方法。设计水平分析考虑了2种工况：①一年一遇台风操作工况；②百年一遇台风极端工况。

2.2.2 极限强度分析

导管架平台结构属于高次超静定框架体系，采用极限强度分析可充分考虑材料的屈服强度及结构应力重新分布，并挖掘结构的强度储备，减少冗余度。在分析中可采用平台非线性倒塌分析来验证。平台倒塌分析采用与静力分析一致的分析模型，逐步施加超过设计水平要求的环境载荷，直至导管架结构构件塑性屈服导致变形过大或计算不收敛为止，此时平台达到极限侧向承载能力。若计算得到的结果与设计能力比值大于相关规范规定的1.60（平台结构储备强度比），则平台可继续安全使用。

2.2.3 节点疲劳裂纹扩展分析

节点疲劳裂纹扩展分析包括节点应力分析和断裂力学分析等，断裂力学分析依据BS 7910[11]、API RP 579[12]等规范结合相应分析工具进行，而节点应力分析往往是难点和重要环节。为了解疲劳裂纹附近节点应力集中情况以及评估基于断裂力学的疲劳寿命，对蜘蛛甲板处的4个主节点分别创建了ABAQUS有限元模型，如N703节点有限元模型如图3所示。

图3 惠州32-3导管架N703节点有限元模型Fig.3 FEM mode for HZ32-3 jacket node N703

模型选用壳单元，节点附近使用了长度为0.2倍壁厚的细分网格，用以精确计算节点处的热点应力。各杆件端部的载荷采用图2计算模型，模拟在疲劳波浪作用下对应的受力情况。热点应力的幅值假定为8个方向（0°到360°，每间隔45°为一个方向）疲劳环境载荷作用下热点应力最大值的2倍。节点疲劳裂纹扩展分析基于循环计算裂纹扩展速度与应力周期的关系，并持续更新裂纹的大小，在断裂失效评定图上绘制裂纹扩展连续曲线，直到该曲线与断裂失稳临界曲线相交，即裂纹扩展到足以造成全截面的损害。对N703节点上某裂纹的扩展分析结果如图4所示。

图4 惠州32-3导管架N703节点某裂纹的扩展分析图Fig.4 Simplified fracture-fatigue assessment for HZ32-3 jacket node N703

2.3 整体评估结果分析

惠州32-3导管架带裂纹群不同状况下的极限强度分析结果表明，导管架结构整体储备强度比满足不小于1.60的规范要求。裂纹扩展分析得到的最小疲劳剩余寿命为11 a。设计水平分析结果显示部分杆件和节点结构强度UC值大于1.0（表2），以及桩基承载力安全系数小于1.5，表明导管架仍具有一定安全余量。但结合油田需继续生产10 a的需求，还需要尽快开展导管架疲劳损伤缓解措施研究和维修实施工作。

表2 惠州32-3导管架带裂纹群设计水平分析结果Table2 Design assessment results of HZ32-2 jacket with intensive cracking

3 导管架裂纹群维修方案选择与实施

3.1 维修方案比选

根据国内外业界的实践经验，对深度小于3 mm的浅表裂纹损伤可通过小规模的打磨或者钻止裂孔来修复，而对较大的裂纹损伤则需通过更复杂的维修技术手段来解决，如：杆件灌浆、焊接（湿焊或干焊）、设置局部加强件（扣管、楔形管、角撑板、复板）、灌浆卡箍、构造改造等。对导管架结构损伤的各种维修手段的选用主要取决于损伤的机理、程度和位置，并综合考虑维修技术有效性、维修方案可行性、维修工期和成本、对现有结构的影响等几个因素。

参考国内外业界相关维修经验，结合现场实施的可操作性及与原平台结构设施可能的干涉等因素，开展了惠州32-3导管架裂纹群维修方案的研究。经过对业界6种裂纹维修方法进行初步比选，确定了小裂纹打磨和节点加强作为惠州32-3导管架裂纹群维修的可选方案（表3）。

对于裂纹深度小于3 mm的浅表裂纹，采用常规的标准作业程序进行打磨处理，防止进一步扩展。而对于深度大于3 mm但其节点仍具有较好的整体强度的非大尺度裂纹，一般可采用节点局部加强维修技术，其核心是设计出一种能够改变结构节点载荷传递路径的加强措施，有效降低节点应力水平，提高疲劳寿命。基于此，研究了以下2种节点加强方案：

表3 惠州32-3导管架裂纹群维修方法对比Table3 Selection of intensive cracking repair method for HZ32-3 jacket

1）节点加强方案A（加强件法，图5a）。采用若干个加强件对带裂纹群的4个主节点进行局部结构加强，每个节点加强件由4部分组成，节点上方为2个稍大于原结构杆件（原结构杆件直径60.96 cm）直径为66.04 cm的水平扣管，扣住原杆件与主腿连接处的部分时钟位置；水平完整段的长度为5.08 cm，以1∶3斜度与尾端相接并盖板封闭。节点下方为2个楔形块，其中半圆部分直径为81.28 cm并贴住斜拉杆加厚段范围，并以2块三角盖板连接斜拉杆和主腿形成封闭。为便于焊接，在确定水平扣管和楔形块尺寸时综合考虑了与平台现有设施的干涉情况。该方案优点是不需对现有裂纹进行直接维修，不足之处是对加强件现场组对的精度要求较高。

2）节点加强方案B（短撑杆法，图5b）。采用若干个短撑杆对发现裂纹群的蜘蛛甲板处的4个主腿节点的下方进行局部结构加强，每个节点加强撑杆均4根短撑杆组成。撑杆为直径60.96 cm的圆管，水平撑杆在标高91.44 cm处，斜撑杆与原结构水平杆相较于水平杆中点附近，且新焊道与水平杆件原有焊道完全不干涉。该方案优点是不改变原有结构节点，不足之处是施工作业面距海平面空间较小。

图5 惠州32-3导管架节点加强方案对比Fig.5 Reinforcement plan for HZ32-3 jacket nodes

根据经验分析，上述2个方案都具有可操作性，其中方案B修复费用略高，方案选择重点关注技术优越性。对2个节点加强方案实施后的平台结构进行了整体评估，分析结果（表4）表明：针对2个节点加强方案，设计水平分析各工况下的结果变化不明显，但节点应力集中水平明显下降（图6），可有效提高其疲劳寿命，维修后原结构剩余设计疲劳寿命均大于10 a，可满足导管架延寿使用需求。采用方案A维修后，在其剩余疲劳寿命结束后新增加强件的焊接缺陷距全截面失效临界裂缝尺寸最低寿命大于10 a，而方案B仅为4 a。综合比较，最终选择加强方案A作为惠州32-3导管架节点裂纹群维修的最优方案。

表4 惠州32-3导管架维修后评估分析结果Table4 Assessment results of HZ32-3 jacket after repair

图6 惠州32-3导管架修复前后节点应力集中水平对比Fig.6 Comparison of joints stress concentration before and after HZ32-3 jacket repaired

3.2 维修方案实施

海上施工作业前，根据方案A的情况，在陆地进行了焊接工艺评定、施工方案设计、加强件预制等准备工作，并制定了2个施工效率保障措施：①为确保加强件一次安装成功，根据方案设计要求对节点现场尺寸进行了复测，利用3D建模放样，并制作楔形块试样进行了预安装；②每个节点的楔形块最低点施工作业面距海平面仅1.5 m，焊接作业对海况要求较高（波高1 m以下），为此现场搭建了简易的防浪装置，安排2组施工人员同时施工，海况良好时优先焊接楔形块，海况较差时焊接水平扣管。

惠州32-3导管架维修海上施工作业从2019年5月1日开始，历经40 d连续施工，于2019年6月10日全部完工，并取得了第三方发证检验机构的可继续运行的符合性证书，及时解除了惠州32-3导管架平台运行的重大安全隐患。

4 结束语

惠州32-3导管架裂纹群结构安全评估和维修方案实施，使平台达到了继续安全运行的要求和预期效果。这是国内首次成功实施针对带复杂裂纹群的老旧导管架节点评估和加强维修方案，不仅为解决南海老旧导管架平台的疲劳裂纹治理提供了清晰的技术路线，而且形成了一套完整的检测评估维修技术体系，同时提升了国内导管架平台结构安全评估和修复技术水平，对今后我国海上老旧导管架和同类工程结构完整性管理具有良好的借鉴意义。