老龄海上移动平台结构安全管理初探

李红涛

(中国船级社海工审图中心，天津 300457)

老龄海上移动平台结构安全管理初探

李红涛

(中国船级社海工审图中心，天津 300457)

主要介绍了中国船级社对老龄海上移动平台加强检验的管理要求，对船龄超过30年的老龄移动平台实行特别现场检验和检测，并根据实际测厚数据进行平台结构强度校核，最终确定平台安全状况是否满足主管机关要求。以一个实际老龄自升式钻井平台为例，介绍了现场检验和检测要求，并通过实际计算分析指导现场进行结构加强，保证了此老龄平台日后的作业安全。中国船级社对老龄移动平台的管理手段开创了超期服役海上移动平台安全管理的新模式，对保障我国海洋工程装备安全生产具有重要意义。

老龄移动平台;加强检验;结构强度评估;安全管理

海上移动平台是指根据需要从一个作业地点转移到另一个作业地点的海上平台［1］，根据其结构形式可分为自升式平台、柱稳式平台、坐底式平台及水面式平台。海上移动平台一般为开采海上油气，需长期工作在恶劣的海洋环境中，受到波浪抨击、冲刷、腐蚀、构件损伤变形、疲劳等不利因素的影响，尤其当平台进入超期服役阶段，其结构抗力的衰减、疲劳损伤的加速及安全环保等问题日益突出，存在很大的安全隐患。

目前，国外对于超期服役的老龄移动平台，没有形成完善、成熟的监管体系;对于我国营运船舶，交通运输部2006年下发了《老旧运输船舶管理规定》［2］，对不同的船舶类别规定了强制报废船龄;海上移动平台作为特殊的海上作业设施，和传统的营运船舶不同，并没有强制报废船龄。我国海上移动平台的拥有者一般为中海油、中石油、中石化等石油公司，其建造或购买的海上移动平台很大一部分为20世纪70或80年代，海上移动平台的设计寿命一般为20年或30年，这些早期的移动平台陆续进入后服役期，因此如何对超期服役的海上移动平台进行安全管理已经成为主管机关的一个新课题。

主要介绍了中国船级社(以下简称CCS)对老龄海上移动平台加强检验的管理要求，对船龄超过30年的老龄移动平台实行特别现场检验和检测，并根据实际测厚数据进行平台结构强度校核，最终确定平台安全状况是否满足主管机关要求;以一个实际老龄自升式钻井平台为例，介绍了现场检验和检测要求，并通过实际计算分析指导现场进行结构加强，保证了此老龄平台日后的作业安全。中国船级社对老龄移动平台的管理手段开创了超期服役海上移动平台安全管理的新模式，对保障我国海洋工程装备安全生产具有重要意义。

1 CCS加强老龄移动平台检验规定

CCS于2009年6月下发了《关于加强老龄移动平台检验管理的规定》通函(以下简称“通函”)［3］，其中明确规定，对于船龄超过30年以上的老龄平台，应进行特别检验和检测，主要包括平台现场结构检验和根据实际测厚的平台结构强度校核。

1.1 平台结构的现场检验和检测

“通函”规定，老龄移动平台的现场结构检验、检测应满足如下要求:

1)平台结构检验、检测应按特别检验(包括相关坞内检验)的相应范围与要求实施，检测数据的采集应能满足结构强度校核所必需的要求。

2)首次按本通函要求实施检验前，执行检验单位应会同海工审图中心、业主、检测专业公司(必要时)制订尽可能详细的“结构特别检验、检测计划”:①计划应满足规范、规则和审图中心为结构强度校核建模所需数据采集的需要;②在“结构特别检验、检测计划”经本社社总部海工营运处批准后，在本次以及随后的相关检验中实施。

3)第二次及以后按照本通函要求实施检验时，执行检验单位应会同海工审图中心、业主，根据上次结构校核的结论，修订前次批准的“结构特别检验、检测计划”，经本社社总部海工营运处批准后予以实施。

4)上述检验实施中，应严格实施经批准的“结构特别检验、检测计划”。必要时，验船师可根据现场情况，要求对重要构件的尺寸、变形以及全船龙骨基线的测量，并可根据检验发现及探伤的情况，要求适当增加无损检测范围。

以上是“通函”对老龄移动平台现场结构检验、检测的主要规定。从“通函”要求可以看出，老龄移动平台的现场结构检验、检测较常规坞检、特检，范围更广，探伤、测厚要求更为严格，且检验、检测结果应满足结构强度校核的建模要求。

1.2 平台结构强度校核

平台每次进行坞内检验和特别检验，都需根据现场测厚结果、结构实际状态进行结构强度校核，找出结构薄弱或危险区域，用以指导验船师现场检验和业主对平台结构的维护保养。

主要强度校核要求如下:

1)总体性能分析/总体结构强度分析:考察平台的重量、重心、受风面积及水密完整性，如变化较大，应进行平台的总体性能/总体结构强度分析，主要包括:平台的整体结构强度校核;平台的完整稳性、破舱稳性;自升式平台的站立稳性;自升式平台的桩腿屈服、屈曲强度分析;平台压载能力校核;自升式平台的升降系统承载能力校核(如有锁紧装置，应进行锁紧系统承载能力校核);自升式平台的桩靴承载能力校核;柱稳式平台的总体结构强度分析(总体模型范围应涵盖平台的所有主体结构，包括整个甲板、上、下壳体、立柱、撑杆以及参与总体强度的主要附属结构等)。

2)局部结构强度校核:对平台上的主要结构，或由于使用频率较多产生严重磨损的部位、高应力区域产生应力腐蚀的部位、出现严重化学腐蚀的部位，应根据结构实际状态对如下重点部位进行局部强度校核。

①自升式平台围阱区域结构强度校核

主要考虑齿轮齿条(插销或销孔)的磨损及结构实际腐蚀，对围阱区域结构，包括:升降系统基础、上、下导向结构、锁紧系统基础、升降系统间拉紧结构及围阱舱壁进行屈服、屈曲强度校核等，是否满足规范要求。

②自升式平台桩靴结构强度校核

桩靴工作环境恶劣，易产生腐蚀、变形及裂纹，应根据桩靴实际状态，对桩靴结构按规范要求工况，进行屈服、屈曲强度校核。

③自升式平台悬臂梁结构强度校核

根据悬臂梁实际状态，包括重量、变形及最大伸出位置，校核其屈服、屈曲强度是否满足规范要求。

④大型设备基础结构强度校核

悬臂梁基础、钻台基础、吊机基座支撑结构属于使用频次高，易产生磨损与变形的主要结构，应根据实际重量和尺寸，结合现场检验结果，必要时对其屈服、屈曲强度进行分析;此外，根据实际情况，考虑是否进行承受较重甲板负荷作用的局部甲板结构及其支撑结构、直升机甲板支撑基础、发电机基座、泥浆泵基座等结构的强度校核。

⑤泥浆池、压载舱结构强度

泥浆池、压载舱极易产生腐蚀，应根据实际腐蚀情况，对其结构进行规范强度校核。

3)构件尺寸规范经验公式校核:自升式平台船体、沉垫以及柱稳式平台上壳体、立柱、柱靴、下壳体应按照《海上移动平台入级与建造规范》(2005)、我社现行有效版《钢质海船入级规范》中有关的水密舱壁和深舱舱壁构件尺寸经验公式进行校核。

4)对平台结构实施连续的监测和强度计算。在平台每次坞检时，都要对平台结构状况进行计算，并根据本次测厚报告中型材的腐蚀情况和现场勘验状况修改模型的相关部分，进行结构计算分析，以确定结构强度、平台目前的结构状况、改造或加强的要求。

从“通函”对平台结构强度校核的要求可以看出，此强度分析的范围涵盖了平台的所有主要结构，根据平台的实际勘查状况，通过直接计算确定平台的安全状态。

1.3 平台结构安全状况评价

CCS依据平台结构安全状况初步评估结果，确定平台保持或缩短特别检验和坞内检验正常间隔期、或必需的安全措施，以此作为签发法定及入级证书的基础。

2 CCS级老龄移动平台检验案例

某一CCS级老龄移动平台2009年需进坞进行特检，因其船龄超过30年，此船应按CCS“通函”要求进行检验。此船为悬臂梁式自升式钻井平台，始建于1976年，采用三角形箱形主船体，配有三个桁架式桩腿，艏一尾二，升降系统为浮动式电动齿轮升降系统，每个桩腿弦杆一套;平台每个桩腿带有一个圆形的桩靴，拖航时可收回船底;目前最大作业能力水深为45.72 m(150英尺)。

按“通函”要求，CCS组织相关专业检验人员对此老龄平台进行了实地勘验，并会同船东共同制定了检验、检测计划。

2.1 现场检验、检测计划

2.1.1 测厚、探伤总体要求

1)所有测厚范围需满足特检要求和结构强度校核所必需的数据要求，探伤范围应满足特检要求;

2)板材测厚应按板缝线进行，没有明显锈蚀情况下每块板5个点，否则按现场验船师要求进行;

3)骨材在没有明显锈蚀的情况下每根测2点，否则按现场验船师要求进行;

4)测厚结果板厚超标后应换板，最终测厚报告一律按新换板后的数据填写。

2.1.2 测厚范围具体要求

通过此案例平台的现场检验、检测计划可以看出，其测厚、探伤范围和数量较特检要求增加了很多，主要是考虑为了满足结构强度校核所必需的数据以及最大程度的保证老龄平台的结构完整、安全性(见表1)。

表1 测厚范围Tab.1 Scope of Thickness Measurement

2.2 平台结构强度校核

根据对案例平台的实际勘验，CCS海工审图中心对此老龄移动平台的在位整体性能、平台船体、围阱区以及桩靴4个主要结构进行了强度分析。对于悬臂梁、钻台、直升机甲板及设备底座等结构，由于状况良好，本次结构强度校核没有包括在内。

2.2.1 在位整体性能分析

自升式钻井平台的在位性能分析主要是考核站立工作状态下的整体安全表现［4］，主要包括桩腿强度、升降系统承载性能、桩靴承载性能、抗倾稳性、预压载性能及预压时升降齿轮的保持能力。在位性能将直接影响到平台操作安全及作业能力，是平台使用者最为关注的重点。

表2 计算工况及分析结果Tab.2 Design condition and analysis results

根据该平台结构特点，使用有限元软件SACS建立如图1所示的有限元模型，所有结构由梁单元模拟。坐标原点位于静水面，x方向指向船首，y方向指向左舷，z向竖直向上。

计算工况主要选取操作手册规定的工况，桩腿构件尺寸按实际测厚数据模拟，模型重量、重心位置由最近倾斜试验结果得到，计算工况及分析结果如表2所示。

由表2可以看出，此案例平台的桩腿强度、升降系统能力、桩靴承载能力、预压载能力及升降齿轮保持能力的承载比(载荷与能力比值UC)均小于1.0;抗倾稳性安全系数大于1.3/1.5，因此平台在位整体性能满足CCS规范要求［5］。

2.2.2 平台体结构强度分析

平台体是所有设备及人员操作的承载体，应确保具有足够的强度，抵御环境载荷及功能载荷产生的不利影响。使用Ansys有限元软件，建立如图2所示的船体有限元模型，模型中采用了板壳单元、梁单元及管单元等的适当组合，按实际测厚数据将平台模拟为空间板壳、梁的组合结构。计算工况主要分为作业和自存两种工况。

图1 有限元模型Fig.1 FE model for global performance

图2 平台体有限元模型Fig.2 FE model for hull

有限元分析结果表明，船体结构的最大相当应力为202 MPa，小于许用应力212 MPa，发生在悬臂梁固定底座下纵舱壁处，是由于悬臂梁外伸载荷引起。因此船体主要结构屈服强度满足要求;选取受压或剪应力较大的板格按CCS规范［5］进行屈曲分析，计算结果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲强度满足要求。

作业工况、环境条件90°入射下，船体的相当应力云图如图3所示。

2.2.3 围阱区结构强度分析

围阱区主要包括升降室、导向结构、固桩支撑结构及部分围阱舱室，是船体与桩腿的连接部位，其结构安全是平台安全作业的保障。使用Ansys有限元软件，建立如图4所示的围阱区有限元模型。计算工况主要分为拖航、作业及自存三种工况。

图3 船体应力云图Fig.3 Von mises stress plot for hull

图4 围阱区有限元模型Fig.4 FE model for leg well

有限元分析结果表明，风暴工况下，固桩垂向支撑型材应力超过许用应力320 MPa，不满足强度要求，因此建议增加10 mm的加强板，即可满足规范要求，如图5所示。围阱区其它结构屈服强度均满足要求;选取受压或剪应力较大的板格屈曲分析，计算结果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲强度满足要求。

作业工况、环境条件90°入射下，围阱区的相当应力云图如图6所示。

图5 加强的垂向支撑构件Fig.5 Strengthened vertical support member

图6 围阱区应力云图Fig.6 Von mises stress plot for leg well

2.2.4 桩靴结构强度分析

桩靴是支撑平台站立的基础，其结构强度应能抵抗各种工况下载荷的作用。使用Ansys有限元软件，按实际测厚数据建立如图7所示的桩靴有限元模型。按CCS规范要求，桩靴强度分析工况主要有4种:①载荷均匀分布作用在桩靴与海底的初始接触面上;②载荷均布作用在桩靴底面50%的区域;③载荷均布作用在桩靴底面整个区域;④载荷线性分布作用在桩靴底面整个区域，一端为0，一端为2倍。

有限元分析结果表明，桩靴结构的最大相当应力为186 MPa，小于许用应力212 MPa，发生在径向辐射板处，因此桩靴屈服强度满足要求;选取受压或剪应力较大的板格进行屈曲分析，计算结果表明，屈曲因子均小于1，表明屈曲强度满足要求。

作业工况、环境条件90°入射下，桩靴的相当应力云图如图8所示。

图7 桩靴有限元模型Fig.7 FE model for spud can

图8 桩靴应力云图Fig.8 Von mises stress plot for spud can

2.3 平台结构安全状况评价

CCS对案例老龄自升式钻井平台的加强检验，一方面通过现场检测、检验，对腐蚀超标的板材进行换新，对出现裂纹的位置进行修理;另一方面通过结构强度校核，对结构强度不足的位置进行加强，最终评价此案例平台结构安全状况良好。因此正常签发了5年的法定及入级证书，并且通过此期间建立的有限元分析模型，为平台下一次进坞评估奠定了基础，从而有力地保证了此老龄平台的安全运营。

3 结语

介绍了中国船级社对老龄海上移动平台加强检验的管理要求，并通过一个实际案例平台，详细论述了加强检验的方法和流程。此管理手段已被证明适用于我国海洋工程装备的安全监管方式，有效地填补了超期服役老龄移动平台的安全监管空白，但在以下几个方面仍需进一步探讨和完善:

1)规范、标准问题。目前老龄移动平台的计算校核按新建平台对待，所依据的规范、标准仍按建造规范、标准，此处理是否合理、准确仍需进一步讨论;

2)疲劳问题。移动平台经常在海上变换作业区域，如何统计、计算其关键结构的疲劳损伤成为一个难点;

3)对老龄移动平台的结构计算校核受到原始设计资料、历次改造资料及结构现状等的影响，为了准确评价老龄移动平台的结构安全现状，必须获取完整、准确的平台结构资料，建议从设计阶段开始采用结构完整性管理方法管理新建平台。

［1］国际海事组织.海上移动式钻井平台构造和设备规则［M］.北京:人民交通出版社，1989:1-2.

［2］中华人民共和国交通部.老旧运输船舶管理规定［S］.2006年8号令.

［3］中国船级社海工营运处.关于加强老龄移动平台检验管理的规定［S］.中国船级社，2009.

［4］Li Hong-tao，Yang Qing-xia，Li Ye.Study on general performance of jack-up under elevated condition［J］.China Ocean Engineering，2009，23(3):577-584.

［5］中国船级社.海上移动平台入级与建造规范［S］.北京:人民交通出版社，2005:45-49.

Discussion on structure safety management of aged mobile offshore drilling unit

LI Hong-tao
(Offshore Engineering Plan Approval Center of CCS，Tianjin 300457，China)

CCS circular of enhanced survey for aged MODU is introduced in this paper.The circular requests that the CCS class MODU whose age is older than 30 years needs special site survey and structure strength assessments according to actual thickness measurement by which the platform safety status is decided whether to satisfy government’s requirements.As an example，the site survey plan for an aged jack-up and structure strengthening plan by structural analysis are recommended.By these measures，the operation safety should be ensured for the example MODU.The CCS method is a new manner for aged MODU safety management and is of great significance for safety of domestic offshore engineering equipment.

aged MODU;enhanced survey;structure strength assessment;safety management

P752

A

1005-9865(2012)02-0123-06

2011-07-21

李红涛 (1976－)，男，天津人，博士，高级工程师，从事海洋工程结构设计与研究工作。E-mail:htli@ccs.org.cn