自升式平台作业过程中RPD问题研究

自升式平台作业过程中RPD问题研究

秦洪德，王洋

（哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

摘要：由于环境载荷及海底地质条件影响而导致的自升式钻井平台安装定位失效很可能带来巨大的经济损失及人员伤亡。上述的失效往往是由于环境载荷（风、浪、流等）过大、海底地质（海底不平坦、海底地质过硬等）条件恶劣等导致桩靴受偏心力，进而发生位于上、下导向板（Upper Guide、Lower Guide）之间的桩腿支撑管屈曲失效，此问题可以通过RPD（Rack Phase Difference）进行度量研究。详细阐述了RPD问题产生的背景，提出了RPD定义及测量方法，并通过简化的单桩腿二维模型受力分析解释了导致桩腿支撑管屈曲失效的RPD成因。介绍了国外的RPD研究进展，包括通过二维有限元模型分析方法进行的RPD关于不同支撑管布置形式的敏感性分析，分析得出X形、K形及反K形支撑管布置形式自升式钻井平台的RPD特性。此外，还介绍了平台升降过程中的RPD时域数值模拟方法，包括特殊有限元模型的建立、升降机构的简化以及时域分析的程序等，通过这一分析程序可以实现对平台升降过程中RPD及其相应的支撑管载荷进行实施监控。最后，总结了RPD的研究状况并提出了RPD研究的发展方向。

关键词：自升式钻井平台；RPD（Rack Phase Difference）；有限元分析；数值模拟

1 引言

过去几年间，对一些自升式钻井平台安装定位事故的调查证实，其原因主要为桩腿支撑管结构（水平横撑、斜撑）屈曲失效。其中2002年工作在北海南部的GSF Monarch平台的支撑管失效事故最为著名[1]，经常被相关文献所引证，如图1所示。该平台的支撑管失效原因为当工作人员试图重新对平台主体进行调平时，一条桩腿的桩靴发生了海底冲刷而导致桩靴受力偏心。

RPD的问题最近一些年来才被关注。1980年之前，自升式钻井平台的设计是基于固定升降系统（fixed jacking system）配合辐射状的齿条布置形式，或基于浮式升降系统（floating jacking system）配套对向布置的齿条布置形式（如图2所示）。在1980年之前，平台桩腿支撑管的设计载荷为风暴自存状况下的载荷。在1980年初，具有固定升降系统且配合对向齿条布置形式的自升式平台问世，这些平台还配有固桩系统（嵌入式固桩楔块，如图3所示）。固桩系统可以在平台升降过程完成后，将齿条锁定，通过嵌入式固桩楔块来传递平台主体与桩腿之间的载荷。

图1 GSF Monarch平台的支撑管屈曲失效图2 辐射状齿条布置形式及对向齿条布置形式

联系方式：qinhongde@

图3 固桩系统（桩腿锁定系统）

随着自升式钻井平台向深水领域的发展，为了减小平台桩腿上的波、流作用力，新一代的自升式平台桩腿结构往往采用超高强度钢材，且被设计成支撑管尺寸较小的形式。另一方面，由于固桩系统（嵌入式固桩楔块）的采用，使得工作状况下的自升式平台可以通过固桩楔块来传递平台主体与桩腿之间的载荷，也在一定程度上允许了桩腿支撑管设计尺寸的减小。

基于上述原因，强调自升式钻井平台的RPD问题及相应的支撑管载荷就显得尤为重要，因为当支撑管受压时，小尺寸的支撑管形式增加了其发生屈曲失效的可能型。

目前，关于自升式平台RPD的研究主要为许用RPD的确定以及平台升船过程的数值模拟等。

Alford JH和Vazquez JH通过简化的模型，定性地解释了RPD的成因，并通过二维有限元分析模型，进行了不同支撑管形式（X型、K型及反K型）对RPD的敏感性分析[2]。

Hayward M，Hoyle MJR以及Smith NP以F&G Mod Ⅴ和F&G Mod Ⅵ为研究模型，在确定许用RPD 的方法上进行了研究分析[3]。

Tan X.M.Li J以及Lu C进行了RPD的三维有限元时域模拟分析，模拟了自升式钻井平台的升船过程，记录了升船过程中任一时刻的RPD及相应的最大支撑管应力[4,5]。

2 RPD的定义

自升式钻井平台典型的安装定位程序为[6]：

1）平台拖航至钻井场地；

2）插桩作业；

3）预压作业；

4）升船至工作气隙（Air Gap）高度；

5）钻井作业。

在安装定位时，如果平台工作地点海底不平整、土层强度较低或土层强度不均匀，则在预压作业时，会发生桩靴快速插入海底时平台倾斜，或桩靴受偏心力等情况。上述情况会导致桩腿与平台主体接触部分产生很大的弯矩，这种附加弯矩会导致桩腿发生变形。该变形表现为同一桩腿不同主弦管上相同标高的齿条节点相对于同一水平参考面的垂向位移不同，称之为RPD（Rack Phase Difference）。RPD不仅可以有效地表征支撑管轴向载荷的大小，也可以表征桩腿的姿态，即桩腿的倾斜程度与倾斜方向。

3 RPD的测量方法

由于RPD对于平台插桩作业、预压作业以及升降船体作业的影响很大，在上述过程进行时，一般都对RPD 进行实时监控。目前，已经存在RPD的电子监控系统，但是，人工测量仍然被广泛采用。

当进行RPD测量时，应采用一套标准的记录方法，包括参考面的选取，测量的方式与应用的工具等，以避免处理测量数据时的误解。以下介绍实际测量时采用的普遍做法[7]：

测量过程采用一种可以准确嵌入齿条的模板，采用的水平参考面为平台升降机构箱（jack case）的上表面或者上导向板的人行走道（walk way）。测量时需要记录的数据为不同主弦管上具有相同标高的齿节点距离参考平面的垂直距离，称为RPV（Rack Phase Value）。如图4所示，图中的数据并非真实测量的数据。

再经由RPV可以计算得到RPD，如图5所示。即：

face

RPD=（1）

(

)ij

RPV

RPV

)j(

-)i(

图4 ＃RPV的测量方法图5 通过RPV计算得到的RPD 在平台的升船过程中，实施监控桩腿的倾斜方向也十分重要。因为，当RPD接近许用的临界值时，可以根据桩腿的倾斜姿态，进而对平台主体进行调平。桩腿姿态的计算参看图6，图中通过RPV的计算得到桩靴的倾斜向量。由此可见，RPD可以用来表征桩腿的姿态。

4 RPD的分类及成因

4.1RPD的分类

简单地说，RPD就是同一桩腿上不同主弦管上齿条升降的差异。很多种载荷组合都可以产生RPD，但并不是所有的RPD都会诱导严重的桩腿支撑管载荷。例如，齿条导向板间隙（Gap）或者导向板表面的磨损（Water of Guides）都允许桩腿相对于主体产生一定的倾斜而不产生支撑管内的应力，这种RPD被称为无限制RPD（Free RPD）。

因此从RPD的结构应力响应角度来讲，RPD可以分为导致支撑管轴向载荷的RPD及无限制RPD。文中讨论的RPD为能够导致支撑管轴向载荷的RPD，以下称为RPD。

图6 桩腿姿态（桩腿倾斜程度与方向）的计算