王 磊，佟玉鵬，呂英超，孔繁星

中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程（青島）有限公司，山東青島 266555

DSJ300-L1自升式鉆井平臺(tái)在青島碼頭發(fā)生了滑樁事故，該事故對(duì)平臺(tái)左舷樁腿主弦管及支撐管造成了不可逆的塑性變形。為消除左舷樁腿的塑性變形，經(jīng)分析最終確定采用對(duì)損壞段樁腿進(jìn)行切除而后局部更換的方式進(jìn)行維修，因而如何采用測(cè)量的方式確定損壞段樁腿的上下變形點(diǎn)則成為項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)難題。

1 測(cè)量?jī)x器選用

經(jīng)粗測(cè)，此次事故造成損壞樁腿的變形方向及趨勢(shì)無規(guī)則，且無法通過人工的方式在被測(cè)物上取點(diǎn)，為滿足取點(diǎn)精度要求，測(cè)量工作選擇采用三維激光掃描儀，其優(yōu)勢(shì)在于能夠通過掃描給出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立可視化三維模型[1-2]，再將掃描模型與樁腿原設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)，由計(jì)算機(jī)計(jì)算得出超出設(shè)計(jì)允許偏差的最上點(diǎn)和最下點(diǎn)。該測(cè)量方法簡(jiǎn)便快捷，且可最大化地減少人工干預(yù)帶來的測(cè)量誤差。

2 數(shù)據(jù)采集

掃描過程應(yīng)選擇在晴天可見度高、無風(fēng)或微風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行，且掃描時(shí)間應(yīng)選擇在平潮期或停潮期，測(cè)量設(shè)備的布置點(diǎn)應(yīng)預(yù)先通過實(shí)地勘測(cè)選定，在準(zhǔn)備工作充足后按布置點(diǎn)順序依次對(duì)左舷樁腿進(jìn)行掃描。在掃描時(shí)，需按照左舷樁腿P、N、M三根主弦管對(duì)應(yīng)的P-N、N-M和M-P三個(gè)面的分區(qū)分別進(jìn)行掃描，再利用公共標(biāo)靶拼接各布站點(diǎn)云，并閉合到掃描圖根控制點(diǎn)上，最終完成整體點(diǎn)云的拼接。由于平臺(tái)上其他各類結(jié)構(gòu)物的遮擋及測(cè)量角度等原因，為保證樁腿掃描數(shù)據(jù)的完整性，此次掃描工作選取掃描站點(diǎn)25個(gè)，即DBZ033～DBZ057，見圖1。

圖1 掃描儀器布置點(diǎn)示意

3 數(shù)據(jù)處理

完成外業(yè)損壞樁腿掃描工作后，將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)點(diǎn)云掃描處理軟件FARO Scene實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化。即運(yùn)用處理軟件內(nèi)置過濾器等功能主動(dòng)去除深色點(diǎn)、離群點(diǎn)、邊緣偽像點(diǎn)等雜點(diǎn)及遠(yuǎn)距離點(diǎn)，減少明顯非樁腿數(shù)據(jù)對(duì)整體數(shù)據(jù)帶來的精度偏差[3]。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊及拼接。即按照預(yù)先劃定的分區(qū)將掃描數(shù)據(jù)在軟件中分別予以體現(xiàn)，再將不同分區(qū)的模型進(jìn)行拼接，形成被掃描樁腿的初版模型。

（3）導(dǎo)入數(shù)據(jù)篩選。因掃描站點(diǎn)較多，遠(yuǎn)距離站點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)在精度上對(duì)整體模型的建立有所影響，經(jīng)綜合分析后在確保建模數(shù)據(jù)充分的前提下，剔除了掃描站點(diǎn)距離被測(cè)樁腿超過25 m的16個(gè)掃描站點(diǎn)數(shù)據(jù)，保留BDZ033～BDZ036及BDZ039～BDZ043等9個(gè)掃描站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（4）拼合3D模型。使用篩選后的9個(gè)掃描站點(diǎn)數(shù)據(jù)拼合形成最終3D模型，并截取左舷樁腿部分的模型作為研究對(duì)象，見圖2。

圖2 左舷樁腿掃描3D模型

4 模型對(duì)比

樁腿掃描模型建立完成后，再將掃描模型和樁腿原設(shè)計(jì)模型一并導(dǎo)入Geomagic Control軟件中，通過人工的方式選取兩個(gè)模型中的同一基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)對(duì)齊，再通過軟件的自動(dòng)匹配功能使兩個(gè)模型完成自動(dòng)匹配，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模型的最優(yōu)化擬合[4]。為便于觀測(cè)，可在軟件中進(jìn)行超差值預(yù)設(shè)，使超出預(yù)設(shè)值的部位突出顯示紅色，見圖3。

圖3 模型擬合效果展示

5 數(shù)據(jù)分析

從圖3中擬合模型的局部放大圖可直觀看出兩個(gè)模型比較后的超差位置，但凸顯部位是隨著預(yù)設(shè)值的變化而變化的，不是真實(shí)超差部位的體現(xiàn)。為了對(duì)實(shí)際樁腿變形量進(jìn)行分析，則需將樁腿各類數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)允許偏差值進(jìn)行對(duì)比[5]。經(jīng)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)桁架式樁腿的設(shè)計(jì)原則及船級(jí)社相關(guān)規(guī)范中對(duì)樁腿尺寸的要求，認(rèn)為樁腿眾多數(shù)據(jù)中主弦管直線度和支撐管的位置偏差是確定樁腿變形起止點(diǎn)的關(guān)鍵因素[5]。按照DSJ300-L1平臺(tái)樁腿變形數(shù)據(jù)對(duì)主弦管及支撐管變形情況進(jìn)行舉例分析。

5.1 主弦管數(shù)據(jù)分析

考慮到主弦管變形量及變形方向的不規(guī)則性，為保證數(shù)據(jù)分析的充分性，在對(duì)單根主弦管數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，采用①、②、③三個(gè)不同角度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖4。

圖4 樁腿主弦管縱剖面

單根樁腿分有P、N、M三根主弦管，每根主弦管分有①、②、③3個(gè)剖面，單根樁腿的完整分析需進(jìn)行9次，因數(shù)據(jù)量較大，在此以M主弦管的①號(hào)剖面數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析：通過對(duì)擬合模型中M主弦管①號(hào)剖面的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，可在Excel表格中制作出M主弦管垂直方向傾斜量，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 M主弦管①號(hào)剖面數(shù)據(jù)展示

按照原設(shè)計(jì)圖紙，主弦管垂直度設(shè)計(jì)允許偏差為7 mm/14 000 mm，從圖5表中數(shù)據(jù)可知：標(biāo)高21.6～29.2 m段主弦管垂直度為45.5 mm/7 600 mm=83.8 mm/14 000 mm＞7 mm/14 000 mm，則可判定此部分主弦管彎曲變形超出允許范圍；標(biāo)高29.2～59.1 m段主弦管垂直度為4.3 mm/29 900 mm=2.01 mm/14 000 mm＜7 mm/140 00 mm，則可判定此部分主弦管彎曲變形未超出允許范圍。

由以上數(shù)據(jù)可推出M主弦管①號(hào)剖面最高彎曲點(diǎn)高度M1=29.2 m，使用相同方法可得出M2、M3、N1、N2、N3、P1、P2、P3 共 9 個(gè)數(shù)據(jù)，在此9個(gè)數(shù)據(jù)中取最大值高度，即為主弦管變形點(diǎn)的最高位置。使用相同原理可得出左舷樁腿三根主弦管的9個(gè)最低彎曲點(diǎn)數(shù)據(jù)，在此9個(gè)數(shù)據(jù)中取最小值高度，即為主弦管變形點(diǎn)的最低位置。

5.2 支撐管數(shù)據(jù)分析

如上文所述，確定樁腿變形的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)除對(duì)主弦管直線度進(jìn)行分析外，還應(yīng)對(duì)支撐管的位置偏差進(jìn)行分析。DSJ300-L1平臺(tái)單根樁腿按跨分為33個(gè)支撐管截面，因數(shù)據(jù)量較大，在此以左舷樁腿25.1 m處的橫剖截面數(shù)據(jù)進(jìn)行舉例分析。通過導(dǎo)出擬合模型中左弦樁腿25.1 m處橫剖截面數(shù)據(jù)，可得出如圖6所示的模型及數(shù)據(jù)。

圖6 25.1 m橫剖模型展示

按照原設(shè)計(jì)圖紙，支撐管位置線設(shè)計(jì)允許偏差為±2 mm，則極限允許偏差為4 mm，從圖6中表數(shù)據(jù)可知 25.1m位置的“B-B D22”“B-B D24”“B-B D26”“B-B D28”“B-B D30”號(hào)支撐管數(shù)據(jù)出現(xiàn)了超極限值的情況，則可判斷左舷樁腿25.1 m位置變形超出設(shè)計(jì)允許偏差。按此方式分別依次對(duì)25.1 m位置以上及以下的橫剖面進(jìn)行分析，直至分別出現(xiàn)第一個(gè)全部數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求的橫剖面節(jié)點(diǎn)，則此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置即為支撐管變形的最高和最低位置。

5.3 變形點(diǎn)確認(rèn)

同理，通過對(duì)平臺(tái)左舷樁腿的三根主弦管及不同截面的支撐管進(jìn)行變形分析，可分別得出主弦管的最高、最低變形點(diǎn)和支撐管的最高、最低變形點(diǎn)，在兩個(gè)最高變形點(diǎn)數(shù)值中取大值，在兩個(gè)最低變形點(diǎn)中取小值，則為平臺(tái)左舷樁腿的最高變形點(diǎn)和最低變形點(diǎn)。

6 結(jié)束語

在以往海洋工程項(xiàng)目中，變形測(cè)量大多使用如經(jīng)緯儀、鋼絲線、水平儀及全站儀等通用儀器，此項(xiàng)目由于被測(cè)物的特殊性，在變形測(cè)量過程中使用到了三維掃描儀。因采用對(duì)損壞段樁腿進(jìn)行切除后局部更換的維修方式在國(guó)內(nèi)屬于首例，使用三維掃描儀進(jìn)行變形測(cè)量在類似項(xiàng)目中也屬于首次，因此在測(cè)量過程中通過不斷摸索和改進(jìn)，最終通過實(shí)踐證明此方法可行，為樁腿的維修工作提供了極大的方便，也可為三維激光掃描儀在其他自升式鉆井平臺(tái)桁架式樁腿變形測(cè)量中應(yīng)用提供借鑒。