導管架節(jié)點裂紋的卡箍加強維修

張　勇，李士喜，徐文教.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳58067.必維（天津）安全技術有限公司，天津000.中國船級社深圳分社，廣東深圳5805

?

導管架節(jié)點裂紋的卡箍加強維修

張勇1，李士喜2，徐文教3
1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067
2.必維（天津）安全技術有限公司，天津300201
3.中國船級社深圳分社，廣東深圳518052

摘要：南海東部海域某平臺導管架水下X撐檢測出裂紋，在確定無法用打磨方式進行修復的情況下，決定采用張緊式灌漿卡箍進行修復。介紹了采用灌漿卡箍、機械式卡箍、張緊式灌漿卡箍修復海洋平臺受損桿件的結構形式以及優(yōu)缺點；結合工程案例，論述了張緊式灌漿卡箍滑移力、螺栓張緊力、卡箍環(huán)空中水泥強度等的設計計算方法，并給出了計算結果。工程應用表明，采用張緊式灌漿卡箍修復導管架X撐裂紋，達到了良好的預期效果，滿足了結構強度的要求；另外，相對于其他水下焊接修復技術，采用卡箍進行維修的方案具有作業(yè)風險小、維修后結構設施更加安全可靠、適應性更廣等優(yōu)點。

關鍵詞：導管架平臺；裂紋；張緊式灌漿卡箍；修復

隨著海洋平臺服役年限的增加，特別是對于超出設計壽命的導管架平臺，其導管架撐桿或弦桿等重要桿件因疲勞、先天缺陷等原因而產(chǎn)生裂紋的情況時有發(fā)生?？紤]到海洋平臺維修技術的經(jīng)濟性和可行性，對于無法進行打磨的裂紋桿件，多采用打卡箍的方式進行修復［1］。

1　卡箍的種類

卡箍是根據(jù)受損桿件的外形制作的外包結構，可以是2瓣或多瓣的，用螺栓把各瓣連接起來，形成一個管夾，把受損桿件夾緊，依靠管夾與受損桿件之間的摩擦力或剪力鍵來傳遞受力?？ü糠诸愐妶D1。

（1）灌漿卡箍（Grouted Clamps）。灌漿卡箍的管夾預先采用螺栓在受損桿件外面組裝完畢，管夾與受損桿件之間留有環(huán)形空間，隨后用水泥對環(huán)形空間進行灌漿處理。灌漿卡箍的內(nèi)壁與受損桿件表面之間可以通過增加剪力鍵來輔助提高承載能力。灌漿卡箍受力的傳遞主要依靠水泥固化后形成的化學粘結力以及剪力鍵。

灌漿卡箍的結構形式簡單，對受損桿件表面尺寸精度要求不高，但其傳遞受力能力較弱，為達到預定承受荷載，往往需要較大的卡箍尺寸。

（2）機械式卡箍（Mechanical Clamps）。機械式卡箍主要是依靠螺栓作用力直接將卡箍張緊貼合在受損桿件上，依靠卡箍與受損桿件之間的摩擦力來傳遞受力荷載。機械式卡箍不需要填充水泥，因而在安裝速度上快于相應的灌漿卡箍。但是這種卡箍在制造前需要精確地測量安裝位置處受損桿件的具體尺寸，在制造過程中也同樣要精確地控制，以保證尺寸相對應，否則極可能導致尺寸不匹配而無法安裝，或不能有效地貼合被加強桿件，導致卡箍失去作用。

圖1　不同種類卡箍結構示意

（3）張緊式灌漿卡箍（Stressed Grouted Clamps）。張緊式灌漿卡箍可以看作是灌漿卡箍與機械式卡箍的綜合體，它在灌漿水泥固化后進一步采用螺栓張緊，它既繼承了灌漿卡箍對精度要求不高的特點又具有機械式卡箍承載能力大的特點。相應的，這種卡箍在安裝上要比前兩種卡箍稍微復雜。

以下將結合南海東部海域某平臺的實際工程案例，介紹張緊式灌漿卡箍的計算方法和注意事項。

2　工程概況

南海東部海域某平臺是中國南海建造的第一座鋼制導管架平臺，導管架基本參數(shù)見表1。為了確保海上安全生產(chǎn)，2012年對該平臺導管架進行了全面水下檢測，檢測發(fā)現(xiàn)導管架水下X撐節(jié)點N151表面存在3條裂紋，相關裂紋信息見表2，裂紋位置為圖2 中1號桿件與2- 4號桿件的相貫處。

表1　導管架基本參數(shù)

表2　裂紋信息

圖2　裂紋位置示意

根據(jù)裂紋擴展分析結果，N151- M38節(jié)點的264 mm×6.3 mm裂紋已超過打磨極限，不能再進行打磨處理，確定該節(jié)點采用張緊式灌漿卡箍加強。

3　張緊式灌漿卡箍設計關鍵計算內(nèi)容

張緊式灌漿卡箍在設計過程中需要重點關注以下4個方面內(nèi)容：

（1）施加的螺栓張緊力不能導致水下桿件壓潰。

（2）必須有足夠的螺栓張緊力防止卡箍被桿件撬開。

（3）必須提供滿足要求的滑移力，滑移力的大小與螺栓張緊力密切相關。

（4）必須保證卡箍環(huán)空中水泥的強度滿足要求。

3.1張緊式灌漿卡箍滑移力計算

對于張緊式灌漿卡箍單位面積所能提供的滑移力與施加的垂直荷載的關系，目前普遍采用以下經(jīng)驗計算公式［2- 3］：

式中：Pp為在垂直荷載作用下單位面積所能提供的滑移力，N；Fn為施加的垂直荷載，N；C′s為摩擦力系數(shù)；τμ為摩擦力安全系數(shù)；A為滑移力有效面積，mm2；Cs為粘結力系數(shù)；τb為粘結力安全系數(shù)；Dc為弦桿直徑，mm；Tc為弦桿壁厚，mm。

3.2張緊式灌漿卡箍螺栓張緊力計算

張緊式灌漿卡箍螺栓張緊力的計算除了要提供足夠的滑移力外，還要受到桿件壓潰校核、卡箍撬開力校核的限制。

（1）桿件壓潰校核。桿件壓潰校核可依據(jù)API RP 2AWSD - 2014規(guī)范中提供的公式進行，具體情況分為受損桿件承受軸向拉伸荷載壓潰校核和受損桿件承受壓縮荷載壓潰校核。相關計算公式可參考該規(guī)范中3.3.1及3.3.2的內(nèi)容，這里不再詳述。

（2）卡箍撬開力校核?？ü考訌娢恢锰幍募羟辛皬澢ψ饔迷诳ü可?，將導致組成卡箍的各部分（瓣）相互分離，而施加足夠的螺栓張緊力來保證組成卡箍的各部分（瓣）始終緊密結合在一起就顯得非常重要。螺栓張緊力應至少保證1.2倍的安全系數(shù)。見圖3。

3.3卡箍環(huán)空中水泥強度的計算

在受損桿件與卡箍之間填充的水泥可以有效地將受損桿件的載荷傳遞至外層的卡箍，水泥本身的強度十分關鍵。本文針對HZ21- 1A導管架X撐建立了局部三維有限元模型，通過提取對應位置的載荷，對卡箍環(huán)空的水泥強度進行了校核分析。

（1）有限元模型建模遵循的原則。其一，依據(jù)圣維南原理，建模范圍取2倍卡箍的長度；其二，考慮水泥與內(nèi)部受損桿件及外部卡箍變形的協(xié)調(diào)；其三，為分析水泥強度，均采用實體模型，由于管道桿件厚度與長度相差較大，網(wǎng)格劃分大小應以不超過桿件壁厚的0.5倍為宜，在相貫線處，網(wǎng)格尺寸應保證協(xié)調(diào)；其四，考慮到裂紋側在修復后將無法實施檢測，模型中撐桿與弦桿按斷開處理，見圖4。有限元整體模型見圖5。

圖3　卡箍撬開力校核

圖4　受損桿件與主弦桿斷開

圖5　有限元幾何模型

（2）混凝土本構模型。混凝土的力學行為相當復雜，很多學者通過非線性彈性、塑性、斷裂、損傷力學、內(nèi)時理論以及細觀力學和統(tǒng)計模型等多種途徑提出了多種本構模型。這些模型一般都只能在某一方面反映混凝土的本構特性，在一定范圍內(nèi)獲得應用［4- 5］。為保證灌漿水泥卡箍的可靠性，盡量避免混凝土開裂或壓碎，使混凝土在彈塑性條件下工作。本文采用理想彈塑性模型作為計算混凝土本構模型，混凝土的單軸受壓的應力應變關系選用Hongnestand公式，見式（2）?；炷恋牟此杀葹?.2，彈性模量為3.6×104N/mm2。

式中：σ為壓應力，N/mm2；fc為極限壓力，N；ε為峰值應力相對應的應變；ε0= 0.002。

（3）邊界條件。根據(jù)力平衡原則，對稱端點1 與3或2與4的載荷大小基本一致，而桿件2- 4的變形對桿件1有一定的影響。因此為最大限度地模擬實際情況下的邊界條件，將裂紋桿件的另一側設為固定約束，其余3端施加相應的荷載。

4　計算結果及卡箍設計

（1）此平臺導管架節(jié)點N151- M38受損X撐處，需要卡環(huán)有效長度為5 m，所用材質(zhì)為DH36。

（2）受損桿件一側混凝土拉應力最大值為1.37 MPa，壓應力最大值為9.95 MPa，根據(jù)文獻［6］，建議選用強度等級不低于C50的混凝土，最終選擇28 d抗壓強度為40 MPa的C65水泥。

（3）安裝過程中需二次預緊，最終預緊力為128 kN。設計的卡箍形狀及實物見圖6、圖7。

圖6　卡箍設計示意

圖7　卡箍實物

5　結束語

此平臺導管架水下結構裂紋維修從方案選擇到完成海上施工，前后歷時約1年。通過對檢測發(fā)現(xiàn)的裂紋進行計算分析，分類處理，采用打磨或卡箍加強的方法進行維修，達到很好的預期效果，滿足了結構強度要求，并獲得第三方發(fā)證檢驗機構的平臺符合證書。實踐證明，相比于其他水下焊接技術，卡箍加強的維修方案具有作業(yè)風險小、維修后結構設施更加安全可靠、適應性更廣等優(yōu)點［7］。

參考文獻

［1］Assess ment of Repair Techniques for Ageing or Damaged Structures［R］. Houston，TX：MSL Services Corporation，2004：84- 109.

［2］Grouted and Mechanical Strengthening and Repair of Tubular Steel Offshore Structures Report No.OTH 88/283［R］.London：HMSO，1988：53- 56.

［3］金偉良，宋劍，龔順風，等.海洋平臺受損構件的承載能力與加固分析［J］.工程力學，2003，20（5）：100- 105.

［4］朱以文，吳祥華，朱方敏，等.混凝土的數(shù)值本構模型研究［J］.武漢大學學報（工學版），2001（4）：53- 57.

［5］劉西拉，籍孝廣.混凝土本構模型的研究［J］.土木工程學報，1989，22（3）：55- 62.

［6］GB 50010- 2010，混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［7］候志文，魏行超，崔寧，等.應用水下常壓干式艙修復導管架裂紋［J］.石油工程建設，2015，41（6）：15- 17.

Repair of Crack at Jacket Nodes with Clamps

ZHANG Yong1，LIShixi2，XU Wenjiao3
1. CNOOC Shenzhen Branch，Shenzhen 518067，China
2. Biwei Safety Technology Co.，Ltd.（Tianjin），Tianjin 300201，China
3. CCS Shenzhen Branch，Shenzhen 518052，China

Abstract：Cracks were detected on underwater Xbrace of a fixed platform jacket in South China Sea. It was found that one crack could not be repaired by polishing，so the repair method of stressed grouted clamps was adopted. This paper introduces the structural forms of clamps for repairing offshore platform damaged rods，such as grouted clamps，mechanical clamps and stressed grouted clamps，and compares their relative merits. It discusses the design calculation methods of sliding force of stressed grouted clamps，bolt tension and clamp annular cement strength in combination with the practical project，and gives the calculation results. The engineering application shows that using stressed grouted clamps to repair cracks on jacket X brace gains good effect and meets structural strength requirement. In addition，this repair method has the advantages such as low operation risk，good safety and reliability，and wide adaptability as well.

Keywords：jacket platform；crack；stressed grouted clamps；repair

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.005

作者簡介：

張勇（1979-），男，安徽桐城人，工程師，2002年畢業(yè)于江蘇科技大學土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋工程項目管理工作。

Email：1872667672@qq.com

收稿日期：2016- 03- 15