導(dǎo)管架局部灌漿加固方案及應(yīng)用

高 峰， 楊 昆， 王朋飛， 胡成李， 彭海麗

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，深圳 518067)

0 引 言

面對(duì)海洋平臺(tái)因碰撞產(chǎn)生的局部凹陷、變形，因腐蝕產(chǎn)生的厚度損失、裂紋等情況，常采用灌漿設(shè)計(jì)進(jìn)行修復(fù)[1]，如1988年八號(hào)平臺(tái)水下23根桿件灌漿工程[2]，2013年HZ21-1A灌漿卡箍維修項(xiàng)目等。灌漿修復(fù)的原理是在受損桿件或外護(hù)管卡中注入水泥漿液，待泥漿凝固后與管道結(jié)合為一體，共同抵抗外部載荷作用，由于泥漿凝固后有很好的抗壓能力，同時(shí)結(jié)構(gòu)管能約束其受壓膨脹變形，使其處于三軸受壓狀態(tài)[3-4]，能夠很好地抵御環(huán)境載荷影響，從而起到加固修復(fù)的效果。

隨著灌漿技術(shù)在國(guó)內(nèi)二十幾年的發(fā)展，使用范圍越來(lái)越廣，從基礎(chǔ)固定到平臺(tái)維修，再到海底管線穩(wěn)定性處理等，均有應(yīng)用。灌漿設(shè)備也日趨集成化、小型化、自動(dòng)化，作業(yè)水深由淺及深，由人工操作到無(wú)人潛航器操作。但是，基本的灌注思路沒(méi)有變化，考慮不充分、過(guò)程不經(jīng)濟(jì)、方案不適當(dāng)?shù)那闆r多有發(fā)生。本文基于東海某導(dǎo)管架受損桿件的灌漿修復(fù)工程實(shí)踐，通過(guò)對(duì)不同灌注長(zhǎng)度桿件受力情況的數(shù)值模擬研究，選擇最優(yōu)灌注長(zhǎng)度進(jìn)行灌漿修復(fù)方案設(shè)計(jì)。

本工程應(yīng)用方案從工藝上降低了灌漿設(shè)備能力需求，避免了傳統(tǒng)外護(hù)管卡灌漿修復(fù)方案中面臨的管卡尺寸大、裝配復(fù)雜、密封性差等應(yīng)用問(wèn)題，避免了傳統(tǒng)桿件內(nèi)注修復(fù)方案中的水下施工工作內(nèi)容，避免了工程船舶和空氣潛水等作業(yè)支持資源需求，工程應(yīng)用可操作性大幅提高，應(yīng)用成本大幅降低。

1 案例分析

中國(guó)東海某導(dǎo)管架設(shè)計(jì)水深為79.4 m，四腿八裙樁，設(shè)計(jì)使用壽命為20年。受損部位位于導(dǎo)管架ROW 兩側(cè)斜拉筋交叉點(diǎn)上方1.5 m處，凹陷長(zhǎng)1 400 mm，寬800 mm，最大深度為110 mm；臨近節(jié)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)保持完好，桿件透水檢測(cè)(flooded member detection， FMD)斜撐完整性良好，無(wú)進(jìn)水，交叉點(diǎn)及其他斜撐檢測(cè)狀態(tài)良好，受碰撞影響較小，仍保持較好的力學(xué)性能，可以采用灌漿加固的方式對(duì)受損構(gòu)件進(jìn)行加固。平臺(tái)拉筋受損情況如圖1所示。

圖1 平臺(tái)拉筋受損情況

基于受損桿件Dent界面模擬、導(dǎo)管架SACS整體模型計(jì)算書，可以實(shí)行局部加固，單獨(dú)對(duì)受損桿件進(jìn)行內(nèi)部灌漿加固。但傳統(tǒng)管卡修復(fù)方式和水下灌漿修復(fù)方式由于需要工程船舶和空潛資源作為施工支持，成本高，無(wú)法滿足業(yè)主預(yù)算要求，需進(jìn)行獨(dú)立的施工設(shè)計(jì)。

為了保持項(xiàng)目成本控制和施工質(zhì)量平衡，新方案設(shè)計(jì)應(yīng)在堅(jiān)持局部加固原則和平臺(tái)操作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)水面灌漿，規(guī)避工程船舶、空潛等主要成本費(fèi)用。但計(jì)算書未能對(duì)水面灌漿提供充分的技術(shù)支撐，因?yàn)橛?jì)算書按照腔體滿灌等效的情況進(jìn)行模擬計(jì)算，而現(xiàn)場(chǎng)操作很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的滿灌，水面灌漿操作更難以保證滿灌。為解決這一問(wèn)題，需要進(jìn)行灌注長(zhǎng)度有效性分析。

1.1 灌注長(zhǎng)度有效性分析

灌注長(zhǎng)度是指泥漿終凝后在受損桿件中的有效長(zhǎng)度，灌注長(zhǎng)度的確定是方案設(shè)計(jì)的重要步驟，也決定了整個(gè)項(xiàng)目的修復(fù)投資額。為了獲得有效的技術(shù)支撐，指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)基于灌注長(zhǎng)度情況下受力特點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算研究。

為簡(jiǎn)化分析，獲得結(jié)果趨勢(shì)，模擬分析選用直管段進(jìn)行ABAQUS建模，模擬管材質(zhì)參數(shù)與受損桿件一致，如表1所示。在進(jìn)行受力狀態(tài)分析之前，進(jìn)行如下假設(shè)： 注漿效果良好，泥漿為勻質(zhì)，沒(méi)有氣孔形成的不均勻?qū)樱还鼙诤癖∫恢?，材質(zhì)相同；把灌漿修復(fù)看成是由桿件和泥漿組成的結(jié)構(gòu)體系，外部載荷為30 t。

表1 模型幾何物理參數(shù)

采用混凝土塑性損傷模型進(jìn)行分析，相關(guān)參數(shù)按混凝土本構(gòu)關(guān)系GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，如表2和圖2所示。

表2 泥漿參數(shù)信息

(a) 受壓 (b) 受拉

數(shù)值模型由模擬管、蓋板及素混凝土三部分組成，模擬管內(nèi)表面與素混凝土外表面建立面接觸,摩擦系數(shù)為0.2，模擬管與端板進(jìn)行綁定接觸，混凝土端面根據(jù)灌注長(zhǎng)度不同，分別于端板綁定接觸或與管壁進(jìn)行線綁定[5-6]。

1.2 工況設(shè)定及結(jié)果分析

基于不同的灌注長(zhǎng)度，劃分不同的工況，各工況信息如表3所示，各工況下不同灌注長(zhǎng)度中點(diǎn)處最大應(yīng)力曲線如圖3所示，各工況下模擬管各點(diǎn)位移曲線如圖4所示。

表3 計(jì)算工況

圖3 灌注長(zhǎng)度-中點(diǎn)最大應(yīng)力曲線

圖4 不同工況沿管線各點(diǎn)位移曲線(Y)

通過(guò)對(duì)圖3和圖4相關(guān)曲線的分析，可以得出如下結(jié)論：

(1) 在滿灌狀態(tài)下，修復(fù)效果最好(見A點(diǎn))；在非滿灌狀態(tài)下，隨著灌注長(zhǎng)度的減少，其作用效果快速下降(見A—B段)；下降到一定程度后開始恢復(fù)(見B—C段)，存在一個(gè)相對(duì)最優(yōu)灌注長(zhǎng)度(C點(diǎn))；同時(shí)也存在一個(gè)最小灌注長(zhǎng)度(D點(diǎn))，當(dāng)灌注長(zhǎng)度小于這個(gè)值時(shí)，對(duì)受力狀況并無(wú)改善(D—E段)；在相對(duì)最優(yōu)灌注長(zhǎng)度和最小灌注長(zhǎng)度之間(C—D段)，其作用效果隨著灌注長(zhǎng)度的增加而增加。

(2) 存在一個(gè)最小灌注長(zhǎng)度，超過(guò)此長(zhǎng)度時(shí)，泥漿灌注對(duì)桿件剛度影響是積極的，這種效果隨著灌注長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng)，但隨著灌注長(zhǎng)度的增加，其對(duì)桿件剛度的貢獻(xiàn)幅度降低。在達(dá)到滿罐之前，存在一灌注區(qū)段，灌漿自重的載荷影響超過(guò)其對(duì)桿件的剛度貢獻(xiàn)。

2 灌漿修復(fù)方案新設(shè)計(jì)

由于實(shí)際施工很難達(dá)到100%的灌漿率，灌漿修復(fù)對(duì)桿件主要是剛度貢獻(xiàn)[1， 3]，滿灌不僅大大增加了桿件的重量，還增加了整體受力分析的難度和后續(xù)檢修、維護(hù)的不便?；诠嘧㈤L(zhǎng)度的有效性分析，可以推導(dǎo)出存在一個(gè)符合水面灌注施工要求的灌注長(zhǎng)度，可以進(jìn)行水面灌漿施工方案設(shè)計(jì)，以滿足成本、場(chǎng)地和設(shè)備能力各方面的限制。

新的水面灌漿施工方案設(shè)計(jì)主要基于局部加固原則、內(nèi)部維修加固原則、避免空潛和施工支持船的原則以及相對(duì)最優(yōu)灌注長(zhǎng)度原則，方案內(nèi)容如下：

修復(fù)重點(diǎn)放在對(duì)受損桿件的剛度貢獻(xiàn)上，側(cè)重于通過(guò)桿件內(nèi)部注漿來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)受損區(qū)域的加強(qiáng)。

進(jìn)行相對(duì)最優(yōu)長(zhǎng)度灌注時(shí)，受損斜拉筋兩端節(jié)點(diǎn)處不進(jìn)行灌漿，為保證良好的效果，在底部節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行粗沙粒填充，頂部節(jié)點(diǎn)留有空氣段。

為實(shí)現(xiàn)水面灌漿施工，避免空潛及施工支持船，注漿孔、溢流-透氣孔均位于受損拉筋頂部，且位于水面以上，溢流-透氣孔位于注漿孔上方，垂直高度不小于0.5 m，開口方式均為小直徑磁力鉆孔，兩孔的投影距離應(yīng)不小于1/4圓弧。

注漿結(jié)束后，進(jìn)行遮蓋保護(hù)，待拉筋泥漿凝固且頂部空氣段內(nèi)外溫度趨于一致時(shí)，對(duì)注漿孔和溢流-透氣孔進(jìn)行堆焊封堵，進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和防腐處理。

相關(guān)方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 灌漿修復(fù)方案新設(shè)計(jì)

新的灌漿修復(fù)方案特點(diǎn)主要有：

(1) 采用頂部注漿、頂部溢流，規(guī)避了水下操作，避免了空潛支持，使得整體施工難度發(fā)生了質(zhì)的變化，工作流程簡(jiǎn)單，維修、維護(hù)方便，工作量減少，資源需求降低，效率提升，成本節(jié)約，質(zhì)量效果不降。頂部注漿、頂部溢流可以有效解決細(xì)長(zhǎng)大體積灌漿初凝時(shí)間的影響，同時(shí)較底部灌漿、頂部溢流而言，對(duì)注漿泵出口壓力及注漿管承壓能力的要求低，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備簡(jiǎn)單化、小型化，尤其是對(duì)于甲板面積有限的小型井口平臺(tái)，可以有效地進(jìn)行設(shè)備布置，展開施工。

(2) 采用淘洗晾曬的粗砂顆粒作為底部填充，可以在注砂的同時(shí)，通過(guò)砂粒的沖擊和滾動(dòng)清除一部分管壁雜質(zhì)或附著物，使得泥漿凝固后與管壁有較好的黏結(jié)度，共同作用效果更好；同時(shí)減少了泥漿需求量，更加環(huán)保，還為后續(xù)維護(hù)乃至更換提供了方便。

3 方案驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的底部灌漿、頂部溢流方案，在保持氣體有效排出、泥漿密實(shí)度和密閉空間滿灌方面有一定的優(yōu)勢(shì)，為了驗(yàn)證頂部灌漿、頂部溢流設(shè)計(jì)方案的施工效果和施工質(zhì)量，在施工方案設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行了施工模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

相關(guān)模擬試驗(yàn)就是在陸地模擬一個(gè)海上施工工況環(huán)境，主要參數(shù)包括管徑、傾角、注漿口尺寸、溢流-透氣孔尺寸、兩段封閉情況等。然后按照設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行施工演練，最后進(jìn)行施工質(zhì)量檢測(cè)。該試驗(yàn)主要關(guān)注和驗(yàn)證以下內(nèi)容：

(1) 驗(yàn)證砂粒與注漿孔孔徑的匹配性，測(cè)量砂粒灌注后自由堆積面坡度，進(jìn)行有效注砂高度及注砂量計(jì)算。

(2) 檢查砂漿接合面情況，驗(yàn)證注砂的有效性，不影響后續(xù)生產(chǎn)期內(nèi)節(jié)點(diǎn)處檢修乃至更換。

(3) 檢查灌漿效果，如泥漿密實(shí)度，是否存在裂紋、氣孔等灌注缺陷，以及泥漿與管壁的結(jié)合情況，并進(jìn)行取樣和強(qiáng)度測(cè)試，保證泥漿成型的可靠性。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，方案設(shè)計(jì)思路合理，各項(xiàng)內(nèi)容指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期，通過(guò)試驗(yàn)選擇了較大粒徑砂粒，完成了傾斜管中自由堆積坡度測(cè)量，進(jìn)行了用砂量計(jì)算；通過(guò)管線切割、測(cè)量，驗(yàn)證了注砂的有效性，對(duì)泥漿表觀和與管壁結(jié)合情況進(jìn)行了檢查，狀態(tài)良好；進(jìn)行了模擬管中泥漿強(qiáng)度測(cè)量，結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

4 方案實(shí)施

通過(guò)參數(shù)推薦和計(jì)算復(fù)核申請(qǐng)，業(yè)主設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了有效灌注長(zhǎng)度復(fù)核計(jì)算，認(rèn)可并通過(guò)了該施工方案設(shè)計(jì)。該方案于2016年組織實(shí)施，完成了東海某導(dǎo)管架受損斜撐的灌漿修復(fù)工作，施工成本僅為同類平臺(tái)構(gòu)件灌漿修復(fù)項(xiàng)目的1/3， 2016—2019年度平臺(tái)年檢報(bào)告顯示，該平臺(tái)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。具體相關(guān)施工步驟如下：

(1) 物資設(shè)備動(dòng)員，轉(zhuǎn)運(yùn)至平臺(tái)。

(2) 進(jìn)行設(shè)備施工布置。

(3) 搭設(shè)舷外作業(yè)平臺(tái)。

(4) 測(cè)量，進(jìn)行注漿孔、溢流孔開孔。

(5) 裝載砂粒。

(6) 制漿、灌漿。

(7) 泥漿凝固、降溫。

(8) 開孔修復(fù)(見圖6)，無(wú)損檢測(cè)。

(9) 漆面防腐。

(10) 拆除作業(yè)平臺(tái)，物資、設(shè)備復(fù)原。

圖6 注漿孔和溢流-透氣孔

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐證明，采用局部非滿灌、頂部灌漿、頂部溢流的工藝方案，依據(jù)合理，行之有效，已成功地應(yīng)用于東海某導(dǎo)管架井口平臺(tái)維修項(xiàng)目，在流程簡(jiǎn)化、質(zhì)量保證、效率提升、成本節(jié)約等諸多方面達(dá)到了預(yù)期的效果，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，成功地解決了小型平臺(tái)起吊能力和布置空間有限、水下施工風(fēng)險(xiǎn)大、維護(hù)處理難度高等問(wèn)題，擺脫了對(duì)施工船舶的依賴，避免了船舶多次?？克a(chǎn)生的新威脅，為導(dǎo)管架平臺(tái)局部修復(fù)提供了一種新的思考方式和處理方案。

但在方案選擇和應(yīng)用方面，首先應(yīng)注意其適用范圍，若平臺(tái)桿件受損嚴(yán)重，連接節(jié)點(diǎn)失效則不能直接應(yīng)用，其次要對(duì)灌漿效果進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，確保灌漿質(zhì)量。