陳 波 張人公 張 勇 嚴(yán)國(guó)華

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司惠州油田作業(yè)公司 廣東深圳 518000； 2. 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067)

百米水深導(dǎo)管架維修灌漿卡箍設(shè)計(jì)及灌漿材料選取與試驗(yàn)

陳 波1張人公2張 勇1嚴(yán)國(guó)華2

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司惠州油田作業(yè)公司 廣東深圳 518000； 2. 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067)

陳波,張人公,張勇，等.百米水深導(dǎo)管架維修灌漿卡箍設(shè)計(jì)及灌漿材料選取與試驗(yàn)[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(6)：128-132.

Chen Bo,Zhang Rengong,Zhang Yong,et al.Design of grouting clamps and grouting material selection and tests on jacket maintenance in hectometer water depth[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):128-132.

針對(duì)水深117 m的HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)交叉斜撐桿處出現(xiàn)的裂縫，提出使用灌漿卡箍的方法進(jìn)行維修，建立了灌漿卡箍模型，對(duì)灌漿卡箍進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選取了灌漿材料并進(jìn)行了陸地強(qiáng)度和填充試驗(yàn)。HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)裂縫灌漿卡箍維修現(xiàn)場(chǎng)水泥漿取樣試塊強(qiáng)度分析表明該灌漿修復(fù)項(xiàng)目成功實(shí)施，施工效果良好，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)100 m以上水深導(dǎo)管架灌漿卡箍修復(fù)裂縫的技術(shù)空白，可為今后進(jìn)行類似的灌漿工作提供技術(shù)參考。

深水導(dǎo)管架；灌漿卡箍設(shè)計(jì)；灌漿材料選取；陸地試驗(yàn)；海上施工；HZ21-1A平臺(tái)

HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)位于中國(guó)南?；葜萦吞锖Ｓ颍?17 m，為典型四腿導(dǎo)管架平臺(tái)。在對(duì)該導(dǎo)管架進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)N151節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)裂縫，裂縫尺寸為264.0 mm×6.3 mm。N151節(jié)點(diǎn)位于導(dǎo)管架樁腿東側(cè)處，水深約101 m，交叉斜撐桿件外徑為762.0 mm，壁厚為19.1 mm，具體位置見(jiàn)圖1。經(jīng)過(guò)對(duì)維修方案研討，計(jì)劃在N151節(jié)點(diǎn)處安裝灌漿卡箍進(jìn)行修復(fù)，即通過(guò)在節(jié)點(diǎn)裂縫處安裝卡箍將裂縫包住，并通過(guò)灌漿方式將泥漿注入卡箍?jī)?nèi)部完全填充，待水泥凝固之后達(dá)到對(duì)受損桿件進(jìn)行修復(fù)的目的。灌漿卡箍是處理該類裂紋的一種國(guó)際通用的成熟施工方法，然而國(guó)內(nèi)采用灌漿卡箍維修的案例不多，而且100m水深位置的維修卡箍如何灌漿更是鮮有參考依據(jù)，以往類似工程的卡箍安裝都需要用到飽和潛水作業(yè)，更是加大了施工的難度及風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)建立灌漿卡箍模型，對(duì)HZ21-1A導(dǎo)管架維修灌漿卡箍進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選取了灌漿材料并進(jìn)行了陸地試驗(yàn)。HZ21-1A平臺(tái)N151節(jié)點(diǎn)灌漿修復(fù)項(xiàng)目的成功實(shí)施，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)100 m以上水深灌漿卡箍修復(fù)裂紋的技術(shù)空白，可為今后進(jìn)行類似的灌漿工作提供技術(shù)參考。

圖1 HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)維修灌漿卡箍安裝位置

1 灌漿卡箍設(shè)計(jì)

灌漿卡箍在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容[1-2]：①施加的螺栓張緊力不能導(dǎo)致水下桿件壓潰；②必須要有足夠的螺栓張緊力防止卡箍被桿件撬開(kāi)；③必須要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(guān)；④必須要保證卡箍環(huán)空中水泥的強(qiáng)度滿足要求。

設(shè)計(jì)N151節(jié)點(diǎn)灌漿卡箍時(shí)，根據(jù)灌漿卡箍的實(shí)際安裝位置，采用理想彈塑性模型作為計(jì)算泥漿的結(jié)構(gòu)模型，考慮到泥漿與混凝土成分相近，兩者的力學(xué)性能相差不大，因此選用混凝土本構(gòu)模型來(lái)建立灌漿卡箍設(shè)計(jì)的有限元模型(圖2)。混凝土(泥漿)的本構(gòu)模型如圖3所示[3]，圖3中混凝土的單軸受壓的應(yīng)力應(yīng)變選用Hongnestand公式[4]進(jìn)行計(jì)算，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變值ε上升段采用式(1)，下降段采用式(2)，混凝土的泊松比取0.2，彈性模量取3.6×104N/mm2[5-6]。

圖2 HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)維修灌漿卡箍有限元模型

圖3 泥漿本構(gòu)模型圖

上升段

(1)

下降段

(2)

式(1)、(2)中：σ為混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力值；ε為混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變值；fc為混凝土峰值抗壓強(qiáng)度；ε0為相應(yīng)于峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變，取0.002 0；εu為極限壓應(yīng)變，取0.003 8[5-6]。

在建模過(guò)程中，如何考慮邊界條件是關(guān)鍵。根據(jù)力平衡原則，對(duì)稱端點(diǎn)1與3或2與4載荷大小基本一致，而桿件2～4的變形對(duì)桿件1有一定的影響。因此，為最大限度地模擬實(shí)際情況下的邊界條件，假定卡箍端點(diǎn)1為固定約束，其余3端施加相應(yīng)的載荷。

根據(jù)設(shè)計(jì)理論及計(jì)算分析結(jié)果，得出灌漿卡箍各段長(zhǎng)度如圖4所示?？ü慷瞬繄A環(huán)內(nèi)徑為762 mm，內(nèi)部環(huán)向空間內(nèi)徑為912 mm，壁厚為20 mm；固定螺栓為直徑30 mm的雙頭螺栓，長(zhǎng)度1 270 mm，沿卡箍邊緣均勻布置，間隔200 mm，螺栓預(yù)緊力為128 kN。

圖4 HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)維修灌漿卡箍尺寸

2 灌漿材料選取與試驗(yàn)

2.1 灌漿材料選取

為確保HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)安全，灌漿材料凝固28 d的抗壓強(qiáng)度要高于40 MPa。根據(jù)張緊式灌漿卡箍螺栓張緊力計(jì)算結(jié)果，灌漿時(shí)還須滿足如下要求：①灌漿材料凝固24 h抗壓強(qiáng)度高于15.25 MPa；②M30螺栓第二次預(yù)緊力為128 kN。國(guó)際上普遍采用水泥作為灌漿材料，水泥分油基水泥和水基水泥。油基水泥普遍應(yīng)用于海洋鉆完井施工，其能滿足凝固24 h的抗壓強(qiáng)度15.25 MPa的初凝強(qiáng)度，但是很難保證凝固28d的抗壓強(qiáng)度40 MPa的終凝強(qiáng)度；普通水基水泥較難滿足凝固24 h的抗壓強(qiáng)度15.25 MPa的初凝強(qiáng)度，但是比較容易滿足凝固28d的抗壓強(qiáng)度40 MPa的終凝強(qiáng)度。參考其他多個(gè)導(dǎo)管架安裝項(xiàng)目灌漿用水泥，最終決定在提高水灰比至0.42的條件下采用PⅡ52.5R型水基水泥。該水泥初凝時(shí)間106 min，終凝時(shí)間163 min，水泥特性如表1所示。

表1 PⅡ52.5R型水基水泥特性

2.2 灌漿材料強(qiáng)度試驗(yàn)

灌漿材料的強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)康脑谟诖_定所選擇灌漿材料各個(gè)時(shí)間段的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)時(shí)水泥的養(yǎng)護(hù)條件須盡量模擬實(shí)際施工時(shí)的情況。HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)卡箍灌漿實(shí)際施工時(shí)先采用淡水置換卡箍?jī)?nèi)海水，然后灌注水泥漿并凝固，凝固時(shí)水泥漿與海水接觸面極小?？紤]試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)時(shí)選擇在淡水環(huán)境中養(yǎng)護(hù)試塊，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由于7 d強(qiáng)度已遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，考慮工期問(wèn)題，未做28 d強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果并考慮經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，最終確定實(shí)際施工時(shí)的參數(shù)為：抗壓強(qiáng)度(1 d)≥15.25 MPa，抗壓強(qiáng)度(28 d)≥40 MPa，養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃左右，密度1 936±24 kg/m3，水灰比約0.42，初凝時(shí)間≥1.5倍灌漿時(shí)間，混合用水為船用生活淡水，養(yǎng)護(hù)用水為未受污染的海水。

表2 水泥漿試塊抗壓試驗(yàn)報(bào)告(陸地試驗(yàn))

2.3 灌漿材料填充試驗(yàn)

卡箍?jī)?nèi)水泥充分填充是灌漿設(shè)計(jì)的假設(shè)基礎(chǔ)(設(shè)計(jì)允許最高位置出漿孔以上區(qū)域無(wú)填充)，然而水泥漿在實(shí)際維修卡箍?jī)?nèi)的流動(dòng)性和填充性卻很難評(píng)估。水泥漿會(huì)因自重原因下沉，因此注漿口選在卡箍灌漿底部，如圖5所示。為確?？ü抗酀{質(zhì)量，在陸地空氣中模擬水下灌漿，并記錄流量、壓力和灌漿量，這對(duì)海上實(shí)際灌漿作業(yè)有重要的參考作用。為此制作了同尺寸的水下模擬節(jié)點(diǎn)和模擬維修卡箍，完成模擬維修卡箍安裝后采用2臺(tái)25 t汽車吊將模擬維修卡箍與模擬節(jié)點(diǎn)調(diào)整至實(shí)際安裝角度，此時(shí)最高位置出漿孔距離地面約6 m，然后進(jìn)行灌漿作業(yè)。本試驗(yàn)理論灌漿量1.88 m3，試驗(yàn)灌漿量約2.2 m3，流量180 L/min，壓力約1 MPa。凝固12 h后拆除模擬卡箍，檢查凝固和填充情況，結(jié)果表明水泥完全凝固，除最高位置出漿孔以上區(qū)域無(wú)水泥填充外，其余位置完全填充，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)維修卡箍灌漿注漿孔和觀察孔

根據(jù)填充試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合實(shí)際施工環(huán)境情況，設(shè)計(jì)實(shí)際施工參數(shù)如下：

1) 試驗(yàn)灌漿量約為理論灌漿量的1.2倍，其主要原因在于灌漿時(shí)存在一定量的溢流損耗?？紤]海水中施工時(shí)前期存在水泥漿稀釋的問(wèn)題，確定單次海上施工用水泥量至少為理論灌漿用水泥量的2倍。

2) 海上施工期間流量變化不大，漿體流量約為180 L/min。

3) 考慮水泥漿密度為1 936 kg/m3，海水密度約1 025 kg/m3，且水深為101 m，實(shí)際施工時(shí)泵的工作壓力應(yīng)遠(yuǎn)小于1 MPa。

3 海上施工及效果

HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)卡箍灌漿使用“海洋石油708”作為施工船舶，船上配有灌漿設(shè)備。灌漿設(shè)備由制漿機(jī)、儲(chǔ)漿機(jī)、注漿泵和相關(guān)管線等構(gòu)成，其選型主要從壓力、流量和制漿能力等3個(gè)方面考慮。實(shí)際施工時(shí)采用灌漿設(shè)備一用一備的模式，設(shè)備布置成2套設(shè)備并排，采用三通匯流后注入主灌漿管線。該布置方式主要考慮了水泥凝固時(shí)間、設(shè)備可靠性和設(shè)備重要程度等對(duì)施工結(jié)果的影響。

灌漿前用高壓水槍清理維修構(gòu)件表面海生物并采用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，使清理后的表面粗糙度達(dá)50～60 μm，表面無(wú)海生物，可見(jiàn)一定的金屬光澤，制漿完成后須在30 min左右完成一桶水泥漿的注入工作，90 min內(nèi)完成卡箍所有水泥漿的注入工作。灌漿前必須完成已制成水泥漿的密度測(cè)量，確認(rèn)在1 936±24 kg/m3范圍內(nèi)以后方可正式注漿。實(shí)際施工時(shí)注漿泵壓力幾乎為0，流量約180 L/min，與填充試驗(yàn)后的預(yù)計(jì)情況一致。

卡箍上共5個(gè)溢流口，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水泥漿從溢流口流出時(shí)則關(guān)閉該溢流口。頂部最后2個(gè)溢流口須待水泥漿流出5 min后再關(guān)閉，以確保將卡箍?jī)?nèi)海水和稀釋的水泥漿排盡。隨后回收灌漿管線，灌漿作業(yè)結(jié)束。

現(xiàn)場(chǎng)制成的每一批次水泥漿均須取樣，制成試塊(圖6)，試件體積70.7 mm3，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，以確保實(shí)際的施工效果滿足設(shè)計(jì)要求。養(yǎng)護(hù)時(shí)一般與前期強(qiáng)度試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)條件相同。為確保灌漿維修卡箍的最終效果，選擇了更加惡劣的海水環(huán)境中進(jìn)行試塊養(yǎng)護(hù)。試塊在海水養(yǎng)護(hù)環(huán)境中存放28 d后，水泥強(qiáng)度依然滿足設(shè)計(jì)要求，如表3所示。從表3可以看出，海上灌漿現(xiàn)場(chǎng)取樣試塊28d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果比陸地實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果普遍要小一些，但仍在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。分析認(rèn)為,主要原因如下：

圖6 HZ21-1A平臺(tái)管架維修卡箍灌漿水泥試塊

表3 HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)維修卡箍灌漿水泥漿試塊抗壓試驗(yàn)報(bào)告(28 d)

1) 陸地試驗(yàn)無(wú)水壓，實(shí)際施工在100 m水深位置，存在1 MPa左右的水壓。

2) 因陸地試驗(yàn)條件限制，采用淡水養(yǎng)護(hù)，實(shí)際施工的養(yǎng)護(hù)為海水，且海水接觸試塊的面積較大(實(shí)際的水下卡箍與海水幾乎沒(méi)有接觸面積)。

3) 陸地養(yǎng)護(hù)期間環(huán)境比較固定，不存在顛簸，而實(shí)際養(yǎng)護(hù)時(shí)存在船舶、汽車等多次的顛簸，對(duì)水泥的凝固造成了一定的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立灌漿卡箍模型，對(duì)HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)100 m深水維修灌漿卡箍進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選取了灌漿材料并進(jìn)行了陸地試驗(yàn)。實(shí)踐表明，灌漿卡箍施工前須展開(kāi)陸地模擬試驗(yàn)，檢查灌漿材料的初凝及終凝強(qiáng)度，卡箍?jī)?nèi)泥漿填充狀態(tài)是否滿足要求，灌漿設(shè)備需要考慮壓力、流量及制漿速度等因素，確保水泥初凝時(shí)間大于1.5倍灌漿時(shí)間。HZ21-1A導(dǎo)管架平臺(tái)N151節(jié)點(diǎn)灌漿修復(fù)項(xiàng)目的成功實(shí)施，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)100 m以上水深灌漿卡箍修復(fù)裂紋的技術(shù)空白，可為今后進(jìn)行類似的灌漿工作提供技術(shù)參考。

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(編輯：葉秋敏)

Design of grouting clamps and grouting material selection and tests on jacket maintenance in hectometer water depth

Chen Bo1Zhang Rengong2Zhang Yong1Yan Guohua2

(1.HuizhouOperatorCo.,ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China; 2.COOECSubseaTechnologyLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Aiming at the cracks in the crossing brace of the HZ 21-1A jacket at 117 m water depth, the grouting clamp method for offshore maintenance was proposed. The model of grouting clamp was built, the design of the grouting clamp carried out, the grouting material selected, the filling tests conducted, and the onshore strength determined. Finally the method was successfully applied on the HZ 21-1A jacket, and the sample strength determination shows that satisfactory effect was achieved. This will help to eliminate the technical gap in jacket crack maintenance at more than hectometer water depth by grouting clamp in China, and provide reference for similar grouting projects in the future.

deepwater jacket; grouting clamp design; grouting material selection; onshore test; offshore operation; HZ 21-1A platform

1673-1506(2016)06-0128-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.021

陳波，男，工程師，1992年畢業(yè)于華南理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)管線容器和水下作業(yè)。地址：廣東省深圳市南山區(qū)后海濱路(深圳灣段)3168號(hào)中海油大廈A座23-24樓2312室(郵編：518000)。E-mail:chenbo4@cnooc.com.cn。

TE54

A

2016-05-30 改回日期：2016-06-30