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

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導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)裂紋的卡箍加強(qiáng)維修

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

摘要：南海東部海域某平臺(tái)導(dǎo)管架水下X撐檢測(cè)出裂紋，在確定無(wú)法用打磨方式進(jìn)行修復(fù)的情況下，決定采用張緊式灌漿卡箍進(jìn)行修復(fù)。介紹了采用灌漿卡箍、機(jī)械式卡箍、張緊式灌漿卡箍修復(fù)海洋平臺(tái)受損桿件的結(jié)構(gòu)形式以及優(yōu)缺點(diǎn)；結(jié)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(qiáng)度等的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并給出了計(jì)算結(jié)果。工程應(yīng)用表明，采用張緊式灌漿卡箍修復(fù)導(dǎo)管架X撐裂紋，達(dá)到了良好的預(yù)期效果，滿足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求；另外，相對(duì)于其他水下焊接修復(fù)技術(shù)，采用卡箍進(jìn)行維修的方案具有作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小、維修后結(jié)構(gòu)設(shè)施更加安全可靠、適應(yīng)性更廣等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架平臺(tái)；裂紋；張緊式灌漿卡箍；修復(fù)

隨著海洋平臺(tái)服役年限的增加，特別是對(duì)于超出設(shè)計(jì)壽命的導(dǎo)管架平臺(tái)，其導(dǎo)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(shí)有發(fā)生?？紤]到海洋平臺(tái)維修技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可行性，對(duì)于無(wú)法進(jìn)行打磨的裂紋桿件，多采用打卡箍的方式進(jìn)行修復(fù)［1］。

1　卡箍的種類(lèi)

卡箍是根據(jù)受損桿件的外形制作的外包結(jié)構(gòu)，可以是2瓣或多瓣的，用螺栓把各瓣連接起來(lái)，形成一個(gè)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(lái)傳遞受力?？ü糠诸?lèi)見(jiàn)圖1。

（1）灌漿卡箍（Grouted Clamps）。灌漿卡箍的管夾預(yù)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(duì)環(huán)形空間進(jìn)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(guò)增加剪力鍵來(lái)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(xué)粘結(jié)力以及剪力鍵。

灌漿卡箍的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，對(duì)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(dá)到預(yù)定承受荷載，往往需要較大的卡箍尺寸。

（2）機(jī)械式卡箍（Mechanical Clamps）。機(jī)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(lái)傳遞受力荷載。機(jī)械式卡箍不需要填充水泥，因而在安裝速度上快于相應(yīng)的灌漿卡箍。但是這種卡箍在制造前需要精確地測(cè)量安裝位置處受損桿件的具體尺寸，在制造過(guò)程中也同樣要精確地控制，以保證尺寸相對(duì)應(yīng)，否則極可能導(dǎo)致尺寸不匹配而無(wú)法安裝，或不能有效地貼合被加強(qiáng)桿件，導(dǎo)致卡箍失去作用。

圖1　不同種類(lèi)卡箍結(jié)構(gòu)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(jī)械式卡箍的綜合體，它在灌漿水泥固化后進(jìn)一步采用螺栓張緊，它既繼承了灌漿卡箍對(duì)精度要求不高的特點(diǎn)又具有機(jī)械式卡箍承載能力大的特點(diǎn)。相應(yīng)的，這種卡箍在安裝上要比前兩種卡箍稍微復(fù)雜。

以下將結(jié)合南海東部海域某平臺(tái)的實(shí)際工程案例，介紹張緊式灌漿卡箍的計(jì)算方法和注意事項(xiàng)。

2　工程概況

南海東部海域某平臺(tái)是中國(guó)南海建造的第一座鋼制導(dǎo)管架平臺(tái)，導(dǎo)管架基本參數(shù)見(jiàn)表1。為了確保海上安全生產(chǎn)，2012年對(duì)該平臺(tái)導(dǎo)管架進(jìn)行了全面水下檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管架水下X撐節(jié)點(diǎn)N151表面存在3條裂紋，相關(guān)裂紋信息見(jiàn)表2，裂紋位置為圖2 中1號(hào)桿件與2- 4號(hào)桿件的相貫處。

表1　導(dǎo)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(kuò)展分析結(jié)果，N151- M38節(jié)點(diǎn)的264 mm×6.3 mm裂紋已超過(guò)打磨極限，不能再進(jìn)行打磨處理，確定該節(jié)點(diǎn)采用張緊式灌漿卡箍加強(qiáng)。

3　張緊式灌漿卡箍設(shè)計(jì)關(guān)鍵計(jì)算內(nèi)容

張緊式灌漿卡箍在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注以下4個(gè)方面內(nèi)容：

（1）施加的螺栓張緊力不能導(dǎo)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(kāi)。

（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(guān)。

（4）必須保證卡箍環(huán)空中水泥的強(qiáng)度滿足要求。

3.1張緊式灌漿卡箍滑移力計(jì)算

對(duì)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(guān)系，目前普遍采用以下經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(jié)力系數(shù)；τb為粘結(jié)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(jì)算

張緊式灌漿卡箍螺栓張緊力的計(jì)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(kāi)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(jìn)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(guān)計(jì)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(kāi)力校核?？ü考訌?qiáng)位置處的剪切力及彎曲力作用在卡箍上，將導(dǎo)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(lái)保證組成卡箍的各部分（瓣）始終緊密結(jié)合在一起就顯得非常重要。螺栓張緊力應(yīng)至少保證1.2倍的安全系數(shù)。見(jiàn)圖3。

3.3卡箍環(huán)空中水泥強(qiáng)度的計(jì)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(qiáng)度十分關(guān)鍵。本文針對(duì)HZ21- 1A導(dǎo)管架X撐建立了局部三維有限元模型，通過(guò)提取對(duì)應(yīng)位置的載荷，對(duì)卡箍環(huán)空的水泥強(qiáng)度進(jìn)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(zhǎng)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(qiáng)度，均采用實(shí)體模型，由于管道桿件厚度與長(zhǎng)度相差較大，網(wǎng)格劃分大小應(yīng)以不超過(guò)桿件壁厚的0.5倍為宜，在相貫線處，網(wǎng)格尺寸應(yīng)保證協(xié)調(diào)；其四，考慮到裂紋側(cè)在修復(fù)后將無(wú)法實(shí)施檢測(cè)，模型中撐桿與弦桿按斷開(kāi)處理，見(jiàn)圖4。有限元整體模型見(jiàn)圖5。

圖3　卡箍撬開(kāi)力校核

圖4　受損桿件與主弦桿斷開(kāi)

圖5　有限元幾何模型

（2）混凝土本構(gòu)模型?；炷恋牧W(xué)行為相當(dāng)復(fù)雜，很多學(xué)者通過(guò)非線性彈性、塑性、斷裂、損傷力學(xué)、內(nèi)時(shí)理論以及細(xì)觀力學(xué)和統(tǒng)計(jì)模型等多種途徑提出了多種本構(gòu)模型。這些模型一般都只能在某一方面反映混凝土的本構(gòu)特性，在一定范圍內(nèi)獲得應(yīng)用［4- 5］。為保證灌漿水泥卡箍的可靠性，盡量避免混凝土開(kāi)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(jì)算混凝土本構(gòu)模型，混凝土的單軸受壓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系選用Hongnestand公式，見(jiàn)式（2）。混凝土的泊松比為0.2，彈性模量為3.6×104N/mm2。

式中：σ為壓應(yīng)力，N/mm2；fc為極限壓力，N；ε為峰值應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；ε0= 0.002。

（3）邊界條件。根據(jù)力平衡原則，對(duì)稱端點(diǎn)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(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，將裂紋桿件的另一側(cè)設(shè)為固定約束，其余3端施加相應(yīng)的荷載。

4　計(jì)算結(jié)果及卡箍設(shè)計(jì)

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

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

（3）安裝過(guò)程中需二次預(yù)緊，最終預(yù)緊力為128 kN。設(shè)計(jì)的卡箍形狀及實(shí)物見(jiàn)圖6、圖7。

圖6　卡箍設(shè)計(jì)示意

圖7　卡箍實(shí)物

5　結(jié)束語(yǔ)

此平臺(tái)導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)裂紋維修從方案選擇到完成海上施工，前后歷時(shí)約1年。通過(guò)對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的裂紋進(jìn)行計(jì)算分析，分類(lèi)處理，采用打磨或卡箍加強(qiáng)的方法進(jìn)行維修，達(dá)到很好的預(yù)期效果，滿足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，并獲得第三方發(fā)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的平臺(tái)符合證書(shū)。實(shí)踐證明，相比于其他水下焊接技術(shù)，卡箍加強(qiáng)的維修方案具有作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小、維修后結(jié)構(gòu)設(shè)施更加安全可靠、適應(yīng)性更廣等優(yōu)點(diǎn)［7］。

參考文獻(xiàn)

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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(jiǎn)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(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事海洋工程項(xiàng)目管理工作。

Email：1872667672@qq.com

收稿日期：2016- 03- 15