徐 爽，楊 旬，劉孝強(qiáng)

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451;2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300270；3.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451）

海洋平臺(tái)損傷形式及卡箍維修加固方法研究

徐 爽1，楊 旬2，劉孝強(qiáng)3

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451;2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300270；3.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451）

海洋平臺(tái)作為海上石油開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，造價(jià)高昂，其在惡劣的海洋環(huán)境中長期服役會(huì)受到多種載荷的作用，這些載荷會(huì)對(duì)平臺(tái)造成不同程度的損傷。文章對(duì)不同損傷情況進(jìn)行了介紹，并著重針對(duì)卡箍維修加固方法進(jìn)行了介紹，通過計(jì)算分析及實(shí)際工程應(yīng)用范例，說明卡箍維修的優(yōu)越性，并對(duì)在役平臺(tái)的維修加固以及維持其正常運(yùn)行提供了指導(dǎo)。

海洋平臺(tái)；損傷；卡箍；維修加固

0 引言

自從1911年在美國路易斯安娜和科克薩斯之間的海上，建起世界上第一座海上鉆井平臺(tái)以來，海上平臺(tái)一直是實(shí)施海底油氣勘探和開采的工作基地，是海洋石油開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高昂，服役環(huán)境惡劣，長期遭受風(fēng)、浪、流、地震、海冰等載荷作用，設(shè)計(jì)壽命一般為15～20年，其失效后果嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)運(yùn)行。因此對(duì)平臺(tái)進(jìn)行維修加固，保持平臺(tái)長期平穩(wěn)生產(chǎn)，降低運(yùn)行成本，是每一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)必須面對(duì)的課題。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者及工程相關(guān)單位相繼開展對(duì)海上平臺(tái)受損構(gòu)件修理與加固的研究工作，并取得顯著的進(jìn)展。

1 海洋平臺(tái)損傷因素

海洋平臺(tái)在惡劣的海洋環(huán)境中長期服役，遭受風(fēng)、浪、流、海冰、地震、船只碰撞等外載荷作用，同時(shí)還會(huì)遭受平臺(tái)生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種情況影響，會(huì)出現(xiàn)不同的損傷及破壞狀況。主要損傷類型有凹痕、腐蝕、地基土沖刷和海冰等。

1.1 凹痕

凹痕類機(jī)械損傷通常是結(jié)構(gòu)在制造、拖運(yùn)和安裝過程中由于碰撞而產(chǎn)生的，也可能是在服役期間因重物掉落砸傷或船舶?？颗鲎苍斐傻?。如圖1所示，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)是因船舶碰撞產(chǎn)生的凹痕類損傷。

1.2 腐蝕

腐蝕與海洋環(huán)境有關(guān)，如海水成分、含氧量、水溫等。根據(jù)海洋平臺(tái)各腐蝕區(qū)的腐蝕特征，通常將平臺(tái)結(jié)構(gòu)分為5個(gè)腐蝕區(qū)：海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)、海底泥土區(qū)。海上結(jié)構(gòu)物由于海上電化學(xué)作用而受到腐蝕，海洋大氣區(qū)受空氣鹽霧腐蝕；飛濺區(qū)和潮差區(qū)受海水間歇作用腐蝕嚴(yán)重，圖2為飛濺區(qū)支管的嚴(yán)重腐蝕情況；海水全浸區(qū)腐蝕程度同海水深度有關(guān)，近海面腐蝕嚴(yán)重，越深腐蝕越輕；海底泥土區(qū)腐蝕較輕。此外由于設(shè)計(jì)缺陷以及陰極保護(hù)失效，或鋼制構(gòu)件出現(xiàn)細(xì)槽或穿孔，會(huì)使局部出現(xiàn)過度腐蝕；海生物的附著可以改變銹蝕方式，另一方面也會(huì)放大環(huán)境荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，圖3展示了海生物嚴(yán)重附著的情況。相對(duì)于完好平臺(tái)，受腐蝕平臺(tái)達(dá)到極限狀態(tài)的極限流速和極限冰厚有明顯減小，平臺(tái)抵抗環(huán)境載荷作用的能力和強(qiáng)度儲(chǔ)備顯著降低。

1.3 地基土沖刷

地基土沖刷是一種地質(zhì)侵蝕過程，通常是由海流和波浪引起的海底土壤移動(dòng)，也可能是結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件妨礙海底附近的自然流動(dòng)狀態(tài)而引起的沖刷。沖刷使樁頂受力狀態(tài)發(fā)生變化，等效樁長度增大，影響結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，會(huì)降低整個(gè)平臺(tái)的安全度，影響導(dǎo)管架平臺(tái)的整體承載能力。在靠近海底的砂和粉砂層，沖刷產(chǎn)生的勢能非常大，會(huì)引起支座豎向和橫向位移，造成基礎(chǔ)構(gòu)件產(chǎn)生過大應(yīng)力。

1.4 海冰

冰區(qū)的平臺(tái)在冰期可能發(fā)生傾斜，支撐構(gòu)件發(fā)生斷裂。碰撞損傷將使海洋結(jié)構(gòu)物的承載能力下降，降低整個(gè)結(jié)構(gòu)物的使用壽命甚至造成災(zāi)難性后果。由于海冰對(duì)平臺(tái)造成的沖擊，還可能引起平臺(tái)的冰激振動(dòng)，從而造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。

1.5 裂紋

不同的損傷情況最終會(huì)導(dǎo)致海洋平臺(tái)某些關(guān)鍵部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋和疲勞裂紋，甚至構(gòu)件斷裂。其中疲勞裂紋是由應(yīng)力集中產(chǎn)生的，最值得關(guān)注。疲勞斷裂有很大的突然性，許多海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性事故都與疲勞斷裂有關(guān)。圖4給出了兩種裂紋情況。

2 海洋平臺(tái)卡箍維修加固方法研究

海洋平臺(tái)的維修加固對(duì)確保海洋平臺(tái)的安全運(yùn)行起著重要作用，針對(duì)平臺(tái)的不同缺陷，采用不同的手段對(duì)平臺(tái)進(jìn)行維修加固，同時(shí)還要考慮到維修加固實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷的主要形式，工程上應(yīng)用的維修加固方式，主要有平臺(tái)焊接 （干焊、濕焊）、焊趾處理、卡箍、灌漿、復(fù)合材料包覆、廢棄構(gòu)件去除以及采用新防腐涂料等。本文著重對(duì)卡箍維修加固進(jìn)行分析。

2.1 卡箍維修加固分類

卡箍是針對(duì)受損構(gòu)件的外形做成的外包結(jié)構(gòu)，可做成兩瓣或多瓣，并用螺栓把各瓣連接起來，形成一個(gè)管夾，把受損構(gòu)件夾緊，依靠管夾與受損構(gòu)件之間的摩擦力或剪力鍵來傳力，主要有三種形式：機(jī)械卡箍、灌漿卡箍、樹脂卡箍。

2.1.1 機(jī)械卡箍

機(jī)械卡箍是靠金屬之間的摩擦力傳力的，是卡箍修理的早期形式。其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，左圖卡箍法蘭為一體型法蘭，右圖為分體型法蘭，分體型法蘭可以減小卡箍重量，減輕拖曳荷載，主要應(yīng)用于大直徑管的修理，如導(dǎo)管架腿或者主支撐。卡箍均具有鞍型曲面板，用來包繞支撐修理管件，螺栓通過其他部分將力傳遞給鞍型曲面板，使卡箍與原結(jié)構(gòu)之間有力作用，達(dá)到維修加固的目的?？ü總鬟f荷載的能力僅靠摩擦力，所以很小。修理時(shí)需對(duì)受損部位做詳細(xì)精確的水下測量，卡箍必須和受損構(gòu)件外形適配密合，這兩項(xiàng)工作都難達(dá)到理想要求。另外，緊固卡箍時(shí)，容易使內(nèi)管受損。它的優(yōu)點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)，海上工作時(shí)間短。

2.1.2 灌漿卡箍

灌漿卡箍是通過在受損構(gòu)件與外套管夾的環(huán)形空間灌注水泥漿來增大摩擦系數(shù)和承載力的，其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用如圖6所示。為進(jìn)一步增加承載力，可設(shè)置剪力鍵。因此，又可把灌漿卡箍分為：無剪力鍵和剪力鍵的灌漿卡箍。無剪力鍵的卡箍承載力雖高于機(jī)械卡箍，但仍然較低，使用較少。有剪力鍵的灌漿卡箍使承載力大為提高，性能可靠，如果填充膨脹水泥，性能更好，是目前世界上用得最多的一種合理卡箍。另外灌漿卡箍中還有一種壓力灌漿卡箍，這種卡箍通常叫做加壓灌漿卡箍，但它不是高壓灌漿，而是用雙緊螺栓后加的壓力。加壓灌漿卡箍的強(qiáng)度是由水泥漿與鋼管表面的粘結(jié)力和由雙緊螺栓張緊在交界面上產(chǎn)生的摩擦力共同提供的。但在深水中對(duì)高強(qiáng)螺栓增加張力卻十分困難，無論采用扭矩法、轉(zhuǎn)角法還是扭剪型高強(qiáng)螺栓，都難準(zhǔn)確達(dá)到規(guī)定的張力值。這種加壓方法，不如用膨脹水泥方便可靠。因而，這種壓力灌漿卡箍不如帶剪力鍵的灌漿卡箍用得多。

2.1.3 樹脂卡箍

樹脂卡箍與灌漿卡箍有某些相似之處，不同點(diǎn)在于環(huán)形空間填充的是樹脂而不是水泥漿，它具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度，從而不需要剪力鍵和外加的螺栓力。但由于樹脂粘結(jié)強(qiáng)度在海水環(huán)境條件下的耐久性還無可靠的依據(jù)，所以除在混凝土結(jié)構(gòu)中采用過樹脂卡箍之外，在鋼結(jié)構(gòu)的修理中還未采用過這種方法。

2.2 卡箍維修加固有限元計(jì)算分析

針對(duì)灌漿卡箍維修加固方法，本文選用了ANSYS中的分層單元模擬管節(jié)點(diǎn)處維修加固前后的應(yīng)力狀態(tài)變化，并利用局部模型嵌入整體模型的方法進(jìn)行了分析計(jì)算，如圖7所示。

經(jīng)過計(jì)算分析，完整平臺(tái)在服役過程受到腐蝕的影響，采用灌漿卡箍的維修加固方法后，應(yīng)力明顯降低，實(shí)現(xiàn)了維修加固的效果。

2.3 卡箍維修加固應(yīng)用實(shí)例

Found Ocean公司在灌漿卡箍維修加固平臺(tái)方面擁有較多的經(jīng)驗(yàn)，他們設(shè)計(jì)研究的灌漿卡箍在Shell、BP等公司的平臺(tái)進(jìn)行了多次應(yīng)用，效果良好。圖8為機(jī)械卡箍的實(shí)際應(yīng)用情況。另外，MPM公司也為Exxon、Shell等多家公司進(jìn)行過卡箍平臺(tái)維修，Seal-Tite公司在墨西哥灣的平臺(tái)維修上有良好的業(yè)績。

3 結(jié)束語

海洋平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、制造費(fèi)用昂貴的特點(diǎn)。發(fā)生故障后，除影響其功能發(fā)揮，生產(chǎn)中斷，造成經(jīng)濟(jì)損失外，對(duì)于住人平臺(tái)的安全可靠性也產(chǎn)生很大影響。因此保持平臺(tái)長期平穩(wěn)生產(chǎn)、降低運(yùn)行成本，是每一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)必須面對(duì)的課題。目前的初步估算，對(duì)30%以上的在役老齡化平臺(tái)進(jìn)行再評(píng)估或維修加固后，可以繼續(xù)安全可靠服役5～10年，能夠節(jié)約大量資金。

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Research of Offshore Platform Damage Types and Repair and Strengthening Method with Clamp

XU Shuang（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China），YANG Yun,LIU Xiao-qiang

Offshore platform is essential equipment for ocean oil development with high construction cost.It suffers from a variety of load effects during the long-term service in the complex marine environment.These loads can cause varying degrees of damage to the platform.This paper introduces the different damage types,focuses on the repair and strengthening method with clamp,and explains the advantages of the method through the computational analysis and the actual project application examples.It will also provide guidance to repair and strengthen platforms in-service.

offshore platform;damage;clamp;repair and strengthening

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0065－04

徐 爽 （1983-），男，山東德州人，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事海上結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度計(jì)算分析工作。

2011-08-23