导管架节点裂纹维修技术研究

中海石油（中国）有限公司深圳分公司惠州油田张勇必维（天津）安全技术有限公司 李士喜中国船级社深圳分社 徐文教

随着海洋平台服役年限的增多，特别是对于超出设计寿命的导管架平台，其导管架撑杆或弦杆等重要杆件因疲劳、先天缺陷等原因而产生裂纹的情况时有发生。考虑到海洋平台维修技术的经济性和可行性，对于无法进行打磨的裂纹杆件，多采用打卡箍的方式进行修复处理。

卡箍是针对受损杆件的外形做成的外包结构，可以是2瓣或多瓣的，并用螺栓把各瓣连接起来，形成一个管夹，把受损杆件夹紧，依靠管夹与受损杆件之间的摩擦力或剪力键来传递受力。目前应用在海洋平台修复上的卡箍，就其张紧原理来看，主要分为以下3类：

1、 灌浆卡箍（Grouted Clamps）。

灌浆卡箍的管夹预先用螺栓在受损杆件外面组装完毕，管夹与受损杆件之间留有环空空间，随后用水泥对环空空间进行灌浆处理。灌浆卡箍的内壁及受损杆件表面可以增加剪力键来辅助提高受力的承载能力。灌浆卡箍受力的传递主要依靠水泥固化后形成的化学粘结力以及剪力键。

灌浆卡箍结构形式简单，对受损杆件表面尺寸精度要求不高，但其传递受力能力较弱，为达到预定承受荷载，往往需要较长的卡箍尺寸。

2、 机械式卡箍（Mechanical Clamps）。

机械式卡箍主要依靠螺栓作用力直接张紧卡箍在受损杆件上，依靠卡箍与受损杆件之间的摩擦力来传递受力荷载。机械式卡箍不需要填充水泥，因而在安装上快于相应的灌浆卡箍。但是这种卡箍在制造前需要精确地测量安装位置处受损杆件的具体尺寸，在制造过程中也要精确地控制以保证尺寸相对应，否则极可能导致尺寸不匹配而无法安装；或不能有效地贴合被加强杆件，导致卡箍失去作用。

3、 张紧式灌浆卡箍（Stressed Grouted Clamps）。

张紧式灌浆卡箍可以看作是灌浆卡箍与机械式卡箍的综合体。它在灌浆水泥固化后进一步采用螺栓张紧。它继承了灌浆卡箍对精度要求不高的特点，又具有机械式卡箍承载能力大的特点。相应的，这种卡箍在安装上要比前两种卡箍稍微复杂。

图1：不同种类卡箍结构示意图

以下将结合南海东部海域某平台的实际工程案例，介绍张紧式灌浆卡箍的计算方法和注意事项。

工程概况

南海东部海域某平台是中国南海建造的第一座钢制导管架平台，导管架基本参数见下图2和表1。为了确保海上安全生产，2012年对该平台导管架进行全面的水下检测，检测发现导管架水下X撑节点N151表面发生3条裂纹，相关裂纹信息如表2所示，裂纹位置为图3中1号杆件与2-4号杆件相贯处。

图2：导管架示意图

图3：裂纹位置示意图

表1：导管架基本参数

表2：裂纹信息

根据裂纹扩展分析结果，N151- M38节点的264x6.3mm裂纹超过打磨极限，不能进行打磨处理，确定该节点采用张紧式灌浆卡箍加强。

张紧式灌浆卡箍设计关键计算内容

张紧式灌浆卡箍在设计过程中需要重点关注以下4方面内容：施加的螺栓张紧力不能导致水下杆件压溃；必须要有足够的螺栓张紧力防止卡箍被杆件撬开；必须要提供满足要求的滑移力，滑移力的大小与螺栓张紧力密切相关；必须要保证卡箍环空中水泥的强度满足要求。

1、张紧式灌浆卡箍滑移力计算

对于张紧式灌浆卡箍单位面积所能提供的滑移力与施加的垂直荷载的关系，目前普遍采用的经验计算公式如下所示：

其中：

Pp为在垂直荷载作用下单位面积所能提供的滑移力；Fn为施加的垂直荷载；Гμ为摩擦力安全系数；

Гb为粘结力安全系数；A为滑移力有效面积； Cs为粘结力系数；C’s为摩擦力系数。

2、张紧式灌浆卡箍螺栓张紧力计算

张紧式灌浆卡箍螺栓张紧力的计算除了要提供足够的滑移力，还要受以下2个方面的限制：杆件压溃校核、卡箍撬开力校核。

（1） 杆件压溃校核

杆件压溃校核可依据API RP 2A WSD规范中提供的公式进行，具体情况分为受损杆件承受轴向拉伸荷载压溃校核和受损杆件承受压缩荷载压溃校核。

（2） 卡箍撬开力校核

卡箍加强位置处的剪切力及弯曲力作用在卡箍上，将导致组成卡箍的各部分（瓣）相互分离。而施加足够的螺栓张紧力来保证组成卡箍的各部分（瓣）始终紧密结合在一起就显得非常重要。螺栓张紧力应至少保证1.2倍的安全系数。

3、卡箍环空中水泥强度计算

在受损杆件与卡箍之间填充的水泥可以有效地将受损杆件的载荷传递至外层的卡箍，水泥本身的强度十分关键。本文针对HZ21-1A导管架X撑建立了局部三维有限元模型，通过提取对应位置的载荷，对卡箍环空水泥强度进行了校核分析。

有限元模型建模遵循的原则：依据圣维南原理，建模范围取为2倍卡箍长度；考虑水泥与内部受损杆件及外部卡箍变形协调；为分析水泥强度，均采用实体模型，由于管道杆件厚度与长度相差较大，网格划分大小应不超过杆件壁厚的0.5倍为宜。在相贯线处，网格尺寸应保证协调；考虑到裂纹侧在修复后将无法实施检测，模型中撑杆与弦杆断开处理，如图5所示。有限元整体模型如图6所示。

混凝土本构模型：混凝土的力学行为相当复杂，很多学者通过非线性弹性、塑性、断裂、损伤力学、内时理论以及细观力学和统计模型等多种途径提出了多种本构模型。这些模型一般都只能在某一方面反映混凝土的本构特性，在一定范围内获得应用。为保证灌浆水泥卡的可靠性，尽量避免混凝土开裂或压碎，使混凝土在弹塑性条件下工作。本文采用理想弹塑性模型作为计算混凝土本构模型，混凝土的单轴受压的应力应变关系选用Hongnestand公式，如式（1）所示。混凝土的泊松比为0.2，弹性模量为3.6E4 N/mm2。

边界条件：根据力平衡原则，对称端点1与3或2与4载荷大小基本一致，而杆件2-4的变形对杆件1有一定的影响。因此为最大限度的模拟实际情况下的边界条件，在裂纹杆件的另一侧为固定约束，其余三端施加相应的载荷。

计算结果及卡箍设计

图5：受损杆件与主弦杆断开

图6：有限元几何模型

1、此平台导管架节点N151-M38受损X撑处，需要卡环有效长度为5m，所有材质为DH36。

2、受损杆件一侧混凝土拉应力最大值为1.37MPa，压应力最大值为9.95MPa，根据文献，建议选用强度等级不低于C50的混凝土,最终选择抗压强度为40MPa@28天的C65水泥。

3、安装过程中需二次预紧，最终预紧力为128KN。

有限元计算结果见下图7，卡箍形状见下图8。

应用效果

此平台导管架水下结构裂纹维修从方案选择到完成海上施工，前后历时约1年。通过对检测发现的裂纹进行计算分析，分类处理，采用打磨或卡箍加强的维修方法，达到了很好的预期效果，满足了结构强度要求，并顺利获得第三方发证检验机构的平台符合证书。实践证明，相比于其它水下焊接技术，卡箍加强的维修方案具有作业风险小、维修后结构设施更加安全可靠、适应性更广等优点。

图7：有限元计算结果

图8：卡箍设计

图9：卡箍安装

目前，国内关于深水导管架杆件的修复尚处于摸索阶段，特别是对于卡箍的设计，尚未形成成熟的方案，也缺乏明确的计算规范。在此背景下，本文依托实际工程案例，对深水导管架受损杆件采用打磨或打卡箍的修复方法进行了探讨，特别是对于张紧式灌浆卡箍在设计计算中需要重点关注的问题给出了相关计算公式或解决方案，这对于今后张紧式灌浆卡箍的设计及应用具有一定的参考意义。