海洋平臺損傷形式及卡箍維修加固方法研究

徐 爽，楊 旬，劉孝強

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

海洋平臺損傷形式及卡箍維修加固方法研究

徐 爽1，楊 旬2，劉孝強3

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

海洋平臺作為海上石油開發的關鍵設備，造價高昂，其在惡劣的海洋環境中長期服役會受到多種載荷的作用，這些載荷會對平臺造成不同程度的損傷。文章對不同損傷情況進行了介紹，并著重針對卡箍維修加固方法進行了介紹，通過計算分析及實際工程應用范例，說明卡箍維修的優越性，并對在役平臺的維修加固以及維持其正常運行提供了指導。

海洋平臺；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以來，海上平臺一直是實施海底油氣勘探和開采的工作基地，是海洋石油開發的關鍵設備，其結構復雜，造價高昂，服役環境惡劣，長期遭受風、浪、流、地震、海冰等載荷作用，設計壽命一般為15～20年，其失效后果嚴重，影響正常生產運行。因此對平臺進行維修加固，保持平臺長期平穩生產，降低運行成本，是每一個生產企業必須面對的課題。

目前，國內外專家學者及工程相關單位相繼開展對海上平臺受損構件修理與加固的研究工作，并取得顯著的進展。

1 海洋平臺損傷因素

海洋平臺在惡劣的海洋環境中長期服役，遭受風、浪、流、海冰、地震、船只碰撞等外載荷作用，同時還會遭受平臺生產運行中出現的各種情況影響，會出現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

凹痕類機械損傷通常是結構在制造、拖運和安裝過程中由于碰撞而產生的，也可能是在服役期間因重物掉落砸傷或船舶停靠碰撞造成的。如圖1所示，該平臺結構是因船舶碰撞產生的凹痕類損傷。

1.2 腐蝕

腐蝕與海洋環境有關，如海水成分、含氧量、水溫等。根據海洋平臺各腐蝕區的腐蝕特征，通常將平臺結構分為5個腐蝕區：海洋大氣區、飛濺區、潮差區、海水全浸區、海底泥土區。海上結構物由于海上電化學作用而受到腐蝕，海洋大氣區受空氣鹽霧腐蝕；飛濺區和潮差區受海水間歇作用腐蝕嚴重，圖2為飛濺區支管的嚴重腐蝕情況；海水全浸區腐蝕程度同海水深度有關，近海面腐蝕嚴重，越深腐蝕越輕；海底泥土區腐蝕較輕。此外由于設計缺陷以及陰極保護失效，或鋼制構件出現細槽或穿孔，會使局部出現過度腐蝕；海生物的附著可以改變銹蝕方式，另一方面也會放大環境荷載對結構的作用，圖3展示了海生物嚴重附著的情況。相對于完好平臺，受腐蝕平臺達到極限狀態的極限流速和極限冰厚有明顯減小，平臺抵抗環境載荷作用的能力和強度儲備顯著降低。

1.3 地基土沖刷

地基土沖刷是一種地質侵蝕過程，通常是由海流和波浪引起的海底土壤移動，也可能是結構物或構件妨礙海底附近的自然流動狀態而引起的沖刷。沖刷使樁頂受力狀態發生變化，等效樁長度增大，影響結構的側向剛度，會降低整個平臺的安全度，影響導管架平臺的整體承載能力。在靠近海底的砂和粉砂層，沖刷產生的勢能非常大，會引起支座豎向和橫向位移，造成基礎構件產生過大應力。

1.4 海冰

冰區的平臺在冰期可能發生傾斜，支撐構件發生斷裂。碰撞損傷將使海洋結構物的承載能力下降，降低整個結構物的使用壽命甚至造成災難性后果。由于海冰對平臺造成的沖擊，還可能引起平臺的冰激振動，從而造成結構的疲勞破壞。

1.5 裂紋

不同的損傷情況最終會導致海洋平臺某些關鍵部位產生應力腐蝕裂紋和疲勞裂紋，甚至構件斷裂。其中疲勞裂紋是由應力集中產生的，最值得關注。疲勞斷裂有很大的突然性，許多海洋平臺結構的災難性事故都與疲勞斷裂有關。圖4給出了兩種裂紋情況。

2 海洋平臺卡箍維修加固方法研究

海洋平臺的維修加固對確保海洋平臺的安全運行起著重要作用，針對平臺的不同缺陷，采用不同的手段對平臺進行維修加固，同時還要考慮到維修加固實施的經濟性。根據海洋平臺結構損傷的主要形式，工程上應用的維修加固方式，主要有平臺焊接 （干焊、濕焊）、焊趾處理、卡箍、灌漿、復合材料包覆、廢棄構件去除以及采用新防腐涂料等。本文著重對卡箍維修加固進行分析。

2.1 卡箍維修加固分類

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

2.1.1 機械卡箍

機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。其結構形式如圖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，主要應用于大直徑管的修理，如導管架腿或者主支撐。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，使卡箍與原結構之間有力作用，達到維修加固的目的。卡箍傳遞荷載的能力僅靠摩擦力，所以很小。修理時需對受損部位做詳細精確的水下測量，卡箍必須和受損構件外形適配密合，這兩項工作都難達到理想要求。另外，緊固卡箍時，容易使內管受損。它的優點是比較經濟，海上工作時間短。

2.1.2 灌漿卡箍

灌漿卡箍是通過在受損構件與外套管夾的環形空間灌注水泥漿來增大摩擦系數和承載力的，其結構和應用如圖6所示。為進一步增加承載力，可設置剪力鍵。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。加壓灌漿卡箍的強度是由水泥漿與鋼管表面的粘結力和由雙緊螺栓張緊在交界面上產生的摩擦力共同提供的。但在深水中對高強螺栓增加張力卻十分困難，無論采用扭矩法、轉角法還是扭剪型高強螺栓，都難準確達到規定的張力值。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，不同點在于環形空間填充的是樹脂而不是水泥漿，它具有更高的粘結強度，從而不需要剪力鍵和外加的螺栓力。但由于樹脂粘結強度在海水環境條件下的耐久性還無可靠的依據，所以除在混凝土結構中采用過樹脂卡箍之外，在鋼結構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算分析

針對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點處維修加固前后的應力狀態變化，并利用局部模型嵌入整體模型的方法進行了分析計算，如圖7所示。

經過計算分析，完整平臺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，應力明顯降低，實現了維修加固的效果。

2.3 卡箍維修加固應用實例

Found Ocean公司在灌漿卡箍維修加固平臺方面擁有較多的經驗，他們設計研究的灌漿卡箍在Shell、BP等公司的平臺進行了多次應用，效果良好。圖8為機械卡箍的實際應用情況。另外，MPM公司也為Exxon、Shell等多家公司進行過卡箍平臺維修，Seal-Tite公司在墨西哥灣的平臺維修上有良好的業績。

3 結束語

海洋平臺具有結構復雜、體積龐大、制造費用昂貴的特點。發生故障后，除影響其功能發揮，生產中斷，造成經濟損失外，對于住人平臺的安全可靠性也產生很大影響。因此保持平臺長期平穩生產、降低運行成本，是每一個生產企業必須面對的課題。目前的初步估算，對30%以上的在役老齡化平臺進行再評估或維修加固后，可以繼續安全可靠服役5～10年，能夠節約大量資金。

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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年畢業于中國石油大學機電工程學院，工學碩士，現從事海上結構物強度計算分析工作。

2011-08-23