立管卡子的設計和安裝探討

趙佳寧

(海洋石油工程股份有限公司 天津300452)

0 引 言

立管作為連接海管和平臺生產管匯的常用結構，對于平臺生產的重要性不言而喻[1]。立管卡子作為立管的支撐結構其作用非常重要。以往研究文獻往往只從施工方的角度去論述施工的過程[2]，或僅從設計者的角度去關注設計中的基礎參數選取、強度校核或空間干涉核實等[3]，不能很好地將二者相結合。本文結合立管卡子的設計和安裝工作，對較容易出現并造成相互影響的設計方案進行分析，對今后工作具有一定指導意義。

1 立管卡子的設計

立管卡子的設計工作通常分為兩部分：強度校核和空間核實。

1.1 管卡的強度校核

管卡的主要構件有：約束環板、加強筋板、翼緣連接法蘭板、卡子連接臂(管)、螺栓和螺母和氯丁橡膠等，如圖1所示。

圖1 立管卡子示意圖Fig.1 Riser clamp diagram

需進行強度校核的部件有約束環板、加強筋板和翼緣板、承重環板、連接臂、螺栓，其中設計方和施工方應重點關注如下幾點。

1.1.1 卡子連接臂(管)強度校核

管卡的荷載通常由立管設計團隊通過軟件計算給出，該荷載通過連接臂(管)傳遞到導管架結構上，因此支撐結構的校核最為重要。該桿件通常按照懸臂梁結構進行校核，設計長度不宜過長(通常為 1～2,m)，如較長可在連接管上增加支撐。施工方在進行預制時要注意控制安裝誤差、焊接變形和焊接質量。

1.1.2 螺栓強度校核

螺栓強度校核通常分抗拉強度校核和預緊力計算，其中應引起注意的是預緊力計算。螺栓在螺母擰緊時會受到兩種應力：一種是由預緊力引起的拉應力；另一種是由螺紋力矩引起的扭轉剪應力。當預緊應力σP達到螺栓屈服極限σS的0.78倍時，螺栓的外螺紋溝底開始破壞，因此σP＜0.78σS；為了提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度，增強連接的緊密性和剛性，應當盡量提高螺栓的預緊力。

式中：σP為施加預緊力，σS為螺栓的屈服強度，AS為螺栓的有效截面面積，ξ為調整系數，一般機械上取0.5～0.7。

在螺紋連接體中，施加在螺母上的擰緊力矩 Tf等于螺母與被連接件或墊圈支承面間的摩擦力矩與螺紋副的摩擦力矩之和。經簡化后得到同時適用于粗牙和細牙螺紋的表達式，可采用公式(2)計算螺栓擰緊力矩：

式中：d為螺紋的公稱直徑[1]。

1.1.3 懸掛法蘭卡校核

管卡按作用可以分為：懸掛法蘭卡和導向卡兩類。立管服役期間導向卡僅對立管提供水平向位移約束，懸掛法蘭卡除提供水平方向位移約束外還要提供豎直方向位移約束，因此還需對與立管懸掛法蘭相接的頂部承重環板和加強筋板進行計算。另外由于懸掛法蘭卡所處位置通常受到水平向載荷較大，應適當增加約束環板的板厚和加強筋板數量，保證其強度滿足要求。

1.2 管卡的空間核實

對于新建平臺，空間核實工作通常通過 3D軟件進行三維模擬。核實過程中除要注意已經進行模擬的結構外，還要注意未能進行模擬的小結構物，如：充水灌漿系統上的操作閥門、儀表和閥門保護罩、小管徑管匯等。另外預安裝管卡在導管架一側通常設計有包板，在進行空間核實時要進行考慮，避免出現焊縫交叉、搭接。

對于在役平臺，后安裝立管空間核實通常包括：安裝位置處的結構物干涉核實、安裝過程中的施工空間核實(卡子安裝的操作空間、螺栓緊固的操作空間等)。空間核實后，設計方應向施工方進行交底，交底工作應涵蓋結構物干涉情況和設計中的調整措施，施工方應根據交底情況調整施工方法和工機具。

2 管卡的安裝

下面以安裝過程為主線，對部分安裝工作的細節進行介紹：

2.1 施工準備

2.1.1 預調查

后安裝的立管卡子所在的現役平臺通常經過多次改造，建造完工圖與現場情況存在差異，建議在工期和預算允許時增加預調查，使設計團隊能更好地掌握現場情況，使設計成果實用性更強，也為后期的安裝掃清障礙。

預調查工作通常包括對擬安裝位置進行探查、測量，形成預調查報告、圖紙，對結構物干涉給出具體位置、尺寸，給出建議移位位置供設計方核算。

2.1.2 海生物和障礙物清理

現場安裝前通常會對各個立管卡子的安裝位置進行海生物清理、障礙物清理等。

①海生物清理。隨著工具進步和技術水平提高，海生物清理施工質量很高，通常不會影響管卡安裝。設計方可不考慮海生物殘余的影響。

②障礙物清理。障礙物的清理工作施工難度很大，以渤海導管架為例，對管卡安裝造成影響較大的是灌漿管線和犧牲陽極。通常情況下，灌漿管線通過筋板固定在樁腿上。水下切割筋板時，為避免傷及母材通常在切割之后會留下 5～10,mm 不等的割疤凸出于母材。如管卡安裝在此位置通常會造成管卡不能閉合或不能完全閉合，在設計過程中應避開。

通常，在靠近泥面附近會有之前施工不慎掉入海中的腳手架等，在進行探摸過程中要注意，潛水作業時要注意臍帶絞纏風險。

2.2 施工過程

2.2.1 陽極拆除和避讓

犧牲陽極塊和導管架結構之間存在約 300,mm的間隙，該空間通常情況下能夠滿足管卡穿過(需對間隙和法蘭板高進行核算)，管卡穿陽極安裝可參見圖2。設計中確定管卡位置不必刻意避開陽極位置，避開陽極連接臂及包板即可。陽極結構示意圖可參見圖3。

對于不能穿陽極安裝的管卡通常采用管卡移位或拆除陽極(安裝完成后恢復)。陽極拆除通常采用電氧切割，恢復時需水下焊接(拆除及恢復所需周期長、難度大，不建議采用)。

2.2.2 管卡安裝前狀態

對后安裝的管卡，安裝前狀態通常為環抱立管側管卡閉合、環抱導管架側打開(見圖4)，管卡開口處尺寸略大于樁腿或拉筋的外徑(注意：不會完全打開或大角度打開，打開角度較大在水下沒有施工機械配合的情況下，管卡很難閉合)，設計中進行施工空間核實時只需考慮管卡小角度打開所需的空間。

圖4 管卡安裝前的狀態Fig.4 Clamp before installing

2.2.3 螺栓緊固

立管卡子螺栓緊固常用工具是棘輪扳手，棘輪扳手結構形式可參見圖5，尺寸可參見表1。

圖5 雙頭尖尾型棘輪扳手Fig.5 Ratchet wrench

表1 常用雙頭尖尾型棘輪扳手尺寸Tab.1 Size of ratchet wrench

設計過程中，翼緣法蘭板、加強筋板的間距可依此數據進行核實。

2.2.4 管卡的位置確定

①豎直位置。設計中，管卡的垂直位置以水深進行定位，定位水深通常是導管架側管卡的中心。現場施工中，以水深定位操作難度大(水深時刻變化、儀表測定存在誤差)。為方便潛水員操作，現場技術人員可根據詳細設計圖紙選定參考點，通過相對距離確定管卡位置；參考點的選取應就近、易發現。管卡的位置變化對于立管強度校核影響較大，在現場中要注意控制施工誤差。位置確定后建議進行復測。海生物清理完畢后，建議在每個管卡上下邊緣做標記(見圖6)。

圖6 詳細設計圖紙中的管卡位置Fig.6 Location of clamp in drawing

②水平位置。立管側卡子的中心定位通常以導管腿中心或導管架立面中心線為參考進行定位。施工中，管卡的水平位置可根據角度或距離確定，水平位置管卡可通過管卡安裝和對同軸進行兩次調整[3]。立管卡子的水平位置要盡量準確，較大的施工誤差會影響工藝管線走向、引起工藝管線干涉，影響后期的清管試壓等工作；立管的位置變化也會影響膨脹彎的安裝。

2.2.5 管卡的預制和安裝

①主板卷制。圖紙中通常會明確給出管卡的內(外)徑。對于死卡子[2]其內徑與立管外徑相同(含涂覆層)，對于活卡子[2]其內徑比立管外徑大 10,mm(即每側有5,mm的間隙)。外徑尺寸通常是立管外徑(含涂覆)、間隙、氯丁橡膠厚、卡子主板厚之和。要認真區分內外徑尺寸，確保卡子約束環板卷制尺寸正確(見圖7)。

圖7 管卡的內外徑Fig.7 Inside and outside diameter of clamp

②氯丁橡膠安裝。立管卡子設計有 3處氯丁橡膠：導管架側管卡內側、立管側管卡內側、懸掛法蘭卡承重環板上側。氯丁橡膠的作用是使立管、立管卡子與導管架三者電位分離(通常立管、海管和導管架會分別設計有陽極，立管卡子本身通常也設計有陽極或導線)。預制過程中要注意氯丁橡膠的安裝時間，要盡量在完成所有熱工作業后進行；無特殊情況，要避免在氯丁橡膠安裝之后進行切割和焊接等熱工作業，海上安裝過程中如需進行臨時的焊接或切割作業，要對氯丁橡膠進行保護。

③陽極或導線的安裝。立管卡子通常設計有陽極(見圖8)，陽極塊通常安裝在管卡連接臂處，在運輸和安裝過程中要注意避免磕碰，防止陽極脫落。

部分立管卡子通過導線與導管架連接進行保護，這種管卡在材料采辦中要避免遺漏該部分材料，施工中要準備水下打磨和焊接設備。

④螺栓/螺母/墊圈。對螺栓、螺母、墊圈的材質和防腐要求，要認真閱讀材料和防腐規格書，注意防腐涂層的類型和厚度；規格書中常出現的滲鋅、鍍鋅、熱浸鋅要注意區分。螺栓采辦時，要注意螺栓的強度等級(較常用的強度等級ASTM A193 B7M)，設計校核中螺栓的強度等級是重要參數，影響整個卡子的強度。管卡的螺栓通常設計為雙螺母，雙螺母的目的是防止螺母脫落；整體安裝完成后要進行檢查，確保備母完整。

圖8 立管卡子的陽極和導線[2]Fig.8 Anticorrosive equipment of clamp

對有冰期的平臺，管卡設計有防松墊片，防松墊片采辦周期較長，確定使用后要盡早采辦。防松墊圈通常成對使用，現場技術人員要仔細閱讀使用說明，向施工人員做好講解，并指導其正確使用。

3 總結建議

通過以上的梳理，給出如下建議：①在設計階段，設計方要重點關注螺栓預緊力計算；施工作業中，施工方應對螺栓預緊力有正確的認識，并配備相應工具。②在設計階段，設計方應重點關注主要受力部件如承重環板、連接臂(管)、螺栓等；施工作業中，施工方要嚴格控制主要受力部件的安裝精度、焊接質量、焊接變形等。③在設計階段，設計方要對所有管卡進行整體 3D模擬核實，并進行交底，施工方應根據交底情況調整施工方法和工機具。④在設計階段，管卡安裝空間核實時可僅考慮導管架側管卡小角度打開。⑤在施工準備階段，對后安裝立管建議進行預調查。⑥在施工階段，建議通過選取參考點測量相對距離的辦法確定管卡的位置。⑦在施工階段，建議在熱工作業結束后安裝氯丁橡膠，注意安裝位置。⑧在施工階段，建議做好管卡陽極的保護。如無陽極，要注意導線材料的采辦和施工機具準備。