海洋平台损伤形式及卡箍维修加固方法研究

徐 爽，杨 旬，刘孝强

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451;2.中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部，天津 300270；3.中国石油集团海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451）

海洋平台损伤形式及卡箍维修加固方法研究

徐 爽1，杨 旬2，刘孝强3

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451;2.中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部，天津 300270；3.中国石油集团海洋工程有限公司天津分公司，天津 300451）

海洋平台作为海上石油开发的关键设备，造价高昂，其在恶劣的海洋环境中长期服役会受到多种载荷的作用，这些载荷会对平台造成不同程度的损伤。文章对不同损伤情况进行了介绍，并着重针对卡箍维修加固方法进行了介绍，通过计算分析及实际工程应用范例，说明卡箍维修的优越性，并对在役平台的维修加固以及维持其正常运行提供了指导。

海洋平台；损伤；卡箍；维修加固

0 引言

自从1911年在美国路易斯安娜和科克萨斯之间的海上，建起世界上第一座海上钻井平台以来，海上平台一直是实施海底油气勘探和开采的工作基地，是海洋石油开发的关键设备，其结构复杂，造价高昂，服役环境恶劣，长期遭受风、浪、流、地震、海冰等载荷作用，设计寿命一般为15～20年，其失效后果严重，影响正常生产运行。因此对平台进行维修加固，保持平台长期平稳生产，降低运行成本，是每一个生产企业必须面对的课题。

目前，国内外专家学者及工程相关单位相继开展对海上平台受损构件修理与加固的研究工作，并取得显著的进展。

1 海洋平台损伤因素

海洋平台在恶劣的海洋环境中长期服役，遭受风、浪、流、海冰、地震、船只碰撞等外载荷作用，同时还会遭受平台生产运行中出现的各种情况影响，会出现不同的损伤及破坏状况。主要损伤类型有凹痕、腐蚀、地基土冲刷和海冰等。

1.1 凹痕

凹痕类机械损伤通常是结构在制造、拖运和安装过程中由于碰撞而产生的，也可能是在服役期间因重物掉落砸伤或船舶停靠碰撞造成的。如图1所示，该平台结构是因船舶碰撞产生的凹痕类损伤。

1.2 腐蚀

腐蚀与海洋环境有关，如海水成分、含氧量、水温等。根据海洋平台各腐蚀区的腐蚀特征，通常将平台结构分为5个腐蚀区：海洋大气区、飞溅区、潮差区、海水全浸区、海底泥土区。海上结构物由于海上电化学作用而受到腐蚀，海洋大气区受空气盐雾腐蚀；飞溅区和潮差区受海水间歇作用腐蚀严重，图2为飞溅区支管的严重腐蚀情况；海水全浸区腐蚀程度同海水深度有关，近海面腐蚀严重，越深腐蚀越轻；海底泥土区腐蚀较轻。此外由于设计缺陷以及阴极保护失效，或钢制构件出现细槽或穿孔，会使局部出现过度腐蚀；海生物的附着可以改变锈蚀方式，另一方面也会放大环境荷载对结构的作用，图3展示了海生物严重附着的情况。相对于完好平台，受腐蚀平台达到极限状态的极限流速和极限冰厚有明显减小，平台抵抗环境载荷作用的能力和强度储备显著降低。

1.3 地基土冲刷

地基土冲刷是一种地质侵蚀过程，通常是由海流和波浪引起的海底土壤移动，也可能是结构物或构件妨碍海底附近的自然流动状态而引起的冲刷。冲刷使桩顶受力状态发生变化，等效桩长度增大，影响结构的侧向刚度，会降低整个平台的安全度，影响导管架平台的整体承载能力。在靠近海底的砂和粉砂层，冲刷产生的势能非常大，会引起支座竖向和横向位移，造成基础构件产生过大应力。

1.4 海冰

冰区的平台在冰期可能发生倾斜，支撑构件发生断裂。碰撞损伤将使海洋结构物的承载能力下降，降低整个结构物的使用寿命甚至造成灾难性后果。由于海冰对平台造成的冲击，还可能引起平台的冰激振动，从而造成结构的疲劳破坏。

1.5 裂纹

不同的损伤情况最终会导致海洋平台某些关键部位产生应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹，甚至构件断裂。其中疲劳裂纹是由应力集中产生的，最值得关注。疲劳断裂有很大的突然性，许多海洋平台结构的灾难性事故都与疲劳断裂有关。图4给出了两种裂纹情况。

2 海洋平台卡箍维修加固方法研究

海洋平台的维修加固对确保海洋平台的安全运行起着重要作用，针对平台的不同缺陷，采用不同的手段对平台进行维修加固，同时还要考虑到维修加固实施的经济性。根据海洋平台结构损伤的主要形式，工程上应用的维修加固方式，主要有平台焊接 （干焊、湿焊）、焊趾处理、卡箍、灌浆、复合材料包覆、废弃构件去除以及采用新防腐涂料等。本文着重对卡箍维修加固进行分析。

2.1 卡箍维修加固分类

卡箍是针对受损构件的外形做成的外包结构，可做成两瓣或多瓣，并用螺栓把各瓣连接起来，形成一个管夹，把受损构件夹紧，依靠管夹与受损构件之间的摩擦力或剪力键来传力，主要有三种形式：机械卡箍、灌浆卡箍、树脂卡箍。

2.1.1 机械卡箍

机械卡箍是靠金属之间的摩擦力传力的，是卡箍修理的早期形式。其结构形式如图5所示，左图卡箍法兰为一体型法兰，右图为分体型法兰，分体型法兰可以减小卡箍重量，减轻拖曳荷载，主要应用于大直径管的修理，如导管架腿或者主支撑。卡箍均具有鞍型曲面板，用来包绕支撑修理管件，螺栓通过其他部分将力传递给鞍型曲面板，使卡箍与原结构之间有力作用，达到维修加固的目的。卡箍传递荷载的能力仅靠摩擦力，所以很小。修理时需对受损部位做详细精确的水下测量，卡箍必须和受损构件外形适配密合，这两项工作都难达到理想要求。另外，紧固卡箍时，容易使内管受损。它的优点是比较经济，海上工作时间短。

2.1.2 灌浆卡箍

灌浆卡箍是通过在受损构件与外套管夹的环形空间灌注水泥浆来增大摩擦系数和承载力的，其结构和应用如图6所示。为进一步增加承载力，可设置剪力键。因此，又可把灌浆卡箍分为：无剪力键和剪力键的灌浆卡箍。无剪力键的卡箍承载力虽高于机械卡箍，但仍然较低，使用较少。有剪力键的灌浆卡箍使承载力大为提高，性能可靠，如果填充膨胀水泥，性能更好，是目前世界上用得最多的一种合理卡箍。另外灌浆卡箍中还有一种压力灌浆卡箍，这种卡箍通常叫做加压灌浆卡箍，但它不是高压灌浆，而是用双紧螺栓后加的压力。加压灌浆卡箍的强度是由水泥浆与钢管表面的粘结力和由双紧螺栓张紧在交界面上产生的摩擦力共同提供的。但在深水中对高强螺栓增加张力却十分困难，无论采用扭矩法、转角法还是扭剪型高强螺栓，都难准确达到规定的张力值。这种加压方法，不如用膨胀水泥方便可靠。因而，这种压力灌浆卡箍不如带剪力键的灌浆卡箍用得多。

2.1.3 树脂卡箍

树脂卡箍与灌浆卡箍有某些相似之处，不同点在于环形空间填充的是树脂而不是水泥浆，它具有更高的粘结强度，从而不需要剪力键和外加的螺栓力。但由于树脂粘结强度在海水环境条件下的耐久性还无可靠的依据，所以除在混凝土结构中采用过树脂卡箍之外，在钢结构的修理中还未采用过这种方法。

2.2 卡箍维修加固有限元计算分析

针对灌浆卡箍维修加固方法，本文选用了ANSYS中的分层单元模拟管节点处维修加固前后的应力状态变化，并利用局部模型嵌入整体模型的方法进行了分析计算，如图7所示。

经过计算分析，完整平台在服役过程受到腐蚀的影响，采用灌浆卡箍的维修加固方法后，应力明显降低，实现了维修加固的效果。

2.3 卡箍维修加固应用实例

Found Ocean公司在灌浆卡箍维修加固平台方面拥有较多的经验，他们设计研究的灌浆卡箍在Shell、BP等公司的平台进行了多次应用，效果良好。图8为机械卡箍的实际应用情况。另外，MPM公司也为Exxon、Shell等多家公司进行过卡箍平台维修，Seal-Tite公司在墨西哥湾的平台维修上有良好的业绩。

3 结束语

海洋平台具有结构复杂、体积庞大、制造费用昂贵的特点。发生故障后，除影响其功能发挥，生产中断，造成经济损失外，对于住人平台的安全可靠性也产生很大影响。因此保持平台长期平稳生产、降低运行成本，是每一个生产企业必须面对的课题。目前的初步估算，对30%以上的在役老龄化平台进行再评估或维修加固后，可以继续安全可靠服役5～10年，能够节约大量资金。

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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，山东德州人，2009年毕业于中国石油大学机电工程学院，工学硕士，现从事海上结构物强度计算分析工作。

2011-08-23