立管卡子的设计和安装探讨

赵佳宁

(海洋石油工程股份有限公司 天津300452)

0 引 言

立管作为连接海管和平台生产管汇的常用结构，对于平台生产的重要性不言而喻[1]。立管卡子作为立管的支撑结构其作用非常重要。以往研究文献往往只从施工方的角度去论述施工的过程[2]，或仅从设计者的角度去关注设计中的基础参数选取、强度校核或空间干涉核实等[3]，不能很好地将二者相结合。本文结合立管卡子的设计和安装工作，对较容易出现并造成相互影响的设计方案进行分析，对今后工作具有一定指导意义。

1 立管卡子的设计

立管卡子的设计工作通常分为两部分：强度校核和空间核实。

1.1 管卡的强度校核

管卡的主要构件有：约束环板、加强筋板、翼缘连接法兰板、卡子连接臂(管)、螺栓和螺母和氯丁橡胶等，如图1所示。

图1 立管卡子示意图Fig.1 Riser clamp diagram

需进行强度校核的部件有约束环板、加强筋板和翼缘板、承重环板、连接臂、螺栓，其中设计方和施工方应重点关注如下几点。

1.1.1 卡子连接臂(管)强度校核

管卡的荷载通常由立管设计团队通过软件计算给出，该荷载通过连接臂(管)传递到导管架结构上，因此支撑结构的校核最为重要。该杆件通常按照悬臂梁结构进行校核，设计长度不宜过长(通常为 1～2,m)，如较长可在连接管上增加支撑。施工方在进行预制时要注意控制安装误差、焊接变形和焊接质量。

1.1.2 螺栓强度校核

螺栓强度校核通常分抗拉强度校核和预紧力计算，其中应引起注意的是预紧力计算。螺栓在螺母拧紧时会受到两种应力：一种是由预紧力引起的拉应力；另一种是由螺纹力矩引起的扭转剪应力。当预紧应力σP达到螺栓屈服极限σS的0.78倍时，螺栓的外螺纹沟底开始破坏，因此σP＜0.78σS；为了提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性，应当尽量提高螺栓的预紧力。

式中：σP为施加预紧力，σS为螺栓的屈服强度，AS为螺栓的有效截面面积，ξ为调整系数，一般机械上取0.5～0.7。

在螺纹连接体中，施加在螺母上的拧紧力矩 Tf等于螺母与被连接件或垫圈支承面间的摩擦力矩与螺纹副的摩擦力矩之和。经简化后得到同时适用于粗牙和细牙螺纹的表达式，可采用公式(2)计算螺栓拧紧力矩：

式中：d为螺纹的公称直径[1]。

1.1.3 悬挂法兰卡校核

管卡按作用可以分为：悬挂法兰卡和导向卡两类。立管服役期间导向卡仅对立管提供水平向位移约束，悬挂法兰卡除提供水平方向位移约束外还要提供竖直方向位移约束，因此还需对与立管悬挂法兰相接的顶部承重环板和加强筋板进行计算。另外由于悬挂法兰卡所处位置通常受到水平向载荷较大，应适当增加约束环板的板厚和加强筋板数量，保证其强度满足要求。

1.2 管卡的空间核实

对于新建平台，空间核实工作通常通过 3D软件进行三维模拟。核实过程中除要注意已经进行模拟的结构外，还要注意未能进行模拟的小结构物，如：充水灌浆系统上的操作阀门、仪表和阀门保护罩、小管径管汇等。另外预安装管卡在导管架一侧通常设计有包板，在进行空间核实时要进行考虑，避免出现焊缝交叉、搭接。

对于在役平台，后安装立管空间核实通常包括：安装位置处的结构物干涉核实、安装过程中的施工空间核实(卡子安装的操作空间、螺栓紧固的操作空间等)。空间核实后，设计方应向施工方进行交底，交底工作应涵盖结构物干涉情况和设计中的调整措施，施工方应根据交底情况调整施工方法和工机具。

2 管卡的安装

下面以安装过程为主线，对部分安装工作的细节进行介绍：

2.1 施工准备

2.1.1 预调查

后安装的立管卡子所在的现役平台通常经过多次改造，建造完工图与现场情况存在差异，建议在工期和预算允许时增加预调查，使设计团队能更好地掌握现场情况，使设计成果实用性更强，也为后期的安装扫清障碍。

预调查工作通常包括对拟安装位置进行探查、测量，形成预调查报告、图纸，对结构物干涉给出具体位置、尺寸，给出建议移位位置供设计方核算。

2.1.2 海生物和障碍物清理

现场安装前通常会对各个立管卡子的安装位置进行海生物清理、障碍物清理等。

①海生物清理。随着工具进步和技术水平提高，海生物清理施工质量很高，通常不会影响管卡安装。设计方可不考虑海生物残余的影响。

②障碍物清理。障碍物的清理工作施工难度很大，以渤海导管架为例，对管卡安装造成影响较大的是灌浆管线和牺牲阳极。通常情况下，灌浆管线通过筋板固定在桩腿上。水下切割筋板时，为避免伤及母材通常在切割之后会留下 5～10,mm 不等的割疤凸出于母材。如管卡安装在此位置通常会造成管卡不能闭合或不能完全闭合，在设计过程中应避开。

通常，在靠近泥面附近会有之前施工不慎掉入海中的脚手架等，在进行探摸过程中要注意，潜水作业时要注意脐带绞缠风险。

2.2 施工过程

2.2.1 阳极拆除和避让

牺牲阳极块和导管架结构之间存在约 300,mm的间隙，该空间通常情况下能够满足管卡穿过(需对间隙和法兰板高进行核算)，管卡穿阳极安装可参见图2。设计中确定管卡位置不必刻意避开阳极位置，避开阳极连接臂及包板即可。阳极结构示意图可参见图3。

对于不能穿阳极安装的管卡通常采用管卡移位或拆除阳极(安装完成后恢复)。阳极拆除通常采用电氧切割，恢复时需水下焊接(拆除及恢复所需周期长、难度大，不建议采用)。

2.2.2 管卡安装前状态

对后安装的管卡，安装前状态通常为环抱立管侧管卡闭合、环抱导管架侧打开(见图4)，管卡开口处尺寸略大于桩腿或拉筋的外径(注意：不会完全打开或大角度打开，打开角度较大在水下没有施工机械配合的情况下，管卡很难闭合)，设计中进行施工空间核实时只需考虑管卡小角度打开所需的空间。

图4 管卡安装前的状态Fig.4 Clamp before installing

2.2.3 螺栓紧固

立管卡子螺栓紧固常用工具是棘轮扳手，棘轮扳手结构形式可参见图5，尺寸可参见表1。

图5 双头尖尾型棘轮扳手Fig.5 Ratchet wrench

表1 常用双头尖尾型棘轮扳手尺寸Tab.1 Size of ratchet wrench

设计过程中，翼缘法兰板、加强筋板的间距可依此数据进行核实。

2.2.4 管卡的位置确定

①竖直位置。设计中，管卡的垂直位置以水深进行定位，定位水深通常是导管架侧管卡的中心。现场施工中，以水深定位操作难度大(水深时刻变化、仪表测定存在误差)。为方便潜水员操作，现场技术人员可根据详细设计图纸选定参考点，通过相对距离确定管卡位置；参考点的选取应就近、易发现。管卡的位置变化对于立管强度校核影响较大，在现场中要注意控制施工误差。位置确定后建议进行复测。海生物清理完毕后，建议在每个管卡上下边缘做标记(见图6)。

图6 详细设计图纸中的管卡位置Fig.6 Location of clamp in drawing

②水平位置。立管侧卡子的中心定位通常以导管腿中心或导管架立面中心线为参考进行定位。施工中，管卡的水平位置可根据角度或距离确定，水平位置管卡可通过管卡安装和对同轴进行两次调整[3]。立管卡子的水平位置要尽量准确，较大的施工误差会影响工艺管线走向、引起工艺管线干涉，影响后期的清管试压等工作；立管的位置变化也会影响膨胀弯的安装。

2.2.5 管卡的预制和安装

①主板卷制。图纸中通常会明确给出管卡的内(外)径。对于死卡子[2]其内径与立管外径相同(含涂覆层)，对于活卡子[2]其内径比立管外径大 10,mm(即每侧有5,mm的间隙)。外径尺寸通常是立管外径(含涂覆)、间隙、氯丁橡胶厚、卡子主板厚之和。要认真区分内外径尺寸，确保卡子约束环板卷制尺寸正确(见图7)。

图7 管卡的内外径Fig.7 Inside and outside diameter of clamp

②氯丁橡胶安装。立管卡子设计有 3处氯丁橡胶：导管架侧管卡内侧、立管侧管卡内侧、悬挂法兰卡承重环板上侧。氯丁橡胶的作用是使立管、立管卡子与导管架三者电位分离(通常立管、海管和导管架会分别设计有阳极，立管卡子本身通常也设计有阳极或导线)。预制过程中要注意氯丁橡胶的安装时间，要尽量在完成所有热工作业后进行；无特殊情况，要避免在氯丁橡胶安装之后进行切割和焊接等热工作业，海上安装过程中如需进行临时的焊接或切割作业，要对氯丁橡胶进行保护。

③阳极或导线的安装。立管卡子通常设计有阳极(见图8)，阳极块通常安装在管卡连接臂处，在运输和安装过程中要注意避免磕碰，防止阳极脱落。

部分立管卡子通过导线与导管架连接进行保护，这种管卡在材料采办中要避免遗漏该部分材料，施工中要准备水下打磨和焊接设备。

④螺栓/螺母/垫圈。对螺栓、螺母、垫圈的材质和防腐要求，要认真阅读材料和防腐规格书，注意防腐涂层的类型和厚度；规格书中常出现的渗锌、镀锌、热浸锌要注意区分。螺栓采办时，要注意螺栓的强度等级(较常用的强度等级ASTM A193 B7M)，设计校核中螺栓的强度等级是重要参数，影响整个卡子的强度。管卡的螺栓通常设计为双螺母，双螺母的目的是防止螺母脱落；整体安装完成后要进行检查，确保备母完整。

图8 立管卡子的阳极和导线[2]Fig.8 Anticorrosive equipment of clamp

对有冰期的平台，管卡设计有防松垫片，防松垫片采办周期较长，确定使用后要尽早采办。防松垫圈通常成对使用，现场技术人员要仔细阅读使用说明，向施工人员做好讲解，并指导其正确使用。

3 总结建议

通过以上的梳理，给出如下建议：①在设计阶段，设计方要重点关注螺栓预紧力计算；施工作业中，施工方应对螺栓预紧力有正确的认识，并配备相应工具。②在设计阶段，设计方应重点关注主要受力部件如承重环板、连接臂(管)、螺栓等；施工作业中，施工方要严格控制主要受力部件的安装精度、焊接质量、焊接变形等。③在设计阶段，设计方要对所有管卡进行整体 3D模拟核实，并进行交底，施工方应根据交底情况调整施工方法和工机具。④在设计阶段，管卡安装空间核实时可仅考虑导管架侧管卡小角度打开。⑤在施工准备阶段，对后安装立管建议进行预调查。⑥在施工阶段，建议通过选取参考点测量相对距离的办法确定管卡的位置。⑦在施工阶段，建议在热工作业结束后安装氯丁橡胶，注意安装位置。⑧在施工阶段，建议做好管卡阳极的保护。如无阳极，要注意导线材料的采办和施工机具准备。