百米水深導管架維修灌漿卡箍設計及灌漿材料選取與試驗

陳 波 張人公 張 勇 嚴國華

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司惠州油田作業(yè)公司 廣東深圳 518000； 2. 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067)

百米水深導管架維修灌漿卡箍設計及灌漿材料選取與試驗

陳 波1張人公2張 勇1嚴國華2

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司惠州油田作業(yè)公司 廣東深圳 518000； 2. 深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067)

陳波,張人公,張勇，等.百米水深導管架維修灌漿卡箍設計及灌漿材料選取與試驗[J].中國海上油氣，2016,28(6)：128-132.

Chen Bo,Zhang Rengong,Zhang Yong,et al.Design of grouting clamps and grouting material selection and tests on jacket maintenance in hectometer water depth[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):128-132.

針對水深117 m的HZ21-1A導管架平臺交叉斜撐桿處出現(xiàn)的裂縫，提出使用灌漿卡箍的方法進行維修，建立了灌漿卡箍模型，對灌漿卡箍進行了設計，選取了灌漿材料并進行了陸地強度和填充試驗。HZ21-1A導管架平臺裂縫灌漿卡箍維修現(xiàn)場水泥漿取樣試塊強度分析表明該灌漿修復項目成功實施，施工效果良好，填補了國內(nèi)100 m以上水深導管架灌漿卡箍修復裂縫的技術(shù)空白，可為今后進行類似的灌漿工作提供技術(shù)參考。

深水導管架；灌漿卡箍設計；灌漿材料選取；陸地試驗；海上施工；HZ21-1A平臺

HZ21-1A導管架平臺位于中國南海惠州油田海域，水深117 m，為典型四腿導管架平臺。在對該導管架進行檢查時發(fā)現(xiàn)N151節(jié)點處出現(xiàn)裂縫，裂縫尺寸為264.0 mm×6.3 mm。N151節(jié)點位于導管架樁腿東側(cè)處，水深約101 m，交叉斜撐桿件外徑為762.0 mm，壁厚為19.1 mm，具體位置見圖1。經(jīng)過對維修方案研討，計劃在N151節(jié)點處安裝灌漿卡箍進行修復，即通過在節(jié)點裂縫處安裝卡箍將裂縫包住，并通過灌漿方式將泥漿注入卡箍內(nèi)部完全填充，待水泥凝固之后達到對受損桿件進行修復的目的。灌漿卡箍是處理該類裂紋的一種國際通用的成熟施工方法，然而國內(nèi)采用灌漿卡箍維修的案例不多，而且100m水深位置的維修卡箍如何灌漿更是鮮有參考依據(jù)，以往類似工程的卡箍安裝都需要用到飽和潛水作業(yè)，更是加大了施工的難度及風險。本文通過建立灌漿卡箍模型，對HZ21-1A導管架維修灌漿卡箍進行了設計，選取了灌漿材料并進行了陸地試驗。HZ21-1A平臺N151節(jié)點灌漿修復項目的成功實施，彌補了國內(nèi)100 m以上水深灌漿卡箍修復裂紋的技術(shù)空白，可為今后進行類似的灌漿工作提供技術(shù)參考。

圖1 HZ21-1A導管架平臺維修灌漿卡箍安裝位置

1 灌漿卡箍設計

灌漿卡箍在設計過程中需要重點關注以下內(nèi)容[1-2]：①施加的螺栓張緊力不能導致水下桿件壓潰；②必須要有足夠的螺栓張緊力防止卡箍被桿件撬開；③必須要提供滿足要求的滑移力，滑移力的大小與螺栓張緊力密切相關；④必須要保證卡箍環(huán)空中水泥的強度滿足要求。

設計N151節(jié)點灌漿卡箍時，根據(jù)灌漿卡箍的實際安裝位置，采用理想彈塑性模型作為計算泥漿的結(jié)構(gòu)模型，考慮到泥漿與混凝土成分相近，兩者的力學性能相差不大，因此選用混凝土本構(gòu)模型來建立灌漿卡箍設計的有限元模型(圖2)?；炷?泥漿)的本構(gòu)模型如圖3所示[3]，圖3中混凝土的單軸受壓的應力應變選用Hongnestand公式[4]進行計算，混凝土結(jié)構(gòu)應變值ε上升段采用式(1)，下降段采用式(2)，混凝土的泊松比取0.2，彈性模量取3.6×104N/mm2[5-6]。

圖2 HZ21-1A導管架平臺維修灌漿卡箍有限元模型

圖3 泥漿本構(gòu)模型圖

上升段

(1)

下降段

(2)

式(1)、(2)中：σ為混凝土結(jié)構(gòu)應力值；ε為混凝土結(jié)構(gòu)應變值；fc為混凝土峰值抗壓強度；ε0為相應于峰值應力時的應變，取0.002 0；εu為極限壓應變，取0.003 8[5-6]。

在建模過程中，如何考慮邊界條件是關鍵。根據(jù)力平衡原則，對稱端點1與3或2與4載荷大小基本一致，而桿件2～4的變形對桿件1有一定的影響。因此，為最大限度地模擬實際情況下的邊界條件，假定卡箍端點1為固定約束，其余3端施加相應的載荷。

根據(jù)設計理論及計算分析結(jié)果，得出灌漿卡箍各段長度如圖4所示?？ü慷瞬繄A環(huán)內(nèi)徑為762 mm，內(nèi)部環(huán)向空間內(nèi)徑為912 mm，壁厚為20 mm；固定螺栓為直徑30 mm的雙頭螺栓，長度1 270 mm，沿卡箍邊緣均勻布置，間隔200 mm，螺栓預緊力為128 kN。

圖4 HZ21-1A導管架平臺維修灌漿卡箍尺寸

2 灌漿材料選取與試驗

2.1 灌漿材料選取

為確保HZ21-1A導管架平臺安全，灌漿材料凝固28 d的抗壓強度要高于40 MPa。根據(jù)張緊式灌漿卡箍螺栓張緊力計算結(jié)果，灌漿時還須滿足如下要求：①灌漿材料凝固24 h抗壓強度高于15.25 MPa；②M30螺栓第二次預緊力為128 kN。國際上普遍采用水泥作為灌漿材料，水泥分油基水泥和水基水泥。油基水泥普遍應用于海洋鉆完井施工，其能滿足凝固24 h的抗壓強度15.25 MPa的初凝強度，但是很難保證凝固28d的抗壓強度40 MPa的終凝強度；普通水基水泥較難滿足凝固24 h的抗壓強度15.25 MPa的初凝強度，但是比較容易滿足凝固28d的抗壓強度40 MPa的終凝強度。參考其他多個導管架安裝項目灌漿用水泥，最終決定在提高水灰比至0.42的條件下采用PⅡ52.5R型水基水泥。該水泥初凝時間106 min，終凝時間163 min，水泥特性如表1所示。

表1 PⅡ52.5R型水基水泥特性

2.2 灌漿材料強度試驗

灌漿材料的強度試驗目的在于確定所選擇灌漿材料各個時間段的強度是否滿足設計要求，試驗時水泥的養(yǎng)護條件須盡量模擬實際施工時的情況。HZ21-1A導管架平臺卡箍灌漿實際施工時先采用淡水置換卡箍內(nèi)海水，然后灌注水泥漿并凝固，凝固時水泥漿與海水接觸面極小。考慮試驗條件的限制，試驗時選擇在淡水環(huán)境中養(yǎng)護試塊，試驗結(jié)果如表2所示。由于7 d強度已遠大于設計要求，考慮工期問題，未做28 d強度試驗。根據(jù)強度試驗結(jié)果并考慮經(jīng)濟性問題，最終確定實際施工時的參數(shù)為：抗壓強度(1 d)≥15.25 MPa，抗壓強度(28 d)≥40 MPa，養(yǎng)護溫度20 ℃左右，密度1 936±24 kg/m3，水灰比約0.42，初凝時間≥1.5倍灌漿時間，混合用水為船用生活淡水，養(yǎng)護用水為未受污染的海水。

表2 水泥漿試塊抗壓試驗報告(陸地試驗)

2.3 灌漿材料填充試驗

卡箍內(nèi)水泥充分填充是灌漿設計的假設基礎(設計允許最高位置出漿孔以上區(qū)域無填充)，然而水泥漿在實際維修卡箍內(nèi)的流動性和填充性卻很難評估。水泥漿會因自重原因下沉，因此注漿口選在卡箍灌漿底部，如圖5所示。為確?？ü抗酀{質(zhì)量，在陸地空氣中模擬水下灌漿，并記錄流量、壓力和灌漿量，這對海上實際灌漿作業(yè)有重要的參考作用。為此制作了同尺寸的水下模擬節(jié)點和模擬維修卡箍，完成模擬維修卡箍安裝后采用2臺25 t汽車吊將模擬維修卡箍與模擬節(jié)點調(diào)整至實際安裝角度，此時最高位置出漿孔距離地面約6 m，然后進行灌漿作業(yè)。本試驗理論灌漿量1.88 m3，試驗灌漿量約2.2 m3，流量180 L/min，壓力約1 MPa。凝固12 h后拆除模擬卡箍，檢查凝固和填充情況，結(jié)果表明水泥完全凝固，除最高位置出漿孔以上區(qū)域無水泥填充外，其余位置完全填充，滿足設計要求。

圖5 HZ21-1A導管架平臺維修卡箍灌漿注漿孔和觀察孔

根據(jù)填充試驗結(jié)果，結(jié)合實際施工環(huán)境情況，設計實際施工參數(shù)如下：

1) 試驗灌漿量約為理論灌漿量的1.2倍，其主要原因在于灌漿時存在一定量的溢流損耗?？紤]海水中施工時前期存在水泥漿稀釋的問題，確定單次海上施工用水泥量至少為理論灌漿用水泥量的2倍。

2) 海上施工期間流量變化不大，漿體流量約為180 L/min。

3) 考慮水泥漿密度為1 936 kg/m3，海水密度約1 025 kg/m3，且水深為101 m，實際施工時泵的工作壓力應遠小于1 MPa。

3 海上施工及效果

HZ21-1A導管架平臺卡箍灌漿使用“海洋石油708”作為施工船舶，船上配有灌漿設備。灌漿設備由制漿機、儲漿機、注漿泵和相關管線等構(gòu)成，其選型主要從壓力、流量和制漿能力等3個方面考慮。實際施工時采用灌漿設備一用一備的模式，設備布置成2套設備并排，采用三通匯流后注入主灌漿管線。該布置方式主要考慮了水泥凝固時間、設備可靠性和設備重要程度等對施工結(jié)果的影響。

灌漿前用高壓水槍清理維修構(gòu)件表面海生物并采用砂輪機進行打磨，使清理后的表面粗糙度達50～60 μm，表面無海生物，可見一定的金屬光澤，制漿完成后須在30 min左右完成一桶水泥漿的注入工作，90 min內(nèi)完成卡箍所有水泥漿的注入工作。灌漿前必須完成已制成水泥漿的密度測量，確認在1 936±24 kg/m3范圍內(nèi)以后方可正式注漿。實際施工時注漿泵壓力幾乎為0，流量約180 L/min，與填充試驗后的預計情況一致。

卡箍上共5個溢流口，當發(fā)現(xiàn)水泥漿從溢流口流出時則關閉該溢流口。頂部最后2個溢流口須待水泥漿流出5 min后再關閉，以確保將卡箍內(nèi)海水和稀釋的水泥漿排盡。隨后回收灌漿管線，灌漿作業(yè)結(jié)束。

現(xiàn)場制成的每一批次水泥漿均須取樣，制成試塊(圖6)，試件體積70.7 mm3，養(yǎng)護28 d后進行強度試驗，以確保實際的施工效果滿足設計要求。養(yǎng)護時一般與前期強度試驗的養(yǎng)護條件相同。為確保灌漿維修卡箍的最終效果，選擇了更加惡劣的海水環(huán)境中進行試塊養(yǎng)護。試塊在海水養(yǎng)護環(huán)境中存放28 d后，水泥強度依然滿足設計要求，如表3所示。從表3可以看出，海上灌漿現(xiàn)場取樣試塊28d養(yǎng)護強度的測試結(jié)果比陸地實驗的測試結(jié)果普遍要小一些，但仍在設計要求范圍內(nèi)。分析認為,主要原因如下：

圖6 HZ21-1A平臺管架維修卡箍灌漿水泥試塊

表3 HZ21-1A導管架平臺維修卡箍灌漿水泥漿試塊抗壓試驗報告(28 d)

1) 陸地試驗無水壓，實際施工在100 m水深位置，存在1 MPa左右的水壓。

2) 因陸地試驗條件限制，采用淡水養(yǎng)護，實際施工的養(yǎng)護為海水，且海水接觸試塊的面積較大(實際的水下卡箍與海水幾乎沒有接觸面積)。

3) 陸地養(yǎng)護期間環(huán)境比較固定，不存在顛簸，而實際養(yǎng)護時存在船舶、汽車等多次的顛簸，對水泥的凝固造成了一定的影響。

4 結(jié)束語

本文通過建立灌漿卡箍模型，對HZ21-1A導管架平臺100 m深水維修灌漿卡箍進行了設計，選取了灌漿材料并進行了陸地試驗。實踐表明，灌漿卡箍施工前須展開陸地模擬試驗，檢查灌漿材料的初凝及終凝強度，卡箍內(nèi)泥漿填充狀態(tài)是否滿足要求，灌漿設備需要考慮壓力、流量及制漿速度等因素，確保水泥初凝時間大于1.5倍灌漿時間。HZ21-1A導管架平臺N151節(jié)點灌漿修復項目的成功實施，填補了國內(nèi)100 m以上水深灌漿卡箍修復裂紋的技術(shù)空白，可為今后進行類似的灌漿工作提供技術(shù)參考。

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(編輯：葉秋敏)

Design of grouting clamps and grouting material selection and tests on jacket maintenance in hectometer water depth

Chen Bo1Zhang Rengong2Zhang Yong1Yan Guohua2

(1.HuizhouOperatorCo.,ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China; 2.COOECSubseaTechnologyLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Aiming at the cracks in the crossing brace of the HZ 21-1A jacket at 117 m water depth, the grouting clamp method for offshore maintenance was proposed. The model of grouting clamp was built, the design of the grouting clamp carried out, the grouting material selected, the filling tests conducted, and the onshore strength determined. Finally the method was successfully applied on the HZ 21-1A jacket, and the sample strength determination shows that satisfactory effect was achieved. This will help to eliminate the technical gap in jacket crack maintenance at more than hectometer water depth by grouting clamp in China, and provide reference for similar grouting projects in the future.

deepwater jacket; grouting clamp design; grouting material selection; onshore test; offshore operation; HZ 21-1A platform

1673-1506(2016)06-0128-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.021

陳波，男，工程師，1992年畢業(yè)于華南理工大學自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)管線容器和水下作業(yè)。地址：廣東省深圳市南山區(qū)后海濱路(深圳灣段)3168號中海油大廈A座23-24樓2312室(郵編：518000)。E-mail:chenbo4@cnooc.com.cn。

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2016-05-30 改回日期：2016-06-30