立管卡子的設(shè)計(jì)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(tái)生產(chǎn)管匯的常用結(jié)構(gòu)，對(duì)于平臺(tái)生產(chǎn)的重要性不言而喻[1]。立管卡子作為立管的支撐結(jié)構(gòu)其作用非常重要。以往研究文獻(xiàn)往往只從施工方的角度去論述施工的過程[2]，或僅從設(shè)計(jì)者的角度去關(guān)注設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)參數(shù)選取、強(qiáng)度校核或空間干涉核實(shí)等[3]，不能很好地將二者相結(jié)合。本文結(jié)合立管卡子的設(shè)計(jì)和安裝工作，對(duì)較容易出現(xiàn)并造成相互影響的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，對(duì)今后工作具有一定指導(dǎo)意義。

1 立管卡子的設(shè)計(jì)

立管卡子的設(shè)計(jì)工作通常分為兩部分：強(qiáng)度校核和空間核實(shí)。

1.1 管卡的強(qiáng)度校核

管卡的主要構(gòu)件有：約束環(huán)板、加強(qiáng)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(jìn)行強(qiáng)度校核的部件有約束環(huán)板、加強(qiáng)筋板和翼緣板、承重環(huán)板、連接臂、螺栓，其中設(shè)計(jì)方和施工方應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下幾點(diǎn)。

1.1.1 卡子連接臂(管)強(qiáng)度校核

管卡的荷載通常由立管設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過軟件計(jì)算給出，該荷載通過連接臂(管)傳遞到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上，因此支撐結(jié)構(gòu)的校核最為重要。該桿件通常按照懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)(通常為 1～2,m)，如較長(zhǎng)可在連接管上增加支撐。施工方在進(jìn)行預(yù)制時(shí)要注意控制安裝誤差、焊接變形和焊接質(zhì)量。

1.1.2 螺栓強(qiáng)度校核

螺栓強(qiáng)度校核通常分抗拉強(qiáng)度校核和預(yù)緊力計(jì)算，其中應(yīng)引起注意的是預(yù)緊力計(jì)算。螺栓在螺母擰緊時(shí)會(huì)受到兩種應(yīng)力：一種是由預(yù)緊力引起的拉應(yīng)力；另一種是由螺紋力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力σP達(dá)到螺栓屈服極限σS的0.78倍時(shí)，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(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性，應(yīng)當(dāng)盡量提高螺栓的預(yù)緊力。

式中：σP為施加預(yù)緊力，σS為螺栓的屈服強(qiáng)度，AS為螺栓的有效截面面積，ξ為調(diào)整系數(shù)，一般機(jī)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(jīng)簡(jiǎn)化后得到同時(shí)適用于粗牙和細(xì)牙螺紋的表達(dá)式，可采用公式(2)計(jì)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(dǎo)向卡兩類。立管服役期間導(dǎo)向卡僅對(duì)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(duì)與立管懸掛法蘭相接的頂部承重環(huán)板和加強(qiáng)筋板進(jìn)行計(jì)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(yīng)適當(dāng)增加約束環(huán)板的板厚和加強(qiáng)筋板數(shù)量，保證其強(qiáng)度滿足要求。

1.2 管卡的空間核實(shí)

對(duì)于新建平臺(tái)，空間核實(shí)工作通常通過 3D軟件進(jìn)行三維模擬。核實(shí)過程中除要注意已經(jīng)進(jìn)行模擬的結(jié)構(gòu)外，還要注意未能進(jìn)行模擬的小結(jié)構(gòu)物，如：充水灌漿系統(tǒng)上的操作閥門、儀表和閥門保護(hù)罩、小管徑管匯等。另外預(yù)安裝管卡在導(dǎo)管架一側(cè)通常設(shè)計(jì)有包板，在進(jìn)行空間核實(shí)時(shí)要進(jìn)行考慮，避免出現(xiàn)焊縫交叉、搭接。

對(duì)于在役平臺(tái)，后安裝立管空間核實(shí)通常包括：安裝位置處的結(jié)構(gòu)物干涉核實(shí)、安裝過程中的施工空間核實(shí)(卡子安裝的操作空間、螺栓緊固的操作空間等)。空間核實(shí)后，設(shè)計(jì)方應(yīng)向施工方進(jìn)行交底，交底工作應(yīng)涵蓋結(jié)構(gòu)物干涉情況和設(shè)計(jì)中的調(diào)整措施，施工方應(yīng)根據(jù)交底情況調(diào)整施工方法和工機(jī)具。

2 管卡的安裝

下面以安裝過程為主線，對(duì)部分安裝工作的細(xì)節(jié)進(jìn)行介紹：

2.1 施工準(zhǔn)備

2.1.1 預(yù)調(diào)查

后安裝的立管卡子所在的現(xiàn)役平臺(tái)通常經(jīng)過多次改造，建造完工圖與現(xiàn)場(chǎng)情況存在差異，建議在工期和預(yù)算允許時(shí)增加預(yù)調(diào)查，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能更好地掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，使設(shè)計(jì)成果實(shí)用性更強(qiáng)，也為后期的安裝掃清障礙。

預(yù)調(diào)查工作通常包括對(duì)擬安裝位置進(jìn)行探查、測(cè)量，形成預(yù)調(diào)查報(bào)告、圖紙，對(duì)結(jié)構(gòu)物干涉給出具體位置、尺寸，給出建議移位位置供設(shè)計(jì)方核算。

2.1.2 海生物和障礙物清理

現(xiàn)場(chǎng)安裝前通常會(huì)對(duì)各個(gè)立管卡子的安裝位置進(jìn)行海生物清理、障礙物清理等。

①海生物清理。隨著工具進(jìn)步和技術(shù)水平提高，海生物清理施工質(zhì)量很高，通常不會(huì)影響管卡安裝。設(shè)計(jì)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(dǎo)管架為例，對(duì)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(shí)，為避免傷及母材通常在切割之后會(huì)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(huì)造成管卡不能閉合或不能完全閉合，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)避開。

通常，在靠近泥面附近會(huì)有之前施工不慎掉入海中的腳手架等，在進(jìn)行探摸過程中要注意，潛水作業(yè)時(shí)要注意臍帶絞纏風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 施工過程

2.2.1 陽極拆除和避讓

犧牲陽極塊和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)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(duì)間隙和法蘭板高進(jìn)行核算)，管卡穿陽極安裝可參見圖2。設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)示意圖可參見圖3。

對(duì)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(fù))。陽極拆除通常采用電氧切割，恢復(fù)時(shí)需水下焊接(拆除及恢復(fù)所需周期長(zhǎng)、難度大，不建議采用)。

2.2.2 管卡安裝前狀態(tài)

對(duì)后安裝的管卡，安裝前狀態(tài)通常為環(huán)抱立管側(cè)管卡閉合、環(huán)抱導(dǎo)管架側(cè)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(huì)完全打開或大角度打開，打開角度較大在水下沒有施工機(jī)械配合的情況下，管卡很難閉合)，設(shè)計(jì)中進(jìn)行施工空間核實(shí)時(shí)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(tài)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)過程中，翼緣法蘭板、加強(qiáng)筋板的間距可依此數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)。

2.2.4 管卡的位置確定

①豎直位置。設(shè)計(jì)中，管卡的垂直位置以水深進(jìn)行定位，定位水深通常是導(dǎo)管架側(cè)管卡的中心?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，以水深定位操作難度大(水深時(shí)刻變化、儀表測(cè)定存在誤差)。為方便潛水員操作，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙選定參考點(diǎn)，通過相對(duì)距離確定管卡位置；參考點(diǎn)的選取應(yīng)就近、易發(fā)現(xiàn)。管卡的位置變化對(duì)于立管強(qiáng)度校核影響較大，在現(xiàn)場(chǎng)中要注意控制施工誤差。位置確定后建議進(jìn)行復(fù)測(cè)。海生物清理完畢后，建議在每個(gè)管卡上下邊緣做標(biāo)記(見圖6)。

圖6 詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙中的管卡位置Fig.6 Location of clamp in drawing

②水平位置。立管側(cè)卡子的中心定位通常以導(dǎo)管腿中心或?qū)Ч芗芰⒚嬷行木€為參考進(jìn)行定位。施工中，管卡的水平位置可根據(jù)角度或距離確定，水平位置管卡可通過管卡安裝和對(duì)同軸進(jìn)行兩次調(diào)整[3]。立管卡子的水平位置要盡量準(zhǔn)確，較大的施工誤差會(huì)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(huì)影響膨脹彎的安裝。

2.2.5 管卡的預(yù)制和安裝

①主板卷制。圖紙中通常會(huì)明確給出管卡的內(nèi)(外)徑。對(duì)于死卡子[2]其內(nèi)徑與立管外徑相同(含涂覆層)，對(duì)于活卡子[2]其內(nèi)徑比立管外徑大 10,mm(即每側(cè)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(rèn)真區(qū)分內(nèi)外徑尺寸，確?？ㄗ蛹s束環(huán)板卷制尺寸正確(見圖7)。

圖7 管卡的內(nèi)外徑Fig.7 Inside and outside diameter of clamp

②氯丁橡膠安裝。立管卡子設(shè)計(jì)有 3處氯丁橡膠：導(dǎo)管架側(cè)管卡內(nèi)側(cè)、立管側(cè)管卡內(nèi)側(cè)、懸掛法蘭卡承重環(huán)板上側(cè)。氯丁橡膠的作用是使立管、立管卡子與導(dǎo)管架三者電位分離(通常立管、海管和導(dǎo)管架會(huì)分別設(shè)計(jì)有陽極，立管卡子本身通常也設(shè)計(jì)有陽極或?qū)Ь€)。預(yù)制過程中要注意氯丁橡膠的安裝時(shí)間，要盡量在完成所有熱工作業(yè)后進(jìn)行；無特殊情況，要避免在氯丁橡膠安裝之后進(jìn)行切割和焊接等熱工作業(yè)，海上安裝過程中如需進(jìn)行臨時(shí)的焊接或切割作業(yè)，要對(duì)氯丁橡膠進(jìn)行保護(hù)。

③陽極或?qū)Ь€的安裝。立管卡子通常設(shè)計(jì)有陽極(見圖8)，陽極塊通常安裝在管卡連接臂處，在運(yùn)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(dǎo)線與導(dǎo)管架連接進(jìn)行保護(hù)，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(zhǔn)備水下打磨和焊接設(shè)備。

④螺栓/螺母/墊圈。對(duì)螺栓、螺母、墊圈的材質(zhì)和防腐要求，要認(rèn)真閱讀材料和防腐規(guī)格書，注意防腐涂層的類型和厚度；規(guī)格書中常出現(xiàn)的滲鋅、鍍鋅、熱浸鋅要注意區(qū)分。螺栓采辦時(shí)，要注意螺栓的強(qiáng)度等級(jí)(較常用的強(qiáng)度等級(jí)ASTM A193 B7M)，設(shè)計(jì)校核中螺栓的強(qiáng)度等級(jí)是重要參數(shù)，影響整個(gè)卡子的強(qiáng)度。管卡的螺栓通常設(shè)計(jì)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(jìn)行檢查，確保備母完整。

圖8 立管卡子的陽極和導(dǎo)線[2]Fig.8 Anticorrosive equipment of clamp

對(duì)有冰期的平臺(tái)，管卡設(shè)計(jì)有防松墊片，防松墊片采辦周期較長(zhǎng)，確定使用后要盡早采辦。防松墊圈通常成對(duì)使用，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員要仔細(xì)閱讀使用說明，向施工人員做好講解，并指導(dǎo)其正確使用。

3 總結(jié)建議

通過以上的梳理，給出如下建議：①在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)方要重點(diǎn)關(guān)注螺栓預(yù)緊力計(jì)算；施工作業(yè)中，施工方應(yīng)對(duì)螺栓預(yù)緊力有正確的認(rèn)識(shí)，并配備相應(yīng)工具。②在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)方應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注主要受力部件如承重環(huán)板、連接臂(管)、螺栓等；施工作業(yè)中，施工方要嚴(yán)格控制主要受力部件的安裝精度、焊接質(zhì)量、焊接變形等。③在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)方要對(duì)所有管卡進(jìn)行整體 3D模擬核實(shí)，并進(jìn)行交底，施工方應(yīng)根據(jù)交底情況調(diào)整施工方法和工機(jī)具。④在設(shè)計(jì)階段，管卡安裝空間核實(shí)時(shí)可僅考慮導(dǎo)管架側(cè)管卡小角度打開。⑤在施工準(zhǔn)備階段，對(duì)后安裝立管建議進(jìn)行預(yù)調(diào)查。⑥在施工階段，建議通過選取參考點(diǎn)測(cè)量相對(duì)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(yè)結(jié)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(hù)。如無陽極，要注意導(dǎo)線材料的采辦和施工機(jī)具準(zhǔn)備。