超高強度灌漿材料在導(dǎo)管架卡箍灌漿修復(fù)技術(shù)中的應(yīng)用

張 宇，陳 勇，鞏 雪，薛 方，張 偉

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

卡箍灌漿修復(fù)技術(shù)在國外海洋工程結(jié)構(gòu)修復(fù)中早已成熟并應(yīng)用至今，但其在國內(nèi)應(yīng)用較為少見，僅有的幾個案例也是采用普通灌漿材料，抗壓強度只有50 MPa。近年來，隨著灌漿材料技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已逐步從建筑行業(yè)發(fā)展到海上風(fēng)電和海洋工程領(lǐng)域。

根據(jù)導(dǎo)管架卡箍灌漿修復(fù)技術(shù)特點結(jié)合超高強度灌漿材料的性能，在南海東部某平臺導(dǎo)管架修復(fù)工程案例中選用名義抗壓強度120 MPa的超高強度灌漿材料進行加固修復(fù)，經(jīng)過20 d的海上施工，完成了對受損導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的修復(fù)，進而保證了后期平臺運行的安全。這個案例是國內(nèi)首次針對導(dǎo)管架主腿進行卡箍灌漿修復(fù)，同時也是超高強度灌漿材料在國內(nèi)導(dǎo)管架修復(fù)上的首次使用。

1 卡箍灌漿技術(shù)

卡箍灌漿修復(fù)技術(shù)起源于英國北海，并逐漸在墨西哥灣、中東、東南亞等海域得到應(yīng)用。灌漿卡箍的結(jié)構(gòu)形式簡單，對受損桿件表面尺寸精度要求不高，但其傳遞受力能力較弱，為達到預(yù)定承受荷載，往往需要較大的卡箍尺寸[1]。灌漿卡箍根據(jù)卡箍螺栓的功能和效果、卡箍與受損構(gòu)件間夾層不同主要分為非自應(yīng)力灌漿卡箍、自應(yīng)力灌漿卡箍、膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍三種。

1.1 非自應(yīng)力灌漿卡箍

非自應(yīng)力灌漿卡箍采用分片設(shè)計在管件單元或節(jié)點處環(huán)繞一周，通過短螺栓來連接固定，然后在管件單元與卡箍的環(huán)型空間中灌滿灌漿材料，并且螺栓一般在灌漿之前就已經(jīng)被擰緊。灌漿材料灌入環(huán)型空間之后并沒有形成灌漿環(huán)與管件表面的預(yù)應(yīng)力，因此這種連接是非自應(yīng)力的[2]。

1.2 自應(yīng)力灌漿卡箍

自應(yīng)力灌漿卡箍的外包結(jié)構(gòu)是由兩塊或者多塊尺寸較大的加強鞍板利用長雙頭螺栓連接起來。當水泥漿灌入環(huán)形空間固化后，再次擰緊雙頭螺栓，從而使灌漿水泥環(huán)與受損構(gòu)件接觸面上形成徑向壓力，繼而使得卡箍產(chǎn)生相應(yīng)的連接強度。

對于傳統(tǒng)的自應(yīng)力灌漿卡箍加固，安裝施工過程主要在水下完成，作業(yè)船舶需等候灌漿材料達到一定強度后再派潛水員利用液壓拉伸器拉緊雙頭螺栓從而使卡箍獲得自應(yīng)力，由于作業(yè)船舶和潛水員的費用昂貴，作業(yè)時間長，因此導(dǎo)致該修復(fù)加固技術(shù)存在水下施工復(fù)雜、費用高等問題。

1.3 膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍

針對傳統(tǒng)自應(yīng)力灌漿卡箍的缺點提出了膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍的研制，即在卡箍的水泥漿中摻入高效膨脹劑，利用灌漿材料膨脹受限自動建立卡箍的預(yù)應(yīng)力以達到修復(fù)加固構(gòu)件的目的[3]。膨脹式自應(yīng)力灌漿卡箍通常采用短螺栓設(shè)計，使得卡箍鋼結(jié)構(gòu)大幅簡化，重量減輕。因此，這種卡箍結(jié)構(gòu)加工制造相對簡單，加工費用低，水下安裝簡單方便，施工時間短，有利于節(jié)省成本。

2 超高強度灌漿材料發(fā)展

超高強度灌漿材料是在普通灌漿材料的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在高效減水劑問世以前，為獲得高強灌漿料，一般采用降低水灰比、強力振動加壓成型。20世紀50年代末期出現(xiàn)高效減水劑使高強灌漿料進入一個新的發(fā)展階段。20世紀80年代礦物外加劑異軍突起，成為超高性能灌漿材料不可缺少的部分。目前配制超高性能灌漿料的主流技術(shù)路線主要是在灌漿料中同時摻入高效減水劑和礦物外加劑，利用微粉填隙作用形成細觀的緊密體系，并且改善界面結(jié)構(gòu)，提高界面黏結(jié)強度[4-5]。

3 工程案例

3.1 工程概況

南海東部海域某平臺導(dǎo)管架在靠泊過程中發(fā)生碰撞，導(dǎo)致B1主樁腿及靠船件變形，見圖1。平臺大幅晃動，因正值臺風(fēng)來臨之際，為保證平臺安全運行，需要對受損平臺進行快速修復(fù)。

圖1 B1樁腿及靠船件變形受損

3.2 修復(fù)方案設(shè)計

3.2.1 建模及在位分析

根據(jù)現(xiàn)場反饋的導(dǎo)管架變形測量結(jié)果，建立受損后導(dǎo)管架模型，根據(jù)不同的模擬方法考察撞擊后的平臺結(jié)構(gòu)強度以及儲備強度。結(jié)合導(dǎo)管架各相關(guān)點的水平度測量數(shù)據(jù)修正模型，以考察撞擊變形后荷載重新分配對平臺的影響。

在進行SACS計算分析時，首次對平臺的在位模型增加強制位移，在組塊模型受損的B1樁腿頂部加載一個Z=-2.0 cm的位移載荷，用來等效模擬因B1腿被撞彎而造成組塊在B1腿處向下傾斜，從而使得各桿件受力發(fā)生改變的工況。圖2為平臺在位模型增加強制位移分析示意，圖中紅色箭頭標記位置即為B1樁腿頂部加載位移載荷處。

圖2 平臺在位模型增加強制位移分析示意

受損B1樁腿修復(fù)后的桿件UC值計算結(jié)果見表1。從表1可以看出UC值均小于0.9，最大值0.468出現(xiàn)在卡箍上沿。表1“最大UC對應(yīng)工況編號”中2204、3211、3201是工況編號，分別代表三種不同工作工況組，每個工況組對應(yīng)8個方向，其中工況編碼第一位數(shù)字（由左到右）1表示操作工況，數(shù)字2表示極端工況，數(shù)字3表示極端輕載工況；第三位數(shù)字表示高低水位，0代表高水位，1代表低水位；第四位數(shù)字表示方向，1～8分別代表沿逆時針方向依次遞增45°，即1代表0°，8代表360°。由此可知，不同的桿件最大UC值并不一定是在同一工況組條件下得出的，需要針對不同工況組分別計算。

表1 受損B1樁腿UC值

3.2.2 受損桿件強度校核

根據(jù)受損導(dǎo)管架模型在位分析結(jié)果，采用有限元模擬整根受損桿件，在不同規(guī)范的要求下對加強后的桿件強度進行校核，計算結(jié)果顯示，在不同的規(guī)范要求下，桿件加強校核結(jié)果均滿足修復(fù)要求。圖3為導(dǎo)管架桿件加強后校核結(jié)果。表2為不同的規(guī)范要求下桿件加強校核結(jié)果。根據(jù)校核結(jié)果，最終選用名義抗壓強度為120 MPa的超高強度灌漿材料進行加固修復(fù)。

圖3 導(dǎo)管架桿件加強后校核結(jié)果

表2 不同規(guī)范下桿件加強校核的結(jié)果

3.2.3 灌漿卡箍設(shè)計

由于導(dǎo)管架受損結(jié)構(gòu)基本在水面以上，本工程首次采用卡箍加皇冠板塊相結(jié)合的異形卡箍設(shè)計方案，通過焊接固定的修復(fù)方式，實現(xiàn)了對導(dǎo)管架樁腿永久修復(fù)。首次采用超高強度灌漿材料修復(fù)海上平臺導(dǎo)管架，灌漿材料抗壓強度達到120 MPa，強度提高1倍以上。由于主樁腿損傷位置在飛濺區(qū)域內(nèi)，通過將下皇冠板上提300 mm，使得卡箍下部位于潮差段從而實現(xiàn)焊接可行。

考慮卡箍分片安裝可行性及灌漿可行性，結(jié)合灌漿材料參數(shù)特點綜合設(shè)計卡箍及參數(shù)，灌漿卡箍整體設(shè)計如圖4所示。

圖4 灌漿卡箍設(shè)計

（1）卡箍整體長度為5 m，整體壁厚38 mm，考慮樁腿受損部位上下凹陷不同，卡箍直徑分段設(shè)計，與上部皇冠板連接段直徑為1 219 mm，上下過渡段直徑1 562 mm/1 219 mm，中間部分直徑1 562 mm，與下部皇冠板連接直徑為1 243 mm。

（2）卡箍內(nèi)壁設(shè)置剪力鍵，剪力鍵為12 mm的鋼筋，采用全滿焊接。

（3）卡箍分為兩片，在外部分片上設(shè)置兩根灌漿管道，管道尺寸為2 in（1 in=25.4 mm）。

（4）因本案例為應(yīng)急搶修項目，在卡箍設(shè)計中暫未考慮與樁腿原有連接的橫支撐和靠船件后期安裝問題，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)修復(fù)完成后靠船件可通過水上和水下抱卡方式在B1樁腿合適的位置進行安裝。

3.3 超高強度灌漿材料特點及參數(shù)

本工程案例首次采用國產(chǎn)江蘇蘇博特新材料股份有限公司型號為JGM?-SP201超高強度灌漿材料替代進口材料。通過技術(shù)參數(shù)對比，該型號超高強度灌漿材料產(chǎn)品性能超過進口BASF、Natutic、Densit等品牌，既縮短了供貨周期，又節(jié)約成本，還省去了外方技術(shù)支持費用。此超高強度灌漿材料主要有以下特點：

（1）灌漿材料28d名義強度超過120MPa，1d名義強度超過70 MPa，3 d名義強度超過90 MPa。

（2）在適用水灰比范圍內(nèi)，可實現(xiàn)流動度280～320mm可控可調(diào)，30℃下2 h流動度280 mm，高溫保塑效果較好，無需振搗即可密實填充狹小空間，在水中抗分散能力強。

（3）同時具有微膨脹特點，可完美匹配水泥水化過程，分階段全過程補償收縮，能夠?qū)崿F(xiàn)界面的緊密黏合。

（4）耐久性好，氯離子滲透系數(shù)極低，抗硫酸鹽侵蝕能力強，且抗疲勞性能優(yōu)異，可確保設(shè)備在動靜態(tài)荷載、海水侵蝕等多因素耦合作用下長期穩(wěn)定服役。

使用的國產(chǎn)超高強度灌漿材料主要參數(shù)見表3。

表3 超高強度灌漿材料參數(shù)

3.4 修復(fù)實施過程

海上施工主要步驟如下：

（1）將受損的靠船件水上和水下橫支撐與樁腿連接部分切除并打磨。

（2）對卡箍安裝位置進行打磨，在樁腿焊接6道剪力鍵，卡箍安裝位置下放沿樁腿周圍點焊6塊下皇冠板。

（3）分片對卡箍進行吊裝并組對，第二片卡箍就位后，調(diào)整其與第一片的相對位置，當兩片卡箍位置與下皇冠板基本對正時，將兩片卡箍利用點焊臨時固定。

（4）兩片卡箍調(diào)整完畢后進行組對焊接，檢驗合格后進行卡箍灌漿作業(yè)。

（5）預(yù)留皇冠板出漿后靜置3 h，確認卡箍灌滿后將最后一塊皇冠板焊接固定即完成修復(fù)。

4 結(jié)束語

本工程案例導(dǎo)管架修復(fù)從發(fā)生碰撞到最終海上成功修復(fù)僅用39 d，這也是超高強度灌漿材料首次成功應(yīng)用于國內(nèi)海上平臺結(jié)構(gòu)修復(fù)，成功解決了導(dǎo)管架腿受損區(qū)域位于潮差段、修復(fù)空間嚴重受限、導(dǎo)管架腿對修復(fù)強度要求極高等技術(shù)難題；通過在樁腿表面和卡箍內(nèi)部設(shè)置剪力鍵，顯著提高了“導(dǎo)管架腿→卡箍→超高強度水泥→導(dǎo)管架腿”等多介質(zhì)間的傳力效果，使得導(dǎo)管架灌漿卡箍修復(fù)效果顯著提高，該技術(shù)在未來可針對在役海上平臺設(shè)施因疲勞、腐蝕、碰撞等原因產(chǎn)生的損傷進行加固修復(fù)，進一步延長在役海上平臺設(shè)施使用壽命，同時可有效降低修復(fù)成本。目前國內(nèi)超期服役平臺越來越多，部分平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)局部腐蝕、損傷、裂紋等情況，應(yīng)用灌漿卡箍技術(shù)能快速高效完成上述局部損傷的修復(fù)，擁有廣闊的市場。