導管架局部灌漿加固方案及應用

高 峰， 楊 昆， 王朋飛， 胡成李， 彭海麗

(深圳海油工程水下技術有限公司，深圳 518067)

0 引 言

面對海洋平臺因碰撞產生的局部凹陷、變形，因腐蝕產生的厚度損失、裂紋等情況，常采用灌漿設計進行修復[1]，如1988年八號平臺水下23根桿件灌漿工程[2]，2013年HZ21-1A灌漿卡箍維修項目等。灌漿修復的原理是在受損桿件或外護管卡中注入水泥漿液，待泥漿凝固后與管道結合為一體，共同抵抗外部載荷作用，由于泥漿凝固后有很好的抗壓能力，同時結構管能約束其受壓膨脹變形，使其處于三軸受壓狀態[3-4]，能夠很好地抵御環境載荷影響，從而起到加固修復的效果。

隨著灌漿技術在國內二十幾年的發展，使用范圍越來越廣，從基礎固定到平臺維修，再到海底管線穩定性處理等，均有應用。灌漿設備也日趨集成化、小型化、自動化，作業水深由淺及深，由人工操作到無人潛航器操作。但是，基本的灌注思路沒有變化，考慮不充分、過程不經濟、方案不適當的情況多有發生。本文基于東海某導管架受損桿件的灌漿修復工程實踐，通過對不同灌注長度桿件受力情況的數值模擬研究，選擇最優灌注長度進行灌漿修復方案設計。

本工程應用方案從工藝上降低了灌漿設備能力需求，避免了傳統外護管卡灌漿修復方案中面臨的管卡尺寸大、裝配復雜、密封性差等應用問題，避免了傳統桿件內注修復方案中的水下施工工作內容，避免了工程船舶和空氣潛水等作業支持資源需求，工程應用可操作性大幅提高，應用成本大幅降低。

1 案例分析

中國東海某導管架設計水深為79.4 m，四腿八裙樁，設計使用壽命為20年。受損部位位于導管架ROW 兩側斜拉筋交叉點上方1.5 m處，凹陷長1 400 mm，寬800 mm，最大深度為110 mm；臨近節點及結構保持完好，桿件透水檢測(flooded member detection， FMD)斜撐完整性良好，無進水，交叉點及其他斜撐檢測狀態良好，受碰撞影響較小，仍保持較好的力學性能，可以采用灌漿加固的方式對受損構件進行加固。平臺拉筋受損情況如圖1所示。

圖1 平臺拉筋受損情況

基于受損桿件Dent界面模擬、導管架SACS整體模型計算書，可以實行局部加固，單獨對受損桿件進行內部灌漿加固。但傳統管卡修復方式和水下灌漿修復方式由于需要工程船舶和空潛資源作為施工支持，成本高，無法滿足業主預算要求，需進行獨立的施工設計。

為了保持項目成本控制和施工質量平衡，新方案設計應在堅持局部加固原則和平臺操作的基礎上，實現水面灌漿，規避工程船舶、空潛等主要成本費用。但計算書未能對水面灌漿提供充分的技術支撐，因為計算書按照腔體滿灌等效的情況進行模擬計算，而現場操作很難實現真正意義上的滿灌，水面灌漿操作更難以保證滿灌。為解決這一問題，需要進行灌注長度有效性分析。

1.1 灌注長度有效性分析

灌注長度是指泥漿終凝后在受損桿件中的有效長度，灌注長度的確定是方案設計的重要步驟，也決定了整個項目的修復投資額。為了獲得有效的技術支撐，指導方案設計基于灌注長度情況下受力特點進行了計算研究。

為簡化分析，獲得結果趨勢，模擬分析選用直管段進行ABAQUS建模，模擬管材質參數與受損桿件一致，如表1所示。在進行受力狀態分析之前，進行如下假設： 注漿效果良好，泥漿為勻質，沒有氣孔形成的不均勻層；管壁厚薄一致，材質相同；把灌漿修復看成是由桿件和泥漿組成的結構體系，外部載荷為30 t。

表1 模型幾何物理參數

采用混凝土塑性損傷模型進行分析，相關參數按混凝土本構關系GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》選取，如表2和圖2所示。

表2 泥漿參數信息

(a) 受壓 (b) 受拉

數值模型由模擬管、蓋板及素混凝土三部分組成，模擬管內表面與素混凝土外表面建立面接觸,摩擦系數為0.2，模擬管與端板進行綁定接觸，混凝土端面根據灌注長度不同，分別于端板綁定接觸或與管壁進行線綁定[5-6]。

1.2 工況設定及結果分析

基于不同的灌注長度，劃分不同的工況，各工況信息如表3所示，各工況下不同灌注長度中點處最大應力曲線如圖3所示，各工況下模擬管各點位移曲線如圖4所示。

表3 計算工況

圖3 灌注長度-中點最大應力曲線

圖4 不同工況沿管線各點位移曲線(Y)

通過對圖3和圖4相關曲線的分析，可以得出如下結論：

(1) 在滿灌狀態下，修復效果最好(見A點)；在非滿灌狀態下，隨著灌注長度的減少，其作用效果快速下降(見A—B段)；下降到一定程度后開始恢復(見B—C段)，存在一個相對最優灌注長度(C點)；同時也存在一個最小灌注長度(D點)，當灌注長度小于這個值時，對受力狀況并無改善(D—E段)；在相對最優灌注長度和最小灌注長度之間(C—D段)，其作用效果隨著灌注長度的增加而增加。

(2) 存在一個最小灌注長度，超過此長度時，泥漿灌注對桿件剛度影響是積極的，這種效果隨著灌注長度的增加而增強，但隨著灌注長度的增加，其對桿件剛度的貢獻幅度降低。在達到滿罐之前，存在一灌注區段，灌漿自重的載荷影響超過其對桿件的剛度貢獻。

2 灌漿修復方案新設計

由于實際施工很難達到100%的灌漿率，灌漿修復對桿件主要是剛度貢獻[1， 3]，滿灌不僅大大增加了桿件的重量，還增加了整體受力分析的難度和后續檢修、維護的不便。基于灌注長度的有效性分析，可以推導出存在一個符合水面灌注施工要求的灌注長度，可以進行水面灌漿施工方案設計，以滿足成本、場地和設備能力各方面的限制。

新的水面灌漿施工方案設計主要基于局部加固原則、內部維修加固原則、避免空潛和施工支持船的原則以及相對最優灌注長度原則，方案內容如下：

修復重點放在對受損桿件的剛度貢獻上，側重于通過桿件內部注漿來實現對受損區域的加強。

進行相對最優長度灌注時，受損斜拉筋兩端節點處不進行灌漿，為保證良好的效果，在底部節點處進行粗沙粒填充，頂部節點留有空氣段。

為實現水面灌漿施工，避免空潛及施工支持船，注漿孔、溢流-透氣孔均位于受損拉筋頂部，且位于水面以上，溢流-透氣孔位于注漿孔上方，垂直高度不小于0.5 m，開口方式均為小直徑磁力鉆孔，兩孔的投影距離應不小于1/4圓弧。

注漿結束后，進行遮蓋保護，待拉筋泥漿凝固且頂部空氣段內外溫度趨于一致時，對注漿孔和溢流-透氣孔進行堆焊封堵，進行無損檢測和防腐處理。

相關方案設計簡圖如圖5所示。

圖5 灌漿修復方案新設計

新的灌漿修復方案特點主要有：

(1) 采用頂部注漿、頂部溢流，規避了水下操作，避免了空潛支持，使得整體施工難度發生了質的變化，工作流程簡單，維修、維護方便，工作量減少，資源需求降低，效率提升，成本節約，質量效果不降。頂部注漿、頂部溢流可以有效解決細長大體積灌漿初凝時間的影響，同時較底部灌漿、頂部溢流而言，對注漿泵出口壓力及注漿管承壓能力的要求低，可以實現設備簡單化、小型化，尤其是對于甲板面積有限的小型井口平臺，可以有效地進行設備布置，展開施工。

(2) 采用淘洗晾曬的粗砂顆粒作為底部填充，可以在注砂的同時，通過砂粒的沖擊和滾動清除一部分管壁雜質或附著物，使得泥漿凝固后與管壁有較好的黏結度，共同作用效果更好；同時減少了泥漿需求量，更加環保，還為后續維護乃至更換提供了方便。

3 方案驗證試驗設計

傳統的底部灌漿、頂部溢流方案，在保持氣體有效排出、泥漿密實度和密閉空間滿灌方面有一定的優勢，為了驗證頂部灌漿、頂部溢流設計方案的施工效果和施工質量，在施工方案設計的同時進行了施工模擬試驗設計。

相關模擬試驗就是在陸地模擬一個海上施工工況環境，主要參數包括管徑、傾角、注漿口尺寸、溢流-透氣孔尺寸、兩段封閉情況等。然后按照設計施工方案進行施工演練，最后進行施工質量檢測。該試驗主要關注和驗證以下內容：

(1) 驗證砂粒與注漿孔孔徑的匹配性，測量砂粒灌注后自由堆積面坡度，進行有效注砂高度及注砂量計算。

(2) 檢查砂漿接合面情況，驗證注砂的有效性，不影響后續生產期內節點處檢修乃至更換。

(3) 檢查灌漿效果，如泥漿密實度，是否存在裂紋、氣孔等灌注缺陷，以及泥漿與管壁的結合情況，并進行取樣和強度測試，保證泥漿成型的可靠性。

試驗結果顯示，方案設計思路合理，各項內容指標達到了預期，通過試驗選擇了較大粒徑砂粒，完成了傾斜管中自由堆積坡度測量，進行了用砂量計算；通過管線切割、測量，驗證了注砂的有效性，對泥漿表觀和與管壁結合情況進行了檢查，狀態良好；進行了模擬管中泥漿強度測量，結果滿足強度要求。

4 方案實施

通過參數推薦和計算復核申請，業主設計單位進行了有效灌注長度復核計算，認可并通過了該施工方案設計。該方案于2016年組織實施，完成了東海某導管架受損斜撐的灌漿修復工作，施工成本僅為同類平臺構件灌漿修復項目的1/3， 2016—2019年度平臺年檢報告顯示，該平臺一直處于穩定狀態。具體相關施工步驟如下：

(1) 物資設備動員，轉運至平臺。

(2) 進行設備施工布置。

(3) 搭設舷外作業平臺。

(4) 測量，進行注漿孔、溢流孔開孔。

(5) 裝載砂粒。

(6) 制漿、灌漿。

(7) 泥漿凝固、降溫。

(8) 開孔修復(見圖6)，無損檢測。

(9) 漆面防腐。

(10) 拆除作業平臺，物資、設備復原。

圖6 注漿孔和溢流-透氣孔

5 結 語

實踐證明，采用局部非滿灌、頂部灌漿、頂部溢流的工藝方案，依據合理，行之有效，已成功地應用于東海某導管架井口平臺維修項目，在流程簡化、質量保證、效率提升、成本節約等諸多方面達到了預期的效果，取得了良好的社會效益和經濟效益，成功地解決了小型平臺起吊能力和布置空間有限、水下施工風險大、維護處理難度高等問題，擺脫了對施工船舶的依賴，避免了船舶多次停靠所產生的新威脅，為導管架平臺局部修復提供了一種新的思考方式和處理方案。

但在方案選擇和應用方面，首先應注意其適用范圍，若平臺桿件受損嚴重，連接節點失效則不能直接應用，其次要對灌漿效果進行試驗和測試，確保灌漿質量。