鉆井平臺隔水管浮力塊斷裂修復研究

冼敏元，徐晨三，劉 剛

(1.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部，北京 101149；2.臺州中浮新材料科技股份有限公司，臨海 317005)

0 引 言

南海的油氣開發是我國海洋經濟發展戰略的重中之重。南海的平均水深超過1 200 m，而油氣資源大多集中在深水區域。當前，我國油氣鉆探、開采的重心已逐漸從淺水海域轉向深水(500 m以深)、超深水(1 500 m以深)海域。未來的海洋油氣開發會以浮式深水平臺(如半潛式、鉆井船、TLP、SPAR、FPSO等)為主。隔水管浮力塊是深水鉆井平臺必不可少的裝備之一(見圖1)。

圖1 布放中的隔水管浮力塊

隔水管浮力塊的作用是為鉆井隔水管提供分布式浮力，減輕其在水中的重量，從而達到減小平臺張力器的載荷、提高平臺整體工作性能的作用。一般來說，一節16～25 m的隔水管重量可以達到6～ 15 t。當平臺的作業水深達到一定深度時，隔水管的重量會對平臺產生相當的荷載，需要加裝浮力塊來減輕隔水管的濕重。

隔水管浮力塊屬于易耗品，一般原廠的保質期為1年，遠低于深水鉆井平臺的服役年限(20年左右)。隔水管浮力塊造價高昂，一組4～5 m長的浮力塊采購價格一般在2萬～3萬美金，且供貨周期長。這就使得經常替換新的隔水管浮力塊在經濟上不可行。所以，隔水管浮力塊除日常維護外，定期的檢修工作變得十分必要。根據工程經驗，隔水管浮力塊的損壞形式從嚴重到輕微可分為斷裂、大塊缺損、裂縫、表面破損等。其中，最影響隔水管浮力塊使用性的莫過于斷裂。并且，斷裂破壞形式的隔水管浮力塊很常見。以南海某深水鉆井平臺為例，經過5年的使用，有350多塊隔水管浮力塊發生了斷裂，占總數的近30%。所以，斷裂浮力塊的修復是隔水管浮力塊檢修工作中最重要的一環。

隔水管浮力塊斷裂修復的工程質量需要由修補材料、修復工藝、修復后檢驗等多個環節共同保證，其中材料和工藝是關鍵。國際上，隔水管浮力塊的修復工作一般由浮力塊的原生產商(如Trelleborg、Balmoral、Matrix、Cuming等)或其授權的指定修補廠商(如Profloat等)開展。然而，其收費較高且不便于在國內現場作業，所以并不適合我國的需要。國內由于缺乏隔水管浮力塊的原廠生產商，在修補材料和修復工藝上尚未形成一套標準，所以隔水管浮力塊修復的質量難以保障。而修補材料和修復工藝一般屬于各廠商的商業秘密，除少數專利信息[1]外，幾乎沒有公開資料可查。所以，自主研發修補材料和修復工藝是解決該問題的唯一途徑。

為規范隔水管浮力塊斷裂修復作業，提高修復工程質量及其穩定性，通過對用于隔水管浮力塊斷裂修復的材料進行研究，結合力學分析，制訂斷裂修復方案設計方法及相應的修補作業程序。本文以1 500 m作業水深隔水管浮力塊的斷裂修復實例，驗證該修復方案及作業程序的可行性和有效性。

1 修補材料研究

隔水管浮力塊主要由復合泡沫材料(syntactic foam)制成[2]。復合泡沫材料(見圖2)，即所謂固體浮力材料，是一種多組分、復雜微觀結構的先進復合材料，其主要成分包括空心球、空心玻璃微珠、環氧樹脂等。主要性能特征是：密度低[3]、耐壓性能好[4]、吸水率低[5]，但是抗拉性能較差[6]且相對脆性[7]，受到沖擊、彎曲等載荷易碎裂、斷裂。基于以上特性，工程上用于斷裂的隔水管浮力塊的修補材料一般包括與環氧樹脂復合材料結合性好的黏合劑；用于加強粘接面，改善材料脆性的加強筋；以及用于保護復合泡沫材料免受沖擊、摩擦等損壞的防護表皮等。

圖2 復合泡沫材料

1.1 黏合劑

黏合劑的作用是將斷裂的各部分浮力塊粘接在一起并提供基本的力學強度。由于用于制備隔水管浮力塊的浮力材料以環氧樹脂為基體，所以選用與之性能相近的環氧樹脂作為黏合劑的基體是最合適的。

本文中所用的黏合劑的基本成分為環氧樹脂、固化劑、輕質耐壓填充物、增厚劑等，分別制成A料與B料。該A料、B料可分開長期儲存，使用時按需取量，按比例混合均勻，涂抹在需要粘接的斷面上。其具有黏結力強、本體強度高、密度低、可操作性好等特點。其基本物理與力學性能如表1所示。

表1 A料和B料黏合劑物理力學性能

1.2 加強筋

通過黏合劑粘接的浮力塊雖然具有一定的力學強度，但是無法保證粘接強度達到浮力塊本體強度。并且，在現場施工過程中，黏合劑的配比、混合均勻度、涂抹量、固化程度等均難免有所偏差，所以需要加入跨過斷裂面的加強筋來保障修復后浮力塊的力學強度。

加強筋材料的選用可視具體情況而定。在實際項目中，鋼筋、玻璃纖維筋、碳纖維筋均有應用記錄。其中，玻璃纖維筋有最高的性價比。其比強度(強度/密度比)高于鋼筋，而價格遠低于碳纖維筋，是較為合適的修補用加強筋材料。本研究中選用玻璃纖維筋作為加強筋，性能參數如表2所示。

表2 玻璃纖維加強筋性能參數

1.3 防護表皮

防護表皮的作用是保護相對脆性的內部浮力材料免受沖擊、磨損帶來的破壞。常用的防護表皮有玻璃纖維氈、聚酯纖維布、聚氨酯/聚脲涂層等。本文選用與原隔水管浮力塊相同的玻璃纖維氈作為防護表皮，其性能參數如表3所示。

表3 玻璃纖維氈性能參數

2 力學性能分析方法

針對隔水管斷裂修復進行力學分析的目的是優化、確定斷裂修復的工藝參數，如加強筋數量、長度、分布等，以保證修復后的浮力塊有比原本更好的機械力學強度，不會在修復處發生二次斷裂。

隔水管浮力塊的典型結構如圖3所示。其內表面的墊塊與隔水管直接接觸。用于制備隔水管浮力塊的浮力材料為脆性材料，其典型力學特性如表4(以1 500 m水深隔水管浮力塊材料為例)所示。當受到作用力F時，其受力模式為三點彎曲，容易因為撓度過大而發生斷裂。

圖3 隔水管浮力塊結構形狀示意圖

表4 1 500 m水深隔水管浮力塊材料力學特性

隔水管浮力塊斷裂修復時需要用到的加強筋數量n應使斷裂修復后的浮力塊的彎曲強度不小于浮力塊原本的彎曲強度，即

σr≥σo

(1)

式中：σo為原始浮力塊彎曲強度；σr為修復后浮力塊的彎曲強度，且

(2)

式中：σb與σf分別為黏合界面與加強筋的強度；Ab、Af和Ao分別為黏合界面、加強筋與浮力塊的截面積。結合式(1)與式(2)，可以得到加強筋數量的計算式：

(3)

值得注意的是，由于隔水管浮力塊內部的浮力材料由許多可見與不可見的空心介質填充(見圖4)，則黏合界面面積Ab與浮力塊截面積Ao的關系為

圖4 隔水管浮力塊材料內部結構組成

Ab=(1-Vh)Ao

(4)

式中：Vh為浮力材料中空心介質的體積分數。

由式(3)計算得到加強筋數量n后，可以建立如圖5所示的等效單元。

圖5 浮力塊斷裂修復等效單元

由圖5可知，斷裂的浮力塊由黏合劑粘接并通過加強筋加強。其中，Df為加強筋直徑，Lf為加強筋長度。由材料力學可知，加強筋長度Lf需大于等于臨界長度Lc方可完全發揮加強作用[8]，即

(5)

至此，在已知浮力材料和修補用材料的力學性能參數以及幾何參數的情況下，可以計算并確定斷裂修復所需的加強筋數量n及長度Lf。

3 修復方案及實例分析

針對隔水管浮力塊斷裂修復作業，根據如下步驟設計修復方案：

(1) 收集浮力塊技術信息，包括材料力學性能、幾何結構參數等。

(2) 選擇合適的修補材料，包括黏合劑、加強筋、纖維氈等。

(3) 利用式(3)和式(5)，代入已知參數，計算加強筋的數量n和長度Lf。

(4) 根據浮力塊的截面形狀設置合理的加強筋分布。

修復方案設定后，可按如下總體步驟進行修復作業：

(1) 打磨、清理斷面。

(2) 在斷面上涂抹黏合劑，并將斷裂部分對齊、合攏、固定，等待黏合劑固化。

(3) 在預定位置埋設加強筋并用黏合劑填滿空隙。

(4) 在表面鋪敷纖維氈，等待黏合劑固化。

(5) 打磨并進行表面處理，完成斷裂修復。

通過對1 500 m作業水深的隔水管浮力塊進行斷裂修復，并比較原始的與修復后的三點彎曲力學性能，驗證上述修復方案與作業程序的有效性。

首先，為得到隔水管浮力塊的原始彎曲力學性能，將一塊完好的浮力塊在液壓裝置下以三點彎曲受力模式加載至斷裂(見圖6)，測得其最大受力為14 t。

圖6 原始隔水管浮力塊三點彎曲試驗

浮力塊材料參數如表4所示；各修補材料選型及參數如第1節所述。將如上參數代入式(3)與式(5)，可得加強筋數量與長度要求為n≥ 7，Lf≥ 580 mm；且浮力塊修復后的強度σr與原始強度σo的比值和加強筋數量的關系如圖7所示。

圖7 浮力塊修復后強度與加強筋數量的關系

根據圖7及工程經驗，最終確定加強筋數量與長度為n= 8，Lf= 700 mm。根據浮力塊截面結構，設定如圖8所示的加強筋分布。

圖8 加強筋分布

根據第3節中所述步驟，進行隔水管浮力塊斷裂修復作業(見圖9)。

將修復后的隔水管浮力塊在液壓裝置下以三點彎曲的模式加載至斷裂，測得修復后的浮力塊最大承受載荷為18 t，比原始最大彎曲載荷提高了28%；且新的斷裂位置不在修補處(見圖10)。試驗證明該隔水管浮力塊斷裂修復方案設計及作業程序是可行且有效的。修復的浮力塊比原始浮力塊有更好的彎曲力學性能。

圖10 斷裂修復后的隔水管浮力塊三點彎曲試驗

4 結 語

通過修補材料研究和力學分析，制訂了隔水管浮力塊斷裂修復方案設計方法。根據彎曲強度校核和加強筋臨界長度計算，確定了斷裂修復中所需加強筋的數量及長度。通過對1 500 m作業水深的隔水管浮力塊進行斷裂修復，并比較原始的與修復后的三點彎曲力學性能，驗證了修復方案與作業程序的可行性和有效性。由于合理選擇并布置了加強筋數量及其分布，斷裂修復后的浮力塊表現出比原始浮力塊更好的彎曲力學性能，其實測最大彎曲載荷比原始浮力塊提高了28%。并且，新的斷裂位置不在修補處，證明修補處的強度高于浮力材料本體強度。

采用上述方法在實際工程中對用于某深水鉆井平臺隔水管的斷裂受損的浮力塊進行了修復作業。經驗收測試及實際應用，證明該修復方法取得了良好效果。