穆 顷，王毅坚，张 波

(1．中海油能源发展股份有限公司装备技术分公司，天津 塘沽300452;2．吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林132022;3．哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

随着海洋石油天然气资源的开发技术不断发展，海洋平台结构在其形式和功能上日益复杂化．由于海上环境保护和生产安全要求的增强，现代海洋平台结构的质量日益受到重视．海洋平台结构具有框架庞大、形式复杂、造价昂贵、环境复杂和恶劣等特点［1］．在极其复杂和恶劣的环境条件中，导致海洋平台结构受损的危险性因素包括:地基冲刷、物体掉落、船体碰撞、海水的日益腐蚀、海洋生物的附着、材料老化以及安装过程中的误操作等［2］．由于此类原因造成的海洋平台结构局部受损会降低整个海洋平台结构的安全性及可靠性，从而影响正常的油气资源开发．海洋平台作为海洋油气资源开发的关键设备，提高其安全性及可靠性至关重要．本文将围绕灌浆卡箍加固装置进行力学分析及实验研究，验证灌浆卡箍对海洋平台结构的加强及加固．

1 卡箍加固装置屈曲理论分析

1.1 灌浆卡箍加固装置在均匀轴压作用下的屈曲

假设管道承受均布轴压作用，管道在均布轴压作用下的屈曲变形如图1所示．管道在均匀轴压作用下的屈曲临界值可利用Karman-Donnel非线性屈曲方程进行求解，Karman-Donnel方程是1934年Donnel在 Karman板大挠度理论［3］中引入关于薄壳结构简化的假设，得到了简化的薄壁壳体的平衡方程，从而称之为Karman-Donnel大挠度平衡方程:

根据式(1)，经推导得管道在均匀轴压作用下的临界压力为

式中:t为管道壁厚，mm;D为管道直径，mm;μ为泊松比;E为弹性模量，MPa

图1 均匀轴压作用下管道对称屈曲示意图

利用复合层等效理论，将安装卡箍的管道等效为三个匀质层［4］，通过均匀轴压作用下管道的屈曲临界压力的求解公式推导如下式

式中:D0为平均直径，mm

为描述灌浆卡箍对管道的加固效果，选取一系列数据，通过式(2)和(3)进行计算与数据拟合，对比管道在安装灌浆卡箍前后的临界压力关系．

表1 管道卡箍尺寸表

将表1中数据分别代入式(2)和式(3)，得到未安装卡箍的管道在均匀轴压作用下的临界屈曲压力和安装卡箍之后管道在均匀轴压作用下的临界屈曲压力，如表2所示．

表2 卡箍安装前后临界压力值

根据表2进行数据拟合，对比管道安装卡箍前后均匀轴压作用下屈曲临界压力与管道径厚比的关系，关系曲线如图2所示．

从图中可以看出，卡箍安装之后，管道的屈曲临界压力与未安装卡箍的管道相比，明显的增加了．管道在均匀轴压作用下的临界屈曲压力增大，表明其抵抗外界破坏的能力提高了．由此可见，灌浆卡箍不仅对管道起到良好的维修效果，还对管道有着明显的加固效果．当同样大小压力使管道发生屈曲破坏时，对安装有卡箍的管道却不能产生屈曲破坏．从图中还可看出径厚比越大，卡箍安装前后临界压力差值越大．随着径厚比的增大，临界压力差值逐渐成一个水平范围内．

图2 卡箍安装前后屈曲临界压力与径厚比关系

1.2 管件在均匀轴压作用下基于ANSYS的屈曲分析

管件在均匀轴压作用下的屈曲有限元分析可以更进一步验证灌浆卡箍对管件的加固效果．将建好的三维模型导入屈曲分析模块，添加材料属性，划分网格，施加约束载荷，按照十阶模态进行求解．分别对管件及安装卡箍的管件进行十阶模态的屈曲分析，求解十阶模态的载荷因子，从而得出每阶模态的屈曲压力，当压力超过每阶所求屈曲压力时，管件将失稳．求解结果如表3所示．

由于计算过程中所施加轴向载荷为100 MPa，因此将表3中载荷因子乘以所施加载荷100 MPa可得屈曲压力，并进行数据拟合，分别得出管件及安装卡箍后管件每阶模态的屈曲压力，然后进行卡箍安装前后屈曲压力的比较，关系曲线如图3所示．

表3 各阶模态载荷因子

由于计算过程中所施加轴向载荷为100 MPa，因此将表3中载荷因子乘以所施加载荷100 MPa可得屈曲压力，并进行数据拟合，分别得出管件及安装卡箍后管件每阶模态的屈曲压力，然后进行卡箍安装前后屈曲压力的比较，关系曲线如图3所示．

图3 卡箍安装前后屈曲压力对比

从图中可以看出，在均匀轴压作用下，安装有卡箍的管件相比未安装卡箍的管件每阶模态时的屈曲压力要大，虽然随着阶数的增加，其差值逐渐缩小，但也足以证明灌浆卡箍对受损管件的维修加固作用．

上述是从求解数据方面对灌浆卡箍的屈曲分析进行论证，同时还可以根据有限元分析云图得出灌浆卡箍对管件的加固作用，下面分别给出1、3、5、7和9阶数屈曲时的管件加固前后的变形云图，如图4～5所示．

图4 管件加固前各阶变形云图

图5 管件加固后各阶变形云图

从图中可以看出管件加固前后变形云图最大区别是加固后的管件受卡箍保护段在承受均匀轴压作用下不会发生变形损坏，由此也可得出灌浆卡箍对受损管件的加固维修效果很好．

2 灌浆卡箍力学实验分析

对于直管卡箍采取轴向施压，对比管道未加卡箍与安装灌浆卡箍后，到达屈服极限所需正压力．为准确测出管道在不同压力作用下的应力，先进行ANSYS仿真分析，其实验结果如图6所示．

图6 应力云图

从图中可以看出，直管的应力基本成均匀分布的趋势，只有在管道固定端出现应力变大的现象，因此将应变片贴于管道的中间位置．同时为实验的准确性，在管道中间位置沿环向均匀贴4枚应变片，四枚应变片成十字形分布．应变片粘贴情况如图7所示．

图7 应变片粘贴情况

由ANSYS分析仿真可得，当施加压力达到50 t时，管道最大应力接近管道材料的屈服极限，因此，选用200 t压力机进行实验，实验装备如图8所示．施加压力较小时，应力变化不大，因此压力机从10 t开始起压，直至出现屈服现象．

图8 压力实验设备

在施压过程中，将4枚应变片按照顺序进行编号并由应变仪记录4枚应变片所测出的应变，求出平均值ε0，根据应力应变公式σ=Eε0以求出应力值，根据实际直管材料为冷轧钢板，根据机械手册冷轧钢的杨氏模量取E=2．05×1011，当压力机施加压达到47 MPa时，材料发生屈服．

直管力学实验完成后，再对安装有卡箍，并且灌浆完成的直管进行力学实验．以验证灌浆卡箍对管道的加固及维修效果．安装有卡箍的管道无法在管道外侧粘贴应变片，因此将应变片粘贴于管道内侧，如图9所示．由于在管道内部粘贴应变片比较困难，因此，在本次实验中，只在管道中间环向位置直线方向粘贴2枚应变片．

在施压过程中，对安装有卡箍的直管进行施加压力时与对未安装卡箍的直管施加的压力数值相同，以验证灌浆卡箍对管道的加固及维修效果．将2枚应变片进行编号并记录，求出平均值ε0，根据应力应变公式σ=Eε0以求出应力值，根据实际直管材料为冷轧钢板，根据机械手册冷轧钢的杨氏模量取E=2．05×1011，当压力机施加压力达到47MPa时，材料发生屈服．数据记录结果见表4所示．

图9 应变片粘贴位置图

表4 安装有卡箍的直管力学实验结果记录表

将未安装卡箍的直管的力学实验数据与安装有卡箍的直管的力学实验数据进行对比，见表5所示．

表5 卡箍安装前后直管力学实验数据对比

从表格中可以看出材料未发生屈服之前，相同压力下，安装有卡箍的直管的应力明显比未安装卡箍的直管的应力减小了，并且差值成逐渐增加的趋势．

为明确表示卡箍安装之后对受损管道的加固及维修效果，将表5中的数据进行描点绘图，如图10所示．

图10 卡箍安装前后直管应力对比

从图10可以看出，安装灌浆卡箍后的直管，相同正压力下直管中心的轴向应力值明显下降，并且差值成增加的趋势，很好地说明了灌浆卡箍对平台立管的加强作用，也同时与上述理论分析结果相对应．

3 结 论

根据海洋平台水下局部受损结构的加强和加固课题的研究目标，本文主要研究灌浆卡箍加固装置对受损管件的加固及维修效果，分别从屈曲理论分析、有限元屈曲分析及灌浆卡箍力学实验3个方面进行了分析，并且均能证明灌浆卡箍在海洋平台受损结构维修及加固方面的简便可行性，有利于大幅度提高海洋平台的安全性及可靠性．

［1］ 展旭和．膨胀式自应力灌浆卡箍长期承载性能的试验研究［D］．青岛:中国海洋大学，2012:1-3．

［2］ 崔洪宇，赵德有．基于支持向量机的导管架式海洋平台振动主动控制研究［J］．振动与冲击，2008，27(10):156-160．

［3］ 吴香国，安伟光．分布轴对称缺陷对薄壁圆柱壳屈曲可靠性影响［J］．哈尔滨工程大学学报，2009，30(6):635-638．

［4］ 王诺思．纤维缠绕增强复合管外压及组合荷载下的屈曲性能研究［D］．杭州:浙江大学，2013:34-40．

［5］ American Petroleum Institute．Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-WorkingStressDesign［R］．API RP2A-WSD．2000，356-367P．

［6］ Reed R L，Snith J K．The structural repair of a north sea platform using underwater wet welding techniques［C］．OTC 6652P．

［7］ MSL Engineering Ltd．Assessment of repair techniques for ageing or damaged structures［J］．Final Project Report，MSL Doc．，Ref．C357R001，Rev 1，2004，83-112．