海洋结构物的材料与建造Word格式文档下载.docx
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●全厚度性能;
●可焊接性;
●耐疲劳强度;
●化学成分;
●耐腐蚀性。
美国石油学会(API)、美国钢结构学会(AISC)以及挪威船级社(DNV)已经为钢材的分级及其应用的局限性编制了相关文件。
承包方不仅要对材料的采购负责,也要考虑如何将制造与安装的成本最小化,所以施工方应特别关注厚度公差、长度及可焊接性。
对于必须要对接的管构件,施工方应考虑其失圆度及管径公差。
对于管系来说,承包方应考虑管段长度公差,因为跨国管道铺设时水下铺管船上的半自动作业流程不允许管段长度随意变更。
在寒冷的气候条件下,结构物及构件中使用的钢材必须具有足够的韧性。
焊接材料也同样关键,以确保在使用中有适当的强度及延展性。
焊接金属的热处理状态和腐蚀状态必须与母材一致。
选择焊接耗材时通常需要做裂纹扩展试验或其他断裂力学试验。
结构件中使用的高强度螺栓螺母,其夏比(Charpy)V型缺口冲击韧性值必须与其他相关钢结构部件要求相匹配。
4.2.2制造与焊接
FabricationandWelding
必须编制焊接工艺,并注意钢材等级(钢号)、接头或坡口要求、厚度范围、焊接顺序、焊接耗材、焊接参数、主要焊接位置、预热温度以及焊后热处理等细节。
在墨西哥湾这样适度环境中的导管架及海洋导管架桩所使用的壁厚范围焊接通常不需要应力释放,但是通常大型甲板结构中的较厚壁部件以及北海平台中较厚壁导管架的接头(节点)焊接则需要应力释放。
焊接工艺的认可是建立在无损检测和力学试验的基础之上。
后者包括了拉伸试验、弯曲试验、夏比V型缺口冲击韧性试验以及硬度测试。
焊缝的宏观金相切片应可以展现出一个规则的剖面,平滑过渡至母材且没有严重的咬边现象或余高。
裂纹及未焊合(未熔透)是不允许的。
允许有限的气孔及夹渣。
重型焊接接头的断裂力学韧性必须再由裂纹扩展试验验证。
无损检测包括X射线(射线照相术)检测,超声波检测(UT)以及磁粉检测。
焊缝本身及热影响区的缺口韧性都必须等同于母材的要求。
焊工中断焊接工作超过6个月的需要重新评定。
所有高强度钢以及碳当量大于0.41的普通强度钢,采用手工焊接时应使用低氢焊条。
挪威船级社要求“特殊结构钢”以及所有焊缝返修使用超低氢焊条。
作者推荐所有桩基焊接时应使用低氢焊条,防止冲击断裂。
焊接耗材应该存放在20℃~30℃,密封防潮的保温筒内,但无论如何应至少高于周边环境温度5摄氏度。
开放式的仓库温度应维持在70℃~150℃之间,根据焊材的型号决定。
当焊材被取出并使用时,必须在烘箱中烘干并在2h之内使用。
因受潮、生锈、油、油脂或尘垢污染的耗材应该弃用。
施焊前焊材表面应去除氧化皮、溶渣、铁锈、油脂及油漆。
坡口表面应光滑且规则。
当材料表面潮湿时不允许施焊。
在恶劣天气的条件下,焊接工作应当采取适当的保护措施。
在封闭的空间内可以使用加热的方法将温度提高到露点之上。
焊接时坡口应保持干燥状态,潮气应通过预热去除。
施焊应至少在5摄氏度以上环境条件下进行。
焊接前必须检查装配组对情况。
同轴度差距不能超过壁厚的10%或3m。
假如对接的两端厚度不一致达3mm以上,厚的一端应打磨或机加工至斜度为1:
4的锥形或平坦(见图4.1)。
每一层焊道及最终焊缝都应该除去焊渣并彻底清理干净。
至于对耐疲劳强度要求高的焊缝,需在完成后打磨成光顺曲面。
这同时也降低了脆性断裂的可能性。
打磨或机加工至斜度为1:
4的锥形或平坦
图4.1全焊透时与薄板对接的厚板需加工为锥形
整体结构关键部件中与实际交变应力方向垂直的焊缝一般采用全焊透型,最好用双面焊。
对于交叉或相邻的部件,设计要求中未指定焊接细节的焊缝应采用全熔透坡口焊。
这个要求包括了“隐含”交叉的部分,如搭接撑柱以及穿透加强筋。
施工承包方必须注意,所有起吊板、吊耳(系缆环板)以及承受动态冲击应力的部件上的焊缝都不能与主要拉应力方向垂直。
受拉应力的焊缝比受剪切应力的焊缝更容易产生裂纹。
如果实在难以避开,则必须使用全焊透。
所有临时用板及附件必须采用与它们附着联接的构件材料同样要求的焊接工艺及测试。
假如顾虑这样似乎不太恰当或过于保守,可别忘了曾发生的亚历山大·
基尔兰德(AlexanderKielland)浮动旅馆倾覆的事件,就是由于一个次要声呐装置附件产生的疲劳裂纹后延伸至主结构构件而造成的。
当设计分析书中有适当的计算时允许使用永久性的钢质背衬垫。
这对于必须在现场出入不便的部位进行接桩焊接或其他构件焊接时特别重要。
临时性背衬垫可利用内侧成排的夹具加以固定。
不使用背衬垫的全焊透管焊缝采用单面焊方式时需要特殊的技巧。
但是必须考虑到当这些背衬垫与其他操作工序(如钻孔)有冲突时的情况。
钢板临时开孔的尺寸必须足以满足挖补(完好修复)所要求的一定尺寸。
边角必须圆滑过渡以使应力集中减到最低。
挪威船级社规定为了密封目的的角焊缝,其焊脚长度必须达到最短5mm,同样的情况是美国石油学会标准APIRP2A只要求3mm。
假如这些焊缝与遭受动态冲击的构件主要拉伸方向垂直,那么为了避免咬边,焊接时必须相当小心。
当焊缝有缺陷的时候必须通过打磨、机加工或必要时重焊等方式返修。
当焊缝的强度、延展性或缺口韧性达不到要求时,应该把先前的焊缝完全清除后返修。
假如清除缺陷焊缝时使用电弧气刨,接下来还应该打磨。
每当去除一个缺陷,刨磨部位应进行一次磁粉探伤或其它合适的检测方式以确认缺陷已被完全去除。
返修应当使用超低氢焊条并进行合适的预热。
预热温度一般比产品焊接时温度高25℃比较合适,但必须至少达到100℃。
所有的焊缝应该接受目视检查,必要时根据制造和施工规程要求进行无损检测。
所有破坏性试验应该适当记录和标识。
这是为了便于在制造与施工过程中以及建筑物完全安装之后对试验和测试过的区域进行识别追溯。
精确地切割及准备焊接坡口要求非常细心且费时,但若能多为此付出,便可降低焊接成本和保证焊缝的高质量。
数控切割及坡口准备现已被广泛运用,从而所有的交叉管道也可以适当配合。
在许多情况下可使用半自动焊接设备焊接。
由于许多海上结构物的文件化要求及政治敏感性日益重要,承包方必须花费大力气去建立能确保所有测试采取适当记录的质量保证体系。
焊机必须合理接地,以防水下腐蚀破坏。
由于焊机通常采用直流电,本该与地面形成回路的释放电流可能会发生在水下管道贯穿处或其他类似的应力集中点上造成腐蚀损伤。
必须为焊缝检验提供必要的条件,包括适当的检验通道。
APIRP2A标准第13章以及DNV规范第3部分第3章第4节都要求对焊缝进行目视检查、无损试验(NDT)及无损测试(NDE),这主要同超声波探伤(UT)及射线探伤(RT)有关。
另外也涉及一些测试,如磁粉探伤及渗透探伤。
海洋钢结构物的建造必须遵守适当的规范规定(如美国钢结构学会AISC的建筑用结构钢设计、制造和安装规范)。
APIRP2A标准最近要求管桩必须使用直缝焊管且圆周焊缝对接施工。
它还规定不推荐使用螺旋焊管。
螺旋焊管管桩被广泛应用于陆上基础建设和一些港口设施,因为可以大量节约成本。
由于其壁厚和外径有局限性,一般不在离岸结构物及深水海工项目,特别是在须用到重锤打入的情况下中使用。
然而,随着打桩控制技术及其可靠性的不断提高。
外径2.0m、壁厚28mm的螺旋焊管桩已经成功应用于中国的杭州湾大桥。
APIRP2A标准中的一些附加要求如下:
无论是轧制型钢、管道、板材还是箱形桁材都可能需要拼接。
但在悬臂梁上的拼接点应与悬臂梁支撑点相距超过悬臂梁的一半长度。
对于有一定跨度(这里指连续跨度)的横梁,不应在1/4跨度的当中、靠近支撑的1/8跨度或者在支撑上面的部位有拼接。
两根管状件或以上的X型接头制造难度特别大。
一般情况下,外径较大且壁较厚的构件应连续通过接点,而较细小的构件则仅需插入其中。
近来一些重要的大型导管架,为了使一些或全部交叉构件可以连续通过接点,其交叉节点采用特殊的制作方法。
这种情况下,交叉节点通常是在适宜的车间里单独预制。
此外,插入交叉节点的构件需采用全焊透对接。
(见图4.2和图4.3)
B构件完全通过A构件
A构件完全通过B构件
图4.2节点预制
图4.3本州(Hondo)平台的交叉接头部分,采用全穿透连接方式
同样的工艺亦相当有效地应用于导管架构件交叉节点预制。
交叉节点单独在远离现场的岸上预制后经海运至现场。
导管架主腿柱与撑柱对接焊连接。
近来铸钢模节点的使用日益增多,这样可免除繁琐的焊接细节和风险。
合适管状框架构件插入或与其他构件搭接的坡口准备和焊缝的典型细节见图4.4。
可能需要打磨焊缝的外部轮廓以提高其耐疲劳强度。
板梁,腹板与缘板(折板)的连接通常采用双面连续角缝焊。
焊缝应该有下凹的表面轮廓并且光滑过渡至缘板和腹板。
缘板与缘板扶强材的连接应采用两面全焊透连接。
加强板与腹板的连接件通常采用双面连续角缝焊。
焊接金属与热影响区缺口韧性不应低于纵桁要求的韧性最小值。
可选项封底焊缝不受检验
图4.4气体保护金属极电弧焊焊接管接点连接方式
高强度螺栓被广泛应用于临时性结构,甚至在许多情况下应用于必须在海上装配连接的永久性结构。
它们特别适合于现场连接,尤其是在有浪花飞溅或波浪引起的振动对高质量焊接造成困难的场合。
同时,使用高强度螺栓也有助于在低温条件下的装配连接。
“旋转螺母”看来是能确保合适扭矩而被应用的最为可靠的紧固方式。
为了确保大型多个螺栓连接件的紧密连接,对接板表面应预先铣平或使用垫片。
4.2.3结构钢装配
ErectionofStructuralSteel
结构构件的空间关系对离岸结构来说很重要,尤其是现场装配或需要与主要构件相配合的情况。
APIRP2A标准为最终制造工艺提供了明确的允差范围。
现场组装时,导管架和甲板分段柱体的每一层平面都很关键,各相邻柱体距中线的水平距应在设计给定尺寸的6mm之内。
柱体外侧其他平面的工作点也应使用同样的允差。
根据设计角度,角柱间的角度公差必须在1min之内。
矩形的每条对角线公差应在18mm内。
导管架柱体的排列直线公差应保持在6mm之内。
根据设计尺寸,所有导管架和甲板分段的支撑长度公差应该在设计给定尺寸的12mm之内。
根据设计位置,甲板梁和帽梁端部公差应该在12mm之内。
底部跨度大于60m、长(或高)300m以上的导管架骨架结构的装配对现场布置、检测、临时支撑和调节支撑件提出了严格的要求。
若干新建造的平台已利用隧道激光测量技术进行精确的水平面和排列直线测量。
导管架如此大的结构尺寸意味着其热变量亦很大。
从早晨至午后温度的差异很容易就能达到20℃~30℃,在结构的不同部件间亦可能达到约一半的温差,结果会造成明显的扭曲变形(约30~40mm)。
建造赛尔维扎(Cerveza)平台时,通常在早上切割构件并加工成形为冷侧加工尺寸,然后待到中午温度升高后金属间紧密配合时再焊接。
弹性挠曲也是导致节点部位的容许公差难以保持的一个原因。
对滑(道)梁和临时装配的滑道下面的基础位移必须进行仔细计算和监测。
导管架骨架通常是呈平卧放置,利用多种履带起重机对它们进行翻身(见图4.5和图4.6)。
由于作业距离远或高度的关系,有的起重机需能载负荷行驶。
协调索具和起吊作业时应注意:
1)全面的三维空间布置;
2)起重设备的基础应稳固、表面水平;
3)经过培训与实习的操作人员;
4)适合的通讯设备;
5)中央控制。
在总长1000in(约300m)的赛尔维扎平台装配过程中,导管架的两侧主骨架的吊装工作总共动用了24台起重设备。
本州平台分为两部分预制,安装时装配成整体,不过随后又可拆分为部件便于进行运输(见图4.7)。
马格纳斯(Magnus)平台的装配过程中使用了一种被称之为“烤面包架”的与众不同的工艺。
导管架单侧平卧建造,由垂直平面划分为5个组件。
每个组件由若干重量可达到1150t的构件装配合成。
在其他项目中,各“烤面包切片”(组件或构件)都是在非现场预制完工后由驳船运至岸上总装配平台,与其他相邻的组件或构件相拼接而成。
图4.5导管架骨架翻转(由壳牌勘探与生产公司提供)
图4.6导管架骨架翻转(由壳牌勘探与生产公司提供)
图4.7本州平台的两个部分装配成一个整体,然后再拆分运输和下水
由日本预制的波尔温克尔(Bullwinkle)导管架分段构件通过驳船运至德克萨斯州,然后使用塔吊进行装配,构件的吊装高度可达到460in(约140m)。
导管架骨架竖起后,最终装配所需的脚手架高高耸立(见图4.8)。
因此,施工人员的安全保障相当重要。
导管架骨架竖起吊装前应事先架设好经仔细设计的脚手架和停留点。
应准备一些附加的连接板,使随后装配的脚手架或停留点的连接保证安全可靠,还应准备足够的抗风支撑。
这些辅助材料通常是指,确保与锚定桩或导管架装配平台滑道连接的钢丝牵索和伸缩螺杆。
通信问题可以通过无线电语音系统来解决。
工具和补给品应该事先打包成一个单件。
电缆布线时应注意避免妨碍现场其它作业,还要避开被尖利突出物磨损的可能性。
图4.8尤里卡(Eureka)平台的建造
在浅水专用导管架的高度与平面图尺寸的要求相同或短一些的情况时,通常采用与导管架最终装配方式相同的垂直装配方式。
假如重量在起重机的吊装载荷能力范围内,这类导管架将直接吊至驳船,否则使用滑道牵引。
后面一种情况时,必须在导管架圆柱下准备足够的临时衬垫和支撑以利于滑行(移动)荷载分布。
在深水专用导管架的高度大大高出平面图尺寸的情况下,通常使用侧卧装配方式。
这类导管架将使用滑道牵引方式装载上驳船。
另外还有一种适用于巨型导管架的自浮式导管架,这种方式的导管架是在干船坞(早期的修船坞)内建造,与一般造船厂的胎架分段建造方式相似。
卸载的操作方式将在第11章中具体描述。
大直径管桩是由轧制钢板管段(罐体)制造而成的。
管段(罐体)的长度应该等于或大于1.5m(5in)。
两个相邻罐体的纵缝至少应相隔90度,管段要笔直,每3m长管段的直线度允差应小于3mm,或者每12m长管段的允差应在12mm以内或更小。
失圆度是管段的常见问题。
对接的管段(罐体)必须经过转动和/或选择适合焊接的配合。
相邻管段的外径及失圆度允差必须满足美国石油协会(API)规范2B部分(结构钢管制造规范)的要求。
作为一个常识,内圆周偏差应该控制在薄壁壁厚的15%之内。
对于相接两管段壁厚不同的情况,假如较厚管壁比较薄管壁厚度厚3mm以上,那么较厚一端应按图4.1所示打磨为锥形。
管桩和裙桩或导管架腿柱内壁,在通过灌浆结合之前,必须去除其钢质表面上的铁屑或清漆。
在制造过程中会预先安装些机械力传递附装件,例如焊珠或抗剪环,以增强水泥灰浆与剪切面的有效结合。
4.2.4涂层与钢结构的腐蚀防护
CoatingsandCorrosionProtectionofSteelStructures
钢材会遇到各种各样的腐蚀情况,如大气腐蚀、飞溅区腐蚀、裂缝腐蚀等。
最近,许多应用在海水中的钢结构遭受到因好氧菌与厌氧菌互交产生的微生物引起的侵蚀。
使用在海水中的无涂层钢材,其典型的飞溅区的腐蚀率一般在每年0.15mm左右;
浸没区域则为每年0.07mm左右,除此之外,在夹带淤泥砂或其他磨蚀性沉积物的低温且快速涨潮的冲刷情况下最多可达每年0.3mm。
在其他关于海水中在使用的无涂层钢材的研究中,其腐蚀率约为每年0.127mm。
淡水中的腐蚀率约为海水中的一半。
钢构件应当尽可能在车间内,按要求在适当湿度及对极端气侯有所防护的条件下,完成涂装。
当然,构件接头端表面必须在涂装前包覆以预留出焊接段。
接头端的现场涂漆和补车间底漆,只有在接头端表面干燥且温度适宜的时侯才可进行。
在有些地区,需提供便携式帐篷或其它一些保护措施。
可能需要一些加热器或除湿机。
涂层能将开始腐蚀的时间延迟约10~20年。
通常情况下,钢板桩在承受2in以上高位潮汐冲刷时的腐蚀率最大。
然而,假如板桩由混凝土墙覆盖至1.0m平均低低潮位(MLLW),则其腐蚀率最高值发生在低于1m平均低低潮位。
板桩应该涂敷防锈漆,或者预留钢板厚度的腐蚀裕量。
钢板桩锁口通常不涂漆而是依靠消耗钢材的防蚀方式。
根据指定要求进行彻底的表面处理是相当重要的。
海洋环境会使在潮湿、氧化皮或生锈的钢材表面上的任何涂层性能快速降低或产生剥落。
晨露对处理良好的表面也会起到快速的破坏作用。
挪威船级社规范关于涂装的要求条款包括:
1)涂装车间工作环境和设施条件的一般描述;
2)表面处理的方法和设备;
3)温度范围和相对湿度;
4)应用的涂装方法;
5)表面处理与首次涂层之间的间隔时间;
6)最小及最大的单涂层干膜厚度;
7)涂层层数及最小总干膜厚度;
8)相关干燥特性;
9)破损涂层的修补工艺;
10)检验方法——例如,粘着力试验和漏涂点检查。
表面处理以及涂层作业应当在表面温度大于3℃,即超过露点,或者空气的相对湿度低于涂料生产商建议限值的时侯进行。
涂层通常应用于钢材的飞溅区、暴露于大气环境的区域以及接触海水的内部空间。
在内部永久充满海水的封闭情况下,一般会在封闭前将缓腐蚀剂加入水中。
最有效的涂料为有机富锌处理涂层:
一般在温带选用聚氨酯乙烯基树脂涂料(vinylmasticonurethane),在北极区及亚北极区则选用富锌、硅酸锌及酚醛富锌底漆。
美国陆军工程兵团最近在西维吉尼亚一个闸门工程提供的防腐技术是先进行喷丸处理,然后喷涂单层富锌底漆厚度为0.625~0.1mm,最后涂两层0.175mm厚的侵入式乙烯基富锌涂层。
在水下飞溅区内使用的涂料为CopoxyShop底漆,之后涂环氧面漆至1.0mm。
牺牲阳极或外加电流阴极保护防腐方法一般用于保护在水下使用的钢材。
阳极必须根据使用说明书谨慎地安装,确保其在运输、下水、安装、打桩、使用过程中不会脱落。
保证牺牲阳极和钢结构之间具有足够的电气连接是最根本的要求(见图4.9)。
外加电流阴极保护被认为更为有效是因为它不太可能被屏蔽,但是它需要不间断的监控及调节。
当压缩电流需频繁断开时,例如海洋平台上举行足球比赛的日子,将会加速腐蚀情况。
禁止在封闭空间或水流受限的情况外加电流,因为可能会引起释氢现象。
牺牲阳极在水中以直线形式释放离子。
在板桩的暴露面还是背阳安装效果是完全不同的。
为了减少阴极保护的要求,水下使用的构件亦可采用涂层保护,但所采用的涂层应能足以抵御阴极剥离。
锌基或铝基合金适用于热喷涂。
钛复合钢管桩曾使用在日本跨东京湾大桥上(见图4.10)。
在浪花飞溅区还可能会提供其他的保护,如使用蒙乃尔缠绕、铜镍、奥氏体不锈钢或碳钢板缠绕,或者简单一点的防腐蚀方法是直接允许增加钢材的厚度。
每年允许0.1~0.3mm的腐蚀,水中含有淤泥砂或冰渣的地方这个数值会更高一些,因为用来防止腐蚀的物质会被水冲走,还可能因暴露出新的表面遭受冲刷破坏。
这种情况比较严重的地方如阿拉伯湾。
最近日本开始使用一种预涂钢管。
聚乙烯涂料开始在钢管制造厂里使用。
喷涂致密聚亚安酯涂料、致密环氧树脂以及富锌环氧树脂等涂料在管道与结构钢方面的应用正在不断发展。
这些涂料不仅有优良的防腐蚀性能,而且还具有良好的耐磨性。
图4.9本州平台支撑柱间安装的牺牲阳电极
图4.10结构轻质混凝土,北冰洋混凝土岛钻井系统(CIDS)平台
4.2.5高性能钢
HighPerformanceSteels
高性能钢材料屈服强度为500~700MPa,且可以适度延伸。
使用时必须小心,特别应当考虑到扭曲和振动的情况。
这种钢材还具有高耐断裂韧度。
根据美国材料与试验协会标准ASTMA-690,其飞溅区的抗腐蚀能力可以达到其他材料的两到三倍。
4.3结构混凝土
StructuralConcrete
4.3.1概述
General
预应力钢筋混凝土已经在超过25个大型海洋平台上应用,这些平台大多位于北海。
混凝土适用于重力基座沉箱式结构物,特别适宜大型油田开发和离岸储存结构物的建造。
最近一个被设计为能够抵御冰山撞击或北大西洋风暴冲击波的大型混凝土平台在纽芬兰沿岸附近建成。
较小的采油平台已在澳大利亚和巴西建立。
结构混凝土也被用于北冰洋南部的阿拉斯加州和加拿大,作为一种可移动的勘探钻井结构物。
有两座混凝土漂浮平台位于北海的北部。
较小的混凝土沉箱已被用于100多个水上桥梁桥墩,在四面环水的丹麦还用作为海洋风力发电机的基座。
混凝土沉箱广泛应用在防波堤、海堤、装载中转码头以及船舶的停靠泊码头等。
印度尼西亚和非洲西部还有在使用的大型混凝土驳船。
混凝土浇注结构钢常用作为混合结构及复合结构。
水泥灌浆常用于钢质平台导管架与管桩和裙座的连接。
结构混凝土本身是一种复合材料,由骨料与水泥砂浆基体、增强剂和预应力钢组成。
结构混凝土的使用必须符合最佳实践的混凝土建筑物施工规程和桥梁与海洋结构物混凝土施工推荐规程。
此外,就钢质离岸结构物而言,由于其所处的恶劣使用环境和特殊的荷载组合及操作要求,故有必要补充关于海洋和离岸混凝土结构物推荐操作规程通用文件。
引言及参考书目中会列出所使用的主要推荐操作规程。
涉及施工的引用条文会收录在附录中。
结构混凝土无论是作为一个整体还是一个独立构件都必须设计为可在有效组合状态下共同作用的形式。
结构混凝土需要长时间暴露在海水和空气中。
确保其在最低水平维护条件下可以长期使用的关键在于设计和建造时的质量保证(见图4.10)。
由于飞溅区一直处在潮湿、干燥、热冷交替的环境条件,因此它是最容易受到海水侵蚀的区域。
然而,浸没在水中的区域则风险较低,泥线下区域基本无风险,但排干的除外。
处于大气中的区域及飞溅区的钢筋特别容易受氯化物及二氧化碳腐蚀。
4.3.2混凝土拌合料和性能
ConcreteMixesandProperties
现代海上结构施工对混凝土性能的要求较为复杂、严格,且某些要求偶尔可能会相互矛盾,因此总需要找到一个最理想的解决方案。
抗压强度历来