5灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及研究报告

1、合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及目 录第 1 章 绪论11.1 综述11.2 水泥浆在灌浆卡箍中的重要性11.3 灌浆连接简介1第 2 章 水泥浆类型选择及成分配比32.1 普通硅酸盐水泥配比选型32.2 高铝水泥配比选型42.3 膨胀硅酸盐水泥配比选型4第 3 章 水泥浆膨胀分析63.1 水泥浆膨胀分析63.2 水泥浆膨胀滑动应力分析73.3 膨胀影响滑动承载力效果分析8第 4 章 灌浆卡箍有限元分析 ··········

2、;··············114.1 静力学分析·····························4.1.1 立管静力学分析 ··

3、3;······················4.1.2 K 管静力学分析 ·························4

4、.2 破损管道加固前后有限元分析·····················4.2.1 破损管道有限元分析 ·······················4.2.

5、2 灌浆卡箍加固后破损管道有限元分析 ················4.3 灌浆卡箍有限元分析·························4.3.1 直管灌浆后有限元分析 ·

6、;·····················1111121313151717II合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及4.3.2 K 管灌浆后有限元分析 ··············

7、········4.4 结论································1920第 5 章 灌浆卡箍力学实验及结果分析 ·····

8、···············215.1 灌浆卡箍灌浆实验··························5.1.1 水泥浆凝固实验 ····&#

9、183;····················5.1.2 直管卡箍灌浆实验 ························5.1.3K 管卡箍灌浆实验 &#

10、183;·······················5.2 直管灌浆卡箍力学实验························

11、5.2.1 应变片相关注意事项 ·······················5.2.2 直芯管力学实验 ······················

12、···5.2.3 直管卡箍力学实验 ························5.2.4 直管卡箍极限载荷破坏试验 ·················&#

13、183;··5.3K 管灌浆卡箍力学实验 ························5.3.1K 字芯管力学实验 ··················&#

14、183;·····5.3.2 K 管卡箍力学实验 ························5.4 灌浆卡箍实验总结···············

15、3;··········21212324252526293031313234第 6 章总结·······························35III合同编号：YB12ZF002

16、2灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及第 1 章 绪论1.1 综述中国已经在渤海湾、东海等水域建立了众多采油钢结构平台，随着时间的推移，其钢结构部件都会存在不同程度的损伤。这些损伤大多是由于生产过程中由于船只、海水冲击而造成的构件弯折和局部凹陷或者是由于海洋侵蚀而引起的腐蚀疲劳裂纹等。随着海洋油气开发技术的发展，海洋平台结构的形式和功能日趋复杂。随着海洋油气开发技术的发展，海洋平台结构的形式和功能日趋复杂。由于海上生产安全和运行保护要求的增强，现代海洋的质量和越来越受到重视。海洋平台结构体积庞大、构造复杂、造价昂贵，对于它的维护是必不可少的。1.2 水泥

17、浆在灌浆卡箍中的重要性目前，在海洋工程中，常见的桩基固定式导管架分为灌浆及不灌浆两种。对于灌浆导管架来说，其灌浆的主要作用就是利用水泥浆将桩与导管架腿之间的环形空间体，把平台荷载传递给钢桩，起到了增强结构强度的作用，同时可以更好的抵御外部环境荷载。由于平台导管架腿与钢桩中间是靠水泥浆固结后形成的水泥连接，因此水泥浆的很多因素都会对未来整个平台的受力情况产生影响。灌浆卡箍加固装置中灌浆水泥浆成分配比与加固效果效果因此灌浆卡箍内部的泥浆关，水泥浆的水化反应速度关系到卡箍加固后的增强效果，。1.3 灌浆连接简介灌浆连接是在两个同心或者近似同心的管构件之间注入水泥材料，并且在里面安置轴和水泥固结，在它

18、们之间存在环形腔。连接的外筒由连续部分或是不连续部分形成，它可以安置于管道内部的两个或者的扇形柱面。区分两种形式的灌浆连接，前者为连续的套筒，后者是式套筒的灌浆连接，见图 1.1 所示。灌浆连接的强度来自于粘接和摩擦的结合，再加上来自于管道内几何缺陷产生的机 械互锁。在灌浆/钢接触面通过提供机械剪力连接器，可能从本质上增强灌浆连接的强度。哈尔滨工程大学第 1 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及分离套筒套筒连接连接灌浆环灌浆环撑（也被称作桩）撑（a）连续套筒式的灌浆连接(b)分离套筒式的灌浆连接图 1.1 灌

19、浆卡箍连接的形式哈尔滨工程大学第 2 页 共35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及第 2 章 水泥浆类型选择及成分配比2.1 普通硅酸盐水泥配比选型灌浆卡箍应用过程中，水泥浆与钢制导管件及卡箍本体之间的粘结和连接是传递载荷的主要方式。因此灌浆卡箍的强度主要取决于灌浆水泥浆的性质。由于灌浆施工过程中的天气情况不可预知，因此必须缩短灌浆工期，以减少灌浆过程中承受的不必要的风浪载荷，减少外界因素对灌浆加固强度的影响。由于水泥浆的强度与灌浆卡箍加固的强度以下三种水泥浆：1） 普通硅酸盐水泥浆；2） 高铝水泥浆；3） 膨胀硅酸盐

20、水泥浆：紧密，因此在选择水泥浆时通常选用同时在水泥浆中使用添加剂来增强水泥浆的工作强度，减小其密度，达到节约水泥的效果。普通硅酸盐水泥水化反应速度块，早期及后期强度都很高，同时其抗冻性好，适合水下工作环境及灌浆成型速度快的要求。普通硅酸盐水泥水化后含有较多的氢氧化钙， 大大降低了碳化时水泥的碱度，可以对管道提供有效的保护作用。但同时含有水化铝酸钙，因此其耐化学腐蚀性及耐软水性较差，在使用时需要添加适量的抗腐蚀性添加剂。普通硅酸盐水泥各强度等级及各龄期强度值如表 2.1 所示。表中可以对比看出 32.5， 32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R 六种不同强度普通硅酸盐水泥在 3d

21、 及 28d 两种龄期的抗压强度及抗折强度。表 2.1 普通硅酸盐水泥不同强度等级下不同龄期的强度值（MPa）哈尔滨工程大学第 3 页 共 35 页强度等级抗压强度抗折强度3d28d3d28d32.511.032.52.55.532.5R16.032.53.55.542.516.042.53.56.542.5R21.042.54.06.552.522.052.54.07.052.5R26.052.55.07.0合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及2.2 高铝水泥配比选型高铝水泥属于水硬性水泥，其主要矿物组成是铝酸钙。与水反应

22、后产物因发生晶型转变易使强度降低，因此很少单独使用于结构工程。但考虑到高铝水泥具有早，可以有效缩短施工周期，即所谓的“一天混凝土”。因此高铝水泥经常与其他水泥配合使用。高铝水泥性能如表 2.2 所示。表 2.2 高铝水泥性能2.3 膨胀硅酸盐水泥配比选型膨胀硅酸盐水泥是由高标号硅酸盐水泥、膨胀剂等经科学配制而成的。具有强度高、微膨胀等特点。主要用于物、构筑物的防水防渗和补偿收缩以及修补堵漏、灌浆、混凝土浇缝、伸缩缝等。灌浆过程中需要在水泥浆中添加一定量的膨胀剂i，膨胀剂分别采用 FEA100 及UEA-H、SCS-3 三种不同型号的膨胀剂，其主要膨胀剂性能如表 2.3 所示。表 2.3 膨胀剂

23、的类型及特点灌浆水泥浆的水泥、粉煤灰、膨胀剂及水用量配合比ii如表2.4 所示。水泥采用PO42.5哈尔滨工程大学第 4 页 共 35 页编号膨胀剂类型膨胀源特点应用场合1FEA100钙矾石、氧化钙膨胀大、干缩小、条件宽松自应力混凝土、高强无收缩灌浆材料、混凝土等2UEA-H钙矾石抗裂、防渗、减水、增强物、大型框架结构、高性能混凝土、混凝土3SCS-3熟地开石、高磷粉抗裂、防渗、保塑性强、和易性好刚性防水屋面、超长超宽结构无缝施工、物组成以铝酸钙为主，氧化铝含量约 50%的熟料、磨细制成的水硬性胶凝材料应用主要用于配置不定形耐火材料、配置石膏矾土膨胀水泥、自应力水泥等特殊用途的 水泥，以及抢建

24、、抢修、抗硫酸盐侵蚀和冬季施工等质量指标化学成分二氧化硅熟料中二氧化硅含量（质量分数）10%氧化铁熟料中三氧化铁含量（质量分数）3%物理指标细度0.080mm 方孔筛，筛余量不大于 10%凝结时间初凝不早于 40min，终凝不迟于 10h水泥标号抗压强度MPa抗折强度MPa1 天3 天1 天3 天42535.041.63.94.452545.051.54.95.462554.961.35.96.472564.771.16.97.4合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及水泥，在水泥浆中加入定量的粉煤灰以提高水泥浆的水硬性。考虑到

25、水泥浆凝固后要提供破损卡箍之间的良好的粘结性，与力学传递性，如果选取 1、3 两种膨胀剂，则水灰比选取 0.45，考虑到第 2 种膨胀剂制作过程中已经添加了一成的减水剂，在正常的成分配比时需要适当减少水泥浆的水灰比到 0.33。掺加的膨胀剂剂量为 8%15%。表 2.4 水泥浆成分表淡水水泥浆配制性能指标参数一览表按干水泥 100kg，密度3.15 g/cm3 计算哈尔滨工程大学第 5 页 共 35 页水泥浆密度（g/cm3）干水泥用量（kg）清水用量（L）水泥浆配制量（L）1.710065.7697.571.7110064.3996.21.7210063.0594.861.7310061.7

26、593.561.7410060.4992.31.7510059.2691.071.7610058.0689.871.7710056.988.71.7810055.7687.561.7910054.6586.461.810053.5785.381.8110052.5284.321.8210051.9183.291.8310050.4982.291.8410049.5181.311.8510048.5580.351.8610047.6279.421.8710046.7178.511.8810045.5277.611.8910044.9476.741.910044.0975.89合同编号：YB12Z

27、F0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及第 3 章 水泥浆膨胀分析分析3.1 水泥浆膨胀由于水泥浆的配比与水泥浆水化后卡箍的加固效果关系密切，因此需要通过实验对水泥浆水化后产生的膨胀进算。进行实验的试件采用f 1084.5mm 的管道模拟受损管道，灌浆卡箍为f 1654.5mm，据此可以推算出灌浆完成后灌浆水泥浆的厚度为24mm。为了保证灌浆质量，将进浆口设置于卡箍底部，将出浆口设置于卡箍顶部。两瓣卡箍由 12 个M10 的双头螺栓，实验卡箍如图 3.1 所示。图 3.1 实验卡箍结构示意图根据灌浆水泥浆水化时间通常为 28 天，因此将试件灌浆后至

28、于水中养护 28 天。实验养护完成后测量卡箍螺栓的长度，同时测量卡箍的滑动承载力，方便计算卡箍的滑动应力。然后根据实验之前测量的卡箍螺栓正常状态下的长度，计算螺栓承受的拉力，根据拉力推算卡箍内水泥浆的膨胀。通过测量获得的卡箍螺栓长度的变化推算水泥浆水化后产生的膨胀，进而获得受损管道受到的。计算公式如下：(3-1)其中：E 为钢的弹性模量；A 为卡箍螺栓截面积；为卡箍螺栓实验前后的长度变化。根据受力平衡的原理，推导出卡箍与灌浆水泥浆水化形成的灌浆环之间的的P0计算公式：哈尔滨工程大学第 6 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力

29、学性能试验报告及(3-2)其中：N 为卡箍螺栓个数；R0 为灌浆水泥浆水化形成的灌浆环外圆半径；L 为卡箍与灌浆水泥浆水化形成的灌浆环接触长度。此处我们假设是在灌浆环外表面均匀存在的。对灌浆环与受损管道受力进行分解，如图 3.2 所示建立灌浆环与受损管道的等效应变关系公式（3-3）。由此计算受损管道与灌浆水泥浆水化形成的灌浆环之间的P：(3-3)其中：，。钢材弹性模量GPa；泊松比；由棱柱实验实测得掺杂FEA 的水泥浆的弹性模量GPa；泊松比。将数据带入公式（2-3）计算整理可得P 与关系式：(3-4)可见水泥浆水化后传递效率系数为 0.98。图 3.2 灌浆环与受损内管分布3.2 水泥浆膨胀

30、滑动应力分析假定滑动应力均匀分布于水泥浆水化后形成的灌浆环与受损管道的接触面上。实验测的卡箍试件极限承载能，卡箍加固后的滑动应力计算公式：Fs(3-5)P =s2p RS哈尔滨工程大学第 7 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及其中：是受损管道或节点与水泥浆接触面长。3.3 膨胀影响滑动承载力效果分析MSL 公司根据对灌浆卡箍加固承载能力分析实验总结出一套的设计公式：与滑动应力关系= ( 0.95)1 - 0.131 + 12 T DSf+saSFSFD(3-6)bf其中： C 和C' 分别对应粘结表

31、面条件系数和摩擦表面条件系数。对于钢结构界面系数ssC =0.6和C'=1.0； SF 是粘结安全系数。面对以及操作两种不同的载荷，系数分以及操作两种不同的载荷，系数分别sbs别选取 4.5 及 6.0； SFf 是摩擦安全系数，面对选取1.7 和2.25； T 是受损管道厚度。Elnashai 等通过灌浆卡箍加固实验数据对比分析研究，总结出的一套关于滑动应力和膨胀之间的经验公式：f 0.5f= 9KC CC（3-7）bucg l s cu在（3-7）中： fbuc 为滑动应力， 数；Cl 代表长度与直径之比，为压强度。为 MPa； K 为材料径向刚度系数； Cg 为预应力系，C 为表

32、面状况系数，取0.6 ； fcu 为灌浆材料的抗s分析膨胀剂制造的膨胀与膨胀剂用量之间的关系，由表 3.1 可知，FEA 和 UEA-H 两种膨胀与用量成正比。而 CSC-3 膨胀剂制造的膨胀与用量无关，同等剂量下，FEA 膨胀剂制造的膨胀效果最好，其效率为其他二者的两倍左右。表 3.1 不同类型膨胀剂掺量对应膨胀分析表 3.2 可知，滑动应力与膨胀剂用量之间的关系，FEA 膨胀剂产生的滑动应力与用量成正比。UEA-H 膨胀剂产生的滑动应力与用量成反比。而 CSC-3 膨胀剂在用量低于 12%时，滑动应力与用量成正比；用量超过 12%后滑动应力与用量成反比。表 3.2 不同类型膨胀剂掺量对应滑

33、动应力分析膨胀与滑动应力的关系，如表 3.3 所示。掺加FEA 膨胀剂的卡箍试件在各哈尔滨工程大学第 8 页 共 35 页膨胀剂类型EFAUEA-HCSC-3膨胀剂掺量/%810121581012158101215滑动应力/MPa1.21.51.652.31.41.330.80.691.01.181.430.55膨胀剂类型EFAUEA-HCSC-3膨胀剂掺量/%810121581012158101215膨胀/MPa1.31.321.51.70.470.50.590.720.480.50.450.49合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能

34、试验报告及种不同剂量的情况下的滑动应力都远远高于没有掺加膨胀剂的卡箍试件所产生的滑动应力。同时可以看出 FEA 膨胀剂作用下的卡箍滑动应力与膨胀剂掺量以及的大小均成正比。掺加 UEA-H 膨胀剂的卡箍滑动应力与膨胀成反比且其作用效果还不如无膨胀剂的卡箍试件产生的滑动应力，由此可见该膨胀剂可能导致灌浆水泥浆与受损管道接触面的粘结强度，致使卡箍滑动应力降低。掺加CSC-3 膨胀剂的卡箍在其用量为达到 12%时，产生的滑动应力与膨胀剂的掺量成正比；而当用量超过 12%后，滑动应力效果大大降低。由此可见 CSC-3 膨胀剂在使用时 12%的用量为转折点，其用量不能超过 12%，否则效果将大大降低。表

35、3.3 膨胀与滑动应力的关系结合上面的分析结果不难看出，FEA 膨胀剂产生的膨胀以及滑动应力均与其掺量成正比；对比 UEA-H 与 SCS-3 两种膨胀剂，等量膨胀剂产生的膨胀高于二者。同时可见其有效提升了灌浆水泥浆与待加固工件之间的膨胀，且其提供的滑动应力可以满足灌浆卡箍工作的设计要求，由此确定选用 FEA 膨胀剂，可以满足水下导管架加固的要求，满足项目需求。通过分析表 3.3，结合经验公式可以看出，FEA 膨胀剂的卡箍试件所获得的滑动应力值超出理论计算获得的滑动应力，且当膨胀超过 1.6MPa 时效果更为明显。其主要是该膨胀剂选取膨胀源较为合理，生产工艺选取不同从而产生的性能提升。因此，对

36、于该膨胀剂需要总结新的经验公式以满足设计需求。通过对 MSL 经验公式以及Elnashai 经验公式分析，归纳总结，结合 FEA 膨胀剂的性能参数总结FEA 膨胀剂的膨胀与滑动应力关系的经验公式：f=10KCC f 0.5 + mCP ，0MPa<P<2.5MPa(3-8)sal s cup其中： fsa 是卡箍滑动应力，为 MPa； K 是材料径向刚度系数； Cl 是材料的长度与直径之比； C 表示接触表面状况系数，固定值取 0.6； fcu 是使用灌浆液的抗压强度为s36.4MPa;m是灌浆水泥浆水化后形成的灌浆环与受损管道接触面的摩擦系数为 0.33；，为 MPa； Cp是膨

37、胀P 是灌浆水泥浆水化后产生的径向增强系数：PC = 0.604+ 0.61(3-9)pP10其中P10 中的角标 10 表示膨胀剂掺量百分比，此时的膨胀为1.285 MPa。哈尔滨工程大学第 9 页 共 35 页膨胀剂类型EFAUEA-HCSC-3膨胀/MPa0.51.01.52.00.51.01.52.00.51.01.52.0滑动应力/MPa1.231.351.652.11.20.70.650.51.411.180.730.55合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及该公式总结时结合了 MSL 经验公式中用粘结力与摩擦力的

38、合力表示滑动承载应力的方法，同时汲取了 Elnashai 经验公式中对 K 、Cl 的定义。但考虑到膨胀提高给予的滑动应力的提升，设计了一个补偿系数Cp，即膨胀效果更高的吻合度。增强系数，以达到公式与实际1 DDD（3-10）K =()g + () p + ()s -1-1m ttt其中：m是破损灌浆水泥浆弹性模量比其值为 12.73；D 材料外径；t 为材料厚度；不同的三个下标 g、p、s 表示灌浆水泥浆，破损内管，卡箍外壳三种不同材质的相应系数。æ S öSç D ÷Cl = () + qènø(3-11)D其中：n、q 是校核系

39、数，分别是-3.51和0.936 。哈尔滨工程大学第 10 页 共35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及第 4 章 灌浆卡箍有限元分析4.1 静力学分析4.1.1 立管静力学分析在solidwork 根据实际后的直管工件进行建模107mm、壁厚 4.5mm、290mm长，材料根据实际，所以选用冷轧钢板。如图 4.1 所示。图 4.1 直管三维模型图 4.2 直管静力学在solidworks simulation 中进行有限元分析。solidworks simulation 中选取静力分析。选取底面完全固定，上表面施加不

40、同的大小的均布载荷，从 10 吨开始直至出现明显屈服，图 4.2 描述过程，结果如表 4.1 所示。表 4.1 直管solidworks simulation 有限元分析结果哈尔滨工程大学第 11 页 共 35 页实验次数施加（吨）中点应变中点轴向应力（mp）110336.268.933215502.9103.102317571.9117.244418603.7123.766519638.1130.826620669.6137.271721705.8144.705822738.3151.366合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报

41、告及根据表 4.1 直管solidworks simulation 有限元分析结果绘制出直管中心点应力随正压力变化的曲线如下图 4.3 所示。图 4.3 应力随正变化的曲线4.1.2 K 管静力学分析K 管实际为焊接而成，它的薄弱环节在 K 字中间的焊道，但是实验时无法将应变片贴在最薄弱处，所以做K 管有限元分析主要是为实验提供一个值进行参考。solidwork 根据实际后的直管工件进行建模，弦管133mm，撑管107mm、弦管壁厚 4.5mm、撑管壁厚 6.5mm、撑管长 290mm、弦管长 290mm，材料根据实际时所用冷轧钢板。如图 4.4 所示。哈尔滨工程大学第 12 页 共 35 页

42、923770.0157.8541024809.1165.8721127907.5186.05612301006.7206.37813331108.6227.26414361207.4247.51915391311.5268.8716421418.6290.82417451506.0308.73918481609.2329.897合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及图 4.4 K 管三维模型图 4.5 K 管静力学solidworks simulation 中选取静力分析，然后选取一支撑管底面完全固定，另一支撑管上表面施加不同

43、的大小的均布载荷，从 5KN 开始直至超过屈服极限 2 倍约为 450MP时停止，图 4.5 描述过程，结果如表 4.2 所示。表 4.2 K 管 solidworks simulation 有限元分析结果根据结果可以看出在 4.5 吨屈服强度的 2 倍，所以根据本次时，其最薄弱环节应力达到 448.3MP 以接近其可以拟定K 管实验时的最高不得超过 4.5 吨。4.2 破损管道加固前后有限元分析4.2.1 破损管道有限元分析根据实际，使用Solidworks 软件简历破损的508 管道的三维模型，化处理后导入Ansys Workbench 软件。由于工件结构并不复杂，传统的四面体网格划分完全

44、可以满足计算需要，网格选定 15mm,网格划分结果如图 4.6 所示。哈尔滨工程大学第 13 页 共 35 页实验次数施加（吨）最大应力值(MP)10.549.82199.631.5149.442199.252.5249.163298.873.5348.784398.494.5448.3合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及约束条件与载荷施加如图 4.7 所示，将破损管道底端与地面固结，在顶端施加固定载荷 200MPa.图 4.6 网格划分图 4.7 边界条件有限元分析结果如图 4.84.11 所示，图 4.8 表明整个管道受

45、压的形变主要出现在平台接触的顶端，在受损面也产生较大的形变位移达到 1.16mm,图 4.9 与图 4.10 分别显示沿X 轴方向与 Y 周方向产生的位移，可见在破损处发生 X 周方向最大位移（即发生鼓胀）为 0.38mm 沿Y 轴方向的最大位移发生在施力点为 2.18mm,图 4.11 为应变图，表明应力最大的点出现在破损位置，应力打到 779MPa,超过了屈服强度极限 620MPa,此处发生塑性形变，易发生断裂，因此可见破损位置的应变大且应力集中，应为重点位置。图 4.8 整体应变图图 4.9 X 轴向应变图哈尔滨工程大学第 14 页共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实

46、验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及图 4.10 Y 轴向应变图图 4.11 应力分布图4.2.2 灌浆卡箍加固后破损管道有限元分析使用Solidworks 软件简历破损的508 管道的三维模型，灌浆水泥浆模型，卡箍模型，装配后化处理导入Ansys Workbench 软件。为了更好的模拟计算结果，破损管道选择合金钢材质，灌浆水泥浆选择 Workbench 内置的混凝土材质，卡箍模型选择不锈钢材质。由于工件结构并不复杂，传统的四面体网格划分完全可以满足计算需要，网格选定 15mm,网格划分结果如图 4.12 所示。图 4.12 网格划分由于灌浆卡箍作用时需要施加预紧力

47、，因此在卡箍的 6 组螺栓处分别施加施加6 组载荷各为 4000N,由于预紧力分析时载荷加载需要分两步施加，因此第一G 处的与地面固结的约束，以及 AF 的螺栓预紧力，分析得到单独施加预紧力的结果，哈尔滨工程大学第 15 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及以及锁定 6 组预紧力产生的效果，然后在荷，效果如图 4.13 所示。平台接触的上表面施加 2MPa 的载图 4.13 边界条件有限元分析结果如图 4.14、图 4.15 所示，图 4.14 表明整个组件受压的形变主要出现在平台接触的顶端，在受损面也产生的

48、形变位移达到 0.89mm 较之 1.16mm 相比，获得了比较大的提升，对比沿X 轴方向与 Y 轴方向产生的位移，可见在破损处发生X 轴方向最大位移（即发生鼓胀）变为0.026mm 沿Y 轴方向的最大位移发生在施力点为 1.65mm, 对比未加卡箍作用前产生较大的提升，尤其是在 X 轴方向上缩小一个数量级的位移，有较大作用。图 4.15 为应变图，在未加卡箍前应力最大的破损点现在只有153MPa<<779MPa,可见卡箍对于应力集中点的保护起到了很大的作用，综上所述，灌浆卡箍在对破损管道，尤其是发生大范围形变点，应力集中点的保护方面起到很大的作用。图 4.14 带卡箍整体应变图图

49、 4.15 带卡箍应力分布图哈尔滨工程大学第 16 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及4.3 灌浆卡箍有限元分析4.3.1 直管灌浆后有限元分析根据实际，使用Solidworks 软件简历破损的107 管道的三维模型。根据卡箍图纸可以算出灌浆层厚度为 25mm，长度为 215mm，与107 管道转配在一起倒入solidworks simulation 中进行分析。图 4.15带卡箍直管载荷分布图 4.16 灌浆箍紧直管载荷分布如图 4.16 所示，直管选用冷轧钢材料，泥浆选取混凝土材料，泥浆与直管采用部件摩

50、擦连接，摩擦系数为 0.6。根据 4.2.2 可以估算出泥浆所受压强为 2MP，直管低端完全固定，上端施加正。结果需要跟 4.1.1 进行对比，所以从 10 吨到 45 吨，结哈尔滨工程大学第 17 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及果对比见图 4.16 表 4.3。表 4.3 灌浆箍紧直管solidworks simulation 有限元分析结果比对根据表 4.3 直管 solidworks simulation 有限元分析结果绘制出直管灌浆箍紧solidworkssimulation 有限元应力随正变化

51、，跟图 4.3 进行比较形成图 4.17。图 4.17 灌浆箍紧直管与直管中心应力对比图哈尔滨工程大学第 18 页 共 35 页实验次数施加（吨）灌浆箍紧直管中点轴向应力（mp）直管中点轴向应力（mp）11053.868.93321572.1103.10231785.8117.24441891.9123.76651996.4130.82662099.3137.271721109.8144.705822119.3151.366923122.9157.8541024126.8165.8721127144.3186.0561230159.9206.3781333179.5227.2641436196

52、.8247.5191539215.1268.871642234.4290.8241745253.1308.7391848269.8329.897合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及由图 4.17 可以看出直管被泥浆箍紧后，相同正下降，很好地说明了灌浆卡箍对平台立管的加强作用。下直管中心的轴向应力值明显4.3.2 K 管灌浆后有限元分析图 4.18 带卡箍整K 管图 4.19 带卡箍K 管solidwork 根据实际后的直管工件进行建模，弦管133mm，撑管107mm、弦管壁厚 4.5mm、撑管壁厚 6.5mm、撑管长 290

53、mm、弦管长 290mm，材料根据实际时所用冷轧钢板。K 管外的水泥浆厚度为 12mm，其材料选用混凝土，模型如图 4.18 所示。根据 4.2.2 可以估算出泥浆所受压强为 2MP，撑管一端完全固定，另一端面施加正，水泥与之间采用摩擦连接，摩擦系数为 0.6。结果见表 4.4.表 4.4 灌浆箍紧K 管solidworks simulation 有限元分析结果比对哈尔滨工程大学第 19 页 共 35 页实验次数施加（吨）K 管最大应力值(MP)灌浆箍紧K 管最大应力值(MP)1199.6118.121.5149.4128.932199.2142.742.5249.1166.353298.81

54、85.663.5348.7238.974398.4253.584.5448.3287.4合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及根据表 4.4 绘制出灌浆箍紧 K 管最大应力变化趋势与K 管应力变化对比图，见图4.20。图 4.20 灌浆箍紧 K 管与K 管最大应力对比图4.4 结论根据 4.2 节，可以得出结论灌浆卡箍对破损管道，尤其是发生大范围形变点，应用灌浆卡箍后，有效地降低管道破损后应力集中点的最大应力值，从而降低管道破损扩大的几率，有效地了管道的进一步破损。根据图 4.17 可以看出在相同正下，直管安装灌浆卡箍后与未安

55、装时对比，中心轴向应力值明显下降。根据图 4.20 可以看出在相同正下，K 管安装灌浆卡箍后与未安装时对比，最大应力值明显下降。因此可以得出结论，安装灌浆卡箍后可以有效地保护立相同海况下有效地降低立管破损的概率。哈尔滨工程大学第 20 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及第 5 章 灌浆卡箍力学实验及结果分析5.1 灌浆卡箍灌浆实验5.1.1 水泥浆凝固实验为了确定水泥浆凝固时间，我们选取表 2.4 中的水泥浆密度为 1.7 g/cm3 进行配比如图 5.1 所示。图 5.1 密度为 1.7 g/cm3 的水

56、泥以及配比所需工具配比完成之后倒入杯中，然后在芯棒，为了填实芯棒周围区域，将杯中倒满后向周围区域施压，然后放置在通风处。等待 24 小时之后检查水泥的凝固情况，图 5.2 为凝固 24 小时后水泥凝固情况。图 5.2 水泥凝固 24 小时图 5.3 水泥凝固 48 小时由图 5.2 可以看出，芯棒周围和空气接触的区域的水泥已基本，表面略显潮湿。但是在杯内部的区域，没有完全，表面水分。图 5.2 为水泥凝固 48小时后,此时芯棒周围的泥浆已近完全，表面基本没有水分。哈尔滨工程大学第 21 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学

57、性能试验报告及根据的资料显示，密度为 1.7 g/cm3时间为 24 小时，与实验不符合。水泥配比实验时是严格按照表 2.4 中水泥密度为 1.7 g/cm3 进行配比的，但是视觉观察配比后水泥浆过于稀疏。经过认真分析，本次实验配比总量很少而容器较大，配比过程中大量水泥沾黏在容器壁上，使得配比后的密度远小于 1.7 g/cm3，所以才使得这次实验配比过于稀疏，使得凝固时间大大延长。为确定灌浆卡箍所需合适水泥浆的密度，进行了详细的不同密度的泥浆凝固实验， 从 1.7 g/cm31.88g/cm3 分 10 组进行实验，实验数据见表 5.1。表 5.1 泥浆凝固实验数据图 5.5 为配比时和 24

58、 小时后的实验对比图，其中左上角密度最低密度 1.7 g/cm3 水泥浆，右下角为做大密度 1.88 g/cm3 水泥浆。24 小时后可以看出下面一排已近基本凝固， 表面潮湿单没有水层，上面都有水层，认为 24 小时不能凝固。图 5.4 不同密度的水泥凝固实验哈尔滨工程大学第 22 页 共 35 页组数水泥（g）水（ml）密度（g/cm3）1270177.5521.72270170.2351.723270163.3231.744270156.7621.765270150.5521.786270144.6391.87270140.1571.828270133.6771.849270128.574

59、1.8610270122.9041.88合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及荐灌浆卡箍采用 1.76 g/cm3 水泥根据实验结果，兼顾凝固时间与水泥浆浆经行水下灌浆。5.1.2 直管卡箍灌浆实验根据泥浆凝固实验结果，在进行直管灌浆时决定采用水泥浆密度为 1.75g/cm3 进行配比。在直管灌浆之前直管卡箍先进行了直管卡箍的密封实验，见图 5.5。在清水密封实验之后将其中的清水倒出，然后称量其体积得到直管卡箍中的清水重量为 1.821kg，相当于 1.821L。图 5.5 直管卡箍密封实验完成清水密封实验以后，将之前调制好的 1.75 g/cm3 灌入直管卡箍之中见图5.6 。每次灌浆之前和灌浆之后都会对水泥进行称重，相减之后得到所得到的就是倒入额泥浆重量，图 5.1 为配比时所用的量杯以及称重式所用的电子称。图 5.6 直管卡箍灌浆实验由于不能一次灌入直管卡箍所需的全部泥浆，所以需要多次倒入，进而需要多次哈尔滨工程大学第 23 页 共 35 页合同编号：YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（五）：灌浆卡箍泥浆力学性能试验报告及称量相减，将差值相加得到灌入泥浆的全部重量，将灌入直管卡箍泥浆的总重量除以倒出清水的体积就可以得到卡箍中泥浆